西太平洋暖池變異及其機(jī)制研究

【摘要】：西太平洋暖池（WPWP）是熱帶太平洋海表面溫度場(chǎng)（Sea SurfaceTemperature, SST）的主要模態(tài)，是調(diào)制熱帶太平洋乃至全球氣候的關(guān)鍵因子，其變異特征及其物理機(jī)制備受人們關(guān)注，成為當(dāng)今海洋/氣候?qū)W研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。本文基于目前最新的NOAA AVHRR SST、WHOI OAFlux、JAMSTECMOAA GPV等十余套觀測(cè)（或再分析）資料和IPCC AR5等模式或同化資料，緊繞WPWP變異這一核心問題，在季節(jié)內(nèi)、年際、年代際和百年左右時(shí)間尺度上研究了WPWP的強(qiáng)度和位置的變異特征與物理機(jī)制。論文的主要研究結(jié)果如下： 一、發(fā)現(xiàn)WPWP面積具有很強(qiáng)的季節(jié)內(nèi)振蕩（可與其年際變率相比擬），揭示其具有年際調(diào)制和明顯長期減弱趨勢(shì)，并闡釋其物理機(jī)制。 （1）發(fā)現(xiàn)WPWP面積存在著顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO），其振幅可達(dá)1.71012m2，與年際變異的振幅（1.81012m2）非常接近，但沒有規(guī)則的周期，只有約為60天準(zhǔn)周期。研究表明，Madden-Julian Oscillation（MJO）是WPWP季節(jié)內(nèi)振蕩的來源：一方面，MJO引起暖池區(qū)尤其是暖池南北邊界區(qū)域的對(duì)流和海表面熱通量的季節(jié)內(nèi)振蕩，進(jìn)而影響暖池南北邊界在經(jīng)向上的季節(jié)內(nèi)伸縮和暖池面積的季節(jié)內(nèi)變化；另一方面通過產(chǎn)生海洋Kelvin波并向東傳播，引起中東太平洋平流季節(jié)內(nèi)變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)暖池東邊界在緯向上的季節(jié)內(nèi)伸縮和暖池面積的季節(jié)內(nèi)變化。計(jì)算結(jié)果還顯示，在暖池東邊界區(qū)，MJO導(dǎo)致的季節(jié)內(nèi)海表面凈熱通量和緯向流占主要貢獻(xiàn)，而在暖池南北邊界區(qū)則主要是海表面熱通量的季節(jié)內(nèi)變化導(dǎo)致的。前人只研究了WPWP表面積的季節(jié)到年代際變化，本文在一定程度上彌補(bǔ)了學(xué)界對(duì)WPWP空間尺寸變異的一個(gè)認(rèn)識(shí)空白。 （2）揭示MJO的年際變化導(dǎo)致西太平洋暖池面積ISO的年際變化。WPWP ISO存在著很強(qiáng)的年際變化。其中1982、1992、1995、1996、1997、2002、2009和2010年為強(qiáng)WPWP ISO年，而1991、1993、1994、1998、2000、2001和2004年為弱WPWP ISO年。利用合成分析方法診斷了WPWP ISO年際變化的物理機(jī)制，結(jié)果表明MJO的年際變化是暖池面積的季節(jié)內(nèi)振蕩的年際調(diào)制的來源，具體是：MJO信號(hào)具有明顯的年際變化，導(dǎo)致暖池邊界區(qū)域海表面熱通量季節(jié)內(nèi)振蕩的年際變化，進(jìn)而導(dǎo)致SST季節(jié)內(nèi)振蕩的年際變化，最終形成WPWP面積ISO的年際調(diào)制。 （3）發(fā)現(xiàn)WPWP面積ISO明顯的長期減弱趨勢(shì)，并給出物理機(jī)制。在1982–2011年間，WPWP ISO（振幅）存在很明顯的減弱趨勢(shì)。這30年間，暖池季節(jié)內(nèi)振蕩指數(shù)ISOw p總共下降了0.71012m2（約為其平均值的41%），平均每年大約下降為平均值的1.4%。診斷分析表明，太平洋MJO指數(shù)也呈現(xiàn)出非常明顯的下降趨勢(shì)，MJO的減弱導(dǎo)致海表面熱通量和海表面流季節(jié)內(nèi)振蕩的減弱，進(jìn)而引起熱帶西太平洋SST季節(jié)內(nèi)振蕩和WPWP ISO的減弱。 二、西太平洋暖池分裂現(xiàn)象及其物理機(jī)制 （1）發(fā)現(xiàn)了一種前人未曾提到的現(xiàn)象：WPWP分裂現(xiàn)象。詳細(xì)考察了WPWP在1982–2011年間的演變（每隔20天考察一次）后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)WPWP在特定時(shí)間里西太平洋暖池會(huì)被一個(gè)低溫水域分割成2個(gè)部分，即發(fā)生WPWP分裂現(xiàn)象。WPWP分裂區(qū)域大體上在0–16°N和120–180°E區(qū)域內(nèi)。暖池在分裂期具有2個(gè)核心，一個(gè)在15°N–20°N之間，另一個(gè)則在5°S附近。WPWP分裂現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了對(duì)暖池結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。 （2）物理機(jī)制：氣旋式環(huán)流異常（上升流加強(qiáng)）是導(dǎo)致暖池分裂的主要原因。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，除極個(gè)別事件外暖池分裂事件基本上都發(fā)生在El Ni o事件發(fā)展期7–9月。診斷結(jié)果表明，WPWP分裂現(xiàn)象主要是與ENSO相關(guān)的海洋環(huán)流過程有關(guān)：在El Ni o發(fā)展期，NEC和NECC同時(shí)加強(qiáng)，西邊界暖池核心區(qū)產(chǎn)生氣旋式環(huán