引用本文
刘泽栋, 万修全, 刘福凯. 海底地热通量对海洋深层温度和环流的长期影响. 地球科学进展, 29(10): 1167-1174
Liu Zedong, Wan Xiuquan, Liu Fukai. Long-term Impact of Geothermal Heat Flux on the Deep Ocean Temperature and Circulation. Advances in Earth Science, 29(10): 1167-1174  
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海底地热通量对海洋深层温度和环流的长期影响
刘泽栋1, 万修全1,2, 刘福凯1
1.中国海洋大学海洋环境学院海洋系,中国海洋大学,山东 青岛 266100
2.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室,中国海洋大学,山东 青岛 266100
*通讯作者：万修全(1977-),男,山东日照人,副教授,主要从事物理海洋学和气候变化研究. E-mail: xqwan@ouc.edu.cn

作者简介：刘泽栋(1987-),男,山东潍坊人,博士研究生,主要从事物理海洋学研究. E-mail: zdliu@ouc.edu.cn

基金:国家自然科学基金面上项目“天气噪声对大西洋经向翻转环流变异的作用”(编号：41276013); 国家自然科学基金创新群体项目“海洋动力过程的演变机理及其在气候变化中的作用(二期)”(编号：41221063)资助
摘要

虽然地球海底地热通量在全球热能收支平衡中所占的比例非常低,在目前的海洋气候模式开发中也并没有将其包含在内,但是由于海底地热通量可以持续改变海洋的浮力而影响海水层结,进而影响海洋温度分布以及环流等海洋水文要素,并且可以进一步影响海水的化学性质、碳氮的分布循环以及生物分布等,因此其对海洋环流和气候变化长期影响的潜在可能性仍不能完全排除。在通用地球系统耦合模式(CESM)的基础上,通过在全球大洋中脊区域持续加入1 W/m2的地热通量的方式运行了长达5000年的数值模拟实验,模式结果显示：海底地热通量对深层海洋的物理性质和全球海洋环流的长期影响是不可忽略的;受地热通量的局地加热效应影响,大洋深层3000~3500 m 总体升温约0.4 ℃;在南大洋和北大西洋的深层水形成区域,海洋深层的增温信号可以影响到表层海洋。北大西洋深层水和南极底层水形成增强,并且模拟的北大西洋深层水的深度加深,更符合观测结果。

关键词: 地热通量; 海洋模式; 温度; 海洋环流; 气候变化
中图分类号:P731 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)10-1167-08
Long-term Impact of Geothermal Heat Flux on the Deep Ocean Temperature and Circulation
Liu Zedong1, Wan Xiuquan1,2, Liu Fukai1
1. Department of Oceanography, College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
2.Physical Oceanography Laboratory of the Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
Abstract

Although Geothermal Heat Flux (GHF) through the seafloor has a trivial contribution to the oceanic heat budget balance, and is excluded in the development of most climate models, its potential effect on long-term ocean circulation and climate change may not be ignored. The GHF could be as a continuously buoyancy forcing and changes ocean stratification, affects the ocean temperature distribution as well as the ocean circulation and other hydrological elements, and further affects the chemical properties of seawater, carbon and nitrogen cycle and biological distribution, etc. Here we presented a 5000-year sensitivity experiment with the Community Earth System Model (CESM) by adding geothermal heat flux of 1 W/m2 at the seafloor near the Mid-ocean ridge. The numerical results suggested that the long-term impact of GHF on deep ocean circulation and physical characters was not to be neglected. Comparing to the control experiment, the local geothermal heating contributed to an overall warming of deep waters (between 3 000~3 500 m) by 0.4 ℃, with the maximum warming of 0.85 ℃ at the southeast Pacific Ocean. It then further decreased the stability of the water column, enhanced the formation rates of North Atlantic Deep Water (NADW) and Antarctic Bottom Water (AABW), and strengthend the corresponding Meridional Overturning Circulations (MOC) by 1.7 Sv and 3.7 Sv, respectively. In the sensitivity experiment, the penetration depth of NADW also increased to the depth of 3 000~3 500 m, which was closer to observations. At the deep water formation region of North Atlantic and Southern Ocean, the GHF-induced warming signals could even reach to sea surface.

Keyword: Geothermal Heat Flux; Ocean Model; Temperature; Ocean Circulation; Climate Change.
1. 引言

海洋环流通常被认为是由海表面的风应力、热通量以及淡水通量驱动和支配, 而其他的能量来源, 例如潮汐能、海底地热能等则由于能通量量值太小常常被忽略。实际上直接作用于海洋底部的来自地球内部的地热通量也可能对深层海洋环流产生一定的影响[1~6]。海底的地热释放主要有2种方式, 一种是通过能量巨大但是持续时间较短的海底火山, 爆发时释放的总能量可以达到1022J, 炽热的岩浆使深层海水骤然上升到近千摄氏度, 但是这种高温高压的水汽团极不稳定, 使得周围水体的稳定性瞬间发生变化, 大部分热能通过对流过程很快发展到海表, 在深层扩散极少[7]; 另一种则是通过海底地热通量的形式持续缓慢的对海水产生加热作用, 这种地热通量在海底分布相当广泛, 在海底平原上的典型值为50 mW/m2(1 mW/m2=10-3W/m2), 而在洋底扩张的中心和新地壳产生的地带, 比如大洋中脊区域可以达到200~300 mW/m2, 在海底热液口附近量值更大。最新的研究表明全球海底的地热通量平均值为93~101 mW/m2 [8~11], 产生的总热能大约为32 TW(1TW = 1012W)[9, 10, 11], 约为海表面总热能的0.75%~1%(3~4 PW, 1 PW = 1015W)[12, 13]。

虽然海底地热在海洋的热收支中占的比例很小, 但是其作用在整个海底, 并且持续不断的加热, 对海洋的长期影响作用应该不可忽视。首先, 海底地热在海洋底部持续不断的加热可以增加底层海水的浮力, 进而改变海洋的层结, 对海洋的温度分布以及环流产生一定的影响[1~6, 12, 14~17]; 其次, 它还会影响海洋的化学性质、碳氮的分布循环以及海水中的生物分布和生活等[4]。由于海底地热通量和深海环流观测数据的匮乏, 目前关于海底地热通量对海洋深层温度和环流长期影响的研究较少, 大多主要以利用现有海洋数值模式进行敏感性实验居多, 尝试性的探讨海底地热通量可能对大尺度海洋环流的影响以及作用机制等。

Scott等[1]利用简单的理想海洋数值模式证明海底地热对海洋的影响主要通过平流过程, 加入地热后北大西洋的经向翻转流有显著的增强, 并且海底地热的影响信号可以在底层水形成区域进入大气。Adcroft等[2]利用一个全球的海洋数值模式(MIT General Circulation Model, MITgcm), 在海底均匀加入50 mW/m2的热通量, 结果显示海洋底层海水升温最大可达到0.3~0.4 ℃, 并且翻转环流有明显的增强, 太平洋和印度洋的底层翻转环流变化甚至可以达到1.8 Sv (Sverdrup, 是海洋学使用的流量计量单位, 符号是Sv, 1 Sv = 106 m3 s-1), 变化幅度为25%。Hofmann等[4]采用改进的海洋模式(Modular Ocean Model, MOM), 根据Pollack地热数据集[11]在大洋底部引入真实地热通量值, 其实验结果进一步印证了前人的结论：深层大洋升温约0.3~0.4 ℃, 北大西洋深层水和南极底层水分别增强了1.5 Sv(10%)和3.0 Sv(33%)。Emile-Geay等[3]和Dutay等[5]也同样证明了海底地热可以增强海洋的经向翻转流, 同时也指出海底地热的作用与底层温度的梯度和垂向混合率成反比。

本文利用最新的通用地球系统模式(The Community Earth System Model, CESM), 通过修改模式代码引入海底地热通量研究海底地热对海洋环流和深层温度的影响。

2 模式和计算配置
2.1 模式介绍

通用地球系统模式CESM是最新也是应用最广泛的地球系统模式之一, 它是美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)在2010年6月推出的, 其建立在已被广泛应用的的通用气候耦合模式CCSM4.0 (The Community Climate System Model)基础之上, 并且成为政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)发布的第五次评估报告所使用的主要的气候模式之一。CESM模式是以海洋、大气、陆面和冰圈等为研究主体, 并考虑大气化学、生物地球化学和人文过程的地球气候系统模式, 在气候与环境的演变机理、自然和人类与气候变化的相互作用以及气候变化的研究和预测等诸多方面应用广泛[18]。

CESM模式采用模块化框架, 主体由大气、海洋、陆地、海冰、陆冰等几大模块组成, 并由耦合器(CPL7)管理模块间的数据信息交换和模式运行。CESM的各个模块都采用现阶段比较成熟的既有模式, 其中大气模块采用CAM (The Community Atmosphere Model), 海洋模块采用POP (The Parallel Ocean Program), 陆地模块采用CLM(The Community Land Model), 海冰模块采用CICE (The Los Alamos National Laboratory Sea-ice Model), 陆冰模块采用 CISM (The Glimmer Ice Sheet Model)。模式中的各个模块都有不同的工作状态, 可以根据实验目的和实验要求来选择组合形式, 既可以采用全部模块完全耦合运行, 也可以采用某几个模块进行相关研究。例如要研究整个地球系统, 就要选择全耦合组合。不同的模块组合方式可以实现不同的科学实验的要求, 具有很强的灵活性和通用性。CESM实现了模块的可插拔性, 使模式操作简单, 可持续发展能力较强[19]。

2.2 模式配置

本文采用CESM 1.0.4版本(2012年2月发布)的全耦合模式, 包括海洋、大气、海冰、陆冰、陆地等模块。模式分辨率采用T31_gx3v7, 大约为3度, 其中海洋和海冰模块分辨率为gx3v7, 对海洋网格进行特殊化处理, 将北极点置于格陵兰岛上以避免积分收敛问题, 并且在赤道地区进行加密, 水平网格点是116× 100(大约为3度), 垂向分为60层, 每层厚度从上表层(< 200 m)的10 m逐渐增至底层的250 m, 模式最大深度为5 500 m; 大气和陆地模块采用谱网格, 水平分辨率为T31, 水平网格点是48× 96(大约为3.75度)。

地热在海底的实际分布是不均匀的, 在大洋中脊区域量值最大。考虑到海底地热对底层海洋的持续作用和计算量的问题, 我们设计的敏感性实验是只在大洋中脊附近水深大于2000 m的区域内加入地热, 并把地热通量值设为常数, 即在大洋中脊加入1 W/m2 的地热通量, 而其余区域不加入地热, 如图1a所示。本文中该敏感性实验简称为地热实验(Experiment of Geothermal Heat Flux, GHF); 另外运行一组其余条件均相同但没有地热影响的实验, 简称为控制实验(Experiment of Control, CTRL)。2组实验都从同一初始条件开始运算, 模式运行时间长度均为5 000年, 以使模式达到平衡状态。除非特殊说明, 本文分析所用的模式数据是最后1 000年结果的平均值。

2.3 模式地热分布统计

虽然本文的地热实验设置为理想化的敏感性实验, 在地热实验中所加入的地热产生的总能量为45.7 TW, 全球海洋平均海底地热通量为127 mW/m2, 比Stein数据集[9, 10, 11]中海底地热总量的32 TW增大了约40%, 但是由于海底地热实际观测资料匮乏, 作为一个数值敏感性实验, 本文对于研究底层海洋环流和温度分布对海底地热变化的响应仍然具有一定的借鉴意义, 对海洋气候模式的开发同样具有参考价值。

图1a显示的是全球海洋的水深分布以及地热实验中加入地热通量的区域位置, 其中海洋的网格化部分为加入的海底地热区域, 主要分布在大洋中脊附近。为分析地热对局地海洋的影响, 我们将全球海洋分为3个区域：印度洋— 太平洋海域、大西洋海域以及南大洋的南极绕极流海域(由于北冰洋海域并未加入地热, 本文未纳入计算)。地热在3个海域的能量分布为：印度— 太平洋21.8 TW、大西洋6.7 TW、南极海域17.2 TW, 平均地热通量分别为122, 108, 176 mW/m2。图1b是地热实验中不同海域的地热通量随深度的分布图。从深度分布上来看, 在地热实验中加入的地热绝大部分位于3 000~4 000 m的深度区间, 达到38.5 TW, 占到总热能的84%, 而且基本关于3 500 m呈对称分布。

图 1 地热通量的分布区域以及在各大洋中的深度分布图(a) 全球海洋水深(颜色)分布以及加入地热通量区域(网格化区域, 量值为1 W/m2); (b) 地热实验中各大洋的地热通量的深度分布图, 包括全球(黑线)、大西洋(蓝线)、印度— 太平洋(红线)以及南大洋(绿线)Fig.1 Horizontal distribution of geothermal heat fluxes and vertical distribution at different oceans(a) Depth of global ocean (color) and distribution of geothermal heat fluxes (gridded area with 1W/m2 added) at GHF run; (b) Vertical distribution of geothermal heat fluxes at different oceans. Shown are profiles for the global summation (black), Atlantic basin (blue) and Indo-Pacific basins (red) and the Southern Ocean (ACC)(green), respectively

3 实验结果分析
3.1 深层海洋温度变化

图2显示了地热实验与控制实验中全球海洋的体积平均温度差值随时间的变化曲线。从图中可以看出, 地热实验中平均温度较控制实验有明显升高, 并且在前1 000年升温较快, 大概在3 000年左右达到稳定状态, 此时全球海洋体积平均温度升高约0.3 ℃, 全球的海洋热含量增加1.6× 1024J, 增加比例为7.1%。

图 2 地热实验与控制实验的全球海洋的体积平均温度差值的时间曲线Fig.2 Time series of mean temperature difference of global ocean between GHF and CTRL runs

海洋温度变化同时存在着空间分布的不均匀性。图3为模式4 000~5 000年中地热实验与控制实验的温度差在不同海区随深度的分布图。可以看出, 海洋上层1 000 m以内的温度变化存在较明显的拐点且比较复杂, 这可能是地热引起海洋增暖的信号传输到海洋上层后引起海洋环流调整以及海洋与大气的相互作用等因素造成的, 我们将另文进行讨论。在海洋下层, 海底地热对深层海洋温度的影响主要集中在3 000 m左右的深度, 主要原因是地热在此深度附近分布最集中(图1b), 使得该深度附近水体局地加热最为明显, 全球平均升温最大可以超过0.4 ℃, 此深度上海洋热含量增加1.8× 1023J, 较控制实验增加幅度达20%; 就全球平均而言, 从深度3 000 m附近增温向下和向上分别减弱, 但是在不同海区温度的垂向变化特征并不完全一致。

在印度洋— 太平洋海域中升温效果最明显, 3 000~3 500 m拐点处水温升高接近0.5 ℃, 比控制实验温度增幅达到27%, 这与在此深度上印度洋— 太平洋中地热实验加入的地热通量值最大有关。大西洋中, 地热通量分布相对较深, 与此相对应, 大西洋海域拐点位置比其他海域深一些, 可以达到3 500 m; 与其他海区的显著不同之处是在3 500 m深度以下, 大西洋的深层温度变化并没有递减, 而是整个底层增温接近一致, 并且都超过0.4 ℃。这与大西洋深层存在的翻转环流有很大关系, 热能可以通过翻转流迅速向下传递, 使得底层的温度变化较大。南大洋中, 升温最大的拐点位置比大西洋浅, 升温幅度为0.3 ℃, 比印度洋— 太平洋海域和大西洋海域的升温幅度相对要弱; 另一方面, 上层温度变化曲线垂向近乎均匀, 这同其他海域有明显区别, 主要原因是由于南极绕极流( Antarctic Circumpolar Current, ACC)能够贯穿到较大深度, 表层的动量可以一直向下传递; 同时, ACC以南强盛的上升流区是全球主要的温跃层露头区之一, 垂向混合过程极强, 水团通过潜沉过程在此上升[20], 可以使热能很快地在垂向上传输, 从而使得南大洋海底热通量产生的热能能快速的影响到上层海洋, 进而与大气发生相互作用。由此可见, 不同海域内受海底地热影响导致的温度变化垂向分布有明显不同, 这不仅与地热通量的分布有关, 还受各大洋自身环流特征的影响[2]。

图4显示的是在3 500 m深度上地热实验与控制实验之间的温度差值分布。从图上可以看出在海底地热作用下, 该深度上全球大洋整体呈现升温状态, 平均升高约0.41 ℃, 增温强的海域主要集中在南半球, 特别是南太平洋中部(30° S左右)以及大西洋中部海域, 最大增温达到0.8 ℃, 这跟加入地热通量的分布(图1a)基本一致。而在40~60° S的南极大陆周边, 虽然分布有最高的地热通量(176 mW/m2), 但该深度上局地升温并不显著, 甚至在某些海区还出现变冷的现象, 例如在罗斯海和韦德尔海区域, 海水降温0.1 ℃。南极绕极流的垂向混合极强, 使得热通量可以较快影响中层甚至上层海洋而不是聚积在局地, 因此如前文所述, 南大洋升温垂向分布较为均匀, 并且自东向西的绕极流动使得热能有明显的带状分布。南大洋经常存在着很强的深层对流, 主要分布在韦德尔海区域, 其中心在65° S左右, 此区域内混合层在南半球冬季时甚至可以达到海底[4]。在地热实验中, 强对流的活动范围增强, 使得南极底层水的生成变强并使得其下沉和向北运动变强。深层强对流活动也伴随着海冰的融化增强以及韦德尔海中的冰间湖的形成, 从而使得韦德尔海和罗斯海内的温度有所降低。这与Adcroft 等[2]的数值模拟结果比较一致。

图 3 地热实验与控制实验不同海域平均温度差随深度的变化包括全球(黑线)、印度— 太平洋(红线)、南大洋(绿线)以及大西洋(蓝线)Fig.3 The vertical distribution of mean temperature difference between GHF and CTRL runs at different oceansShown are profiles for the global oceans (black), Atlantic basin (blue) and Indo-Pacific basins (red) and the Southern Ocean (ACC) (green)

图 4 3 500 m深度上地热实验与控制实验平均海水温度差等值线间隔0.1℃, 最大值0.82℃位于南太平洋(117° W, 23° S)和南大西洋(20° W, 33° S)Fig.4 The temperature difference at 3500 m between GHF and CTRL runsContour interval is 0.1℃. Peak value is 0.82℃ in South Pacific (117° W, 23° S) and South Atlantic (20° W, 33° S)

3.2 经向翻转环流的变化

为了进一步探究海底地热通量对大尺度海洋环流的影响, 我们重点分析了海洋经向翻转环流(Meridional Overturning Circulation, MOC)的变化。首先我们先看全球经向翻转环流和纬向平均温度的分布, 其中图5a为控制实验的结果, 图5c是地热实验与控制实验的差值。从图5a可以看出, 控制实验能够较好地模拟出全球经向翻转流(Global Meridional Overturning Circulation, GMOC)的基本特征：在赤道热带上层海洋存在着2个对称的环流圈, 在赤道区域上升, 赤道两侧下沉, 对应副热带环流圈; 北半球存在很强的顺时针翻转流, 强度达到20 Sv; 南大洋区域的南极绕极流可以影响到3 500 m的深度, 南极底层水对应的深层逆时针环流强度超过6 Sv[21]。而从图5c的地热实验与控制实验的GMOC差值图中可以发现, 加入地热通量后, GMOC出现增强的趋势, 特别是在南半球的深层, 增强约为3.7 Sv, 加速了南极底层水的形成; GMOC在北半球的顺时针翻转环流也有所加强, 增幅达到2.7 Sv。地热通量使得ACC南侧的上升流加强, 南大洋上升流的抽吸效应加强了北大西洋深层水(North Atlantic Deep Water, NADW) 的向南输运, 从而使得全球的经向翻转流加强[22, 23]。图5c中地热实验与控制实验的全球纬向平均温度差分布同时清晰的表明, 在地热分布最大的深度(3 000~3 500m)上, 海洋增温是最强的, 最大值可以达到0.7 ℃, 主要集中在40° S以北, 这与前面分析的全球平均温度差值的垂向分布(图3)以及3 500 m深度平面上的分布(图4)基本一致, 应是由于地热的局地加热效应使海水增温造成的; 而南极底层水(Antarctic Bottom Water, AABW) 区域, 海洋的强通风性和对流、混合使深层海水增温信号在40~50° S处迅速到达海表面, 从而与大气发生相互作用进一步影响海气系统。

图5b是控制实验模拟的大西洋经向翻转流(Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC)和大西洋纬向平均温度的垂向分布图。从图上可以看出, 在大西洋赤道上层温度较高, 赤道两侧的亚热带环流圈(Subtropical-Tropical meridional Cell, STC)呈不对称分布, 南侧的较北侧的强; 大西洋中下层存在一支强的跨越赤道的流动, 在约500~1 000 m层次上自南向北流动, 并在北大西洋高纬度下沉后沿下层向南流回, 强度约为18 Sv, 这与前人的数值模拟结果基本一致[24, 25]。图5d显示的是地热实验与控制实验间AMOC和大西洋纬向平均温度差值的垂向分布, 从图中可以看出, 加入地热通量后AMOC强度增强约1.7 Sv, 变化量占到GMOC变化量的60%以上; 其次AMOC影响的深度明显加深, 控制实验中北大西洋深层水(NADW) 的入侵深度在20° N为3 000 m, 在地热实验中入侵深度增加300~500 m, 达到3 500 m, 这与观测资料更加吻合, 加入地热之后在一定程度上可以改善北大西洋深层水的数值模拟效果[4]; 第三, 大西洋底部的升温比其他大洋要深, 并且主要集中在赤道区域的4 000~5 000 m范围内, 这与大西洋中模式地热引入的区域位置有关; 在北大西洋40~60° N处的深层水生成区, 下层增温的信号也可以到达上层海洋, 从而可能进一步影响气候系统的变化。

4. 结论与讨论

由于地球海底地热通量在全球热能收支平衡中所占的比例非常小, 因此在目前的气候模式研究中极少考虑其对海洋甚至大气的影响。本文首次利用通用地球系统耦合模式CESM, 通过在大洋中脊的地热高值区域加入1 W/m2热通量的敏感性实验, 进行长时间的数值模拟后发现海底地热通量对深层海洋的物理性质和全球海洋环流的长期影响是存在的, 主要的结论如下：

(1)经过5 000年的数值模拟后, 整个海洋的体积平均温度增暖约0.3 ℃, 大洋深层(3 000 m左右)约有0.4 ℃的升温。由于地热的全球分布不均匀性以及海洋环流的影响, 全球深层海洋的温度变化趋势并不相同：印度洋— 太平洋是变化最大的区域, 太平洋东南部海域深层水升温更是超过了0.8 ℃; 南极区域是垂向变化分布最为一致的海区, 这与南极绕极流导致的强垂向混合和通风有关, 并且自东向西的绕极流动使得热能的纬向分布也较为平均, 有明显的带状分布趋势。

图 5 控制实验中经向翻转环流和纬向平均温度的垂向分布(a, b)及其与地热实验的差值的垂向分布(c, d)(a)控制实验中全球经向翻转环流和纬向平均温度的垂向分布, 图中线条表示经向翻转环流, 单位是Sv, 间隔为3Sv, 颜色表示纬向平均温度, 单位是℃, 间隔为2℃; (b)与(a)类似, 但是在大西洋海域, 线条(经向翻转环流)间隔为2Sv; (c)地热实验与控制实验的全球经向翻转环流和纬向平均温度的差值垂向分布, 图中线条表示经向翻转环流差, 单位是Sv, 间隔为1Sv, 颜色表示纬向平均温度差, 单位是℃, 间隔为0.1℃; (d)与(c)类似, 但是在大西洋海域, 线条(经向翻转环流差)间隔为0.5 SvFig.5 The vertical distributions of meridional overturning circulation and zonally averaged temperature in CTRL run(a, b), and their differences between GHF and CTRL runs(c, d), respectively.(a) The vertical distributions of global meridional overturning circulation (contour, unit is Sv) and zonally averaged temperature(color, unit is ℃) in CTRL run. Contour interval is 3 Sv and color interval is 2℃. (b) the same as (a) except in the Atlantic Ocean and contour interval is 2Sv, (c) the differences of global meridional overturning circulation (contour, unit is Sv) and zonally averaged temperature(color, unit is ℃) between GHF and CTRL runs. Contour interval is 1 Sv and color interval is 0.1℃. (d) the same as c) except in the Atlantic ocean and contour interval is 0.5 Sv

(2)地热通量增强了全球和大西洋经向翻转环流, 两者增幅分别达到3.7和1.7 Sv, 并且使北大西洋深层水的入侵深度达到3 000~3 500 m, 与现在的观测结果更加接近[4]。

(3)在南大洋和北大西洋的通风和强混合区域, 特别是南极底层水和北大西洋深层水的形成区, 深层的增温信号可以影响到表层海洋, 进而与大气发生相互作用, 增加了对整个地球气候系统产生影响的潜在可能性。

虽然本文的数值敏感性实验中加入的海底地热通量与地质上反演得到的较真实的地热资料在量值上偏强, 且本文的地热主要集中在大洋中脊区域, 但是总体而言我们的模式结果与前人的研究基本一致[1~6, 12, 14~17], 某些具体差别主要表现在：本文模拟得到的深层海洋的增暖主要集中于海洋中脊附近, 特别是在大西洋和太平洋中; 在相同深度上, 本文的海洋增暖幅度比前人的研究结果略强; 利用真实地热通量模拟得到的全球海水增暖约0.18 ℃, 本文的海洋增暖幅度约为0.3 ℃。全球、大西洋的翻转环流变化形态基本一致, 都是表现出北大西洋深层水和南极底层水形成增强的趋势, 而本文的结果中翻转环流的变化强度更大。

由于本文所利用的模式是最新的地球系统耦合模式, 也为我们进一步研究海洋上层和气候系统对海底地热的响应提供了可能, 而这在目前的研究中尚没有被涉及。当然, 利用真实的海底地热资料继续进行敏感性对比实验也是以后可以继续开展的工作。

The authors have declared that no competing interests exist.

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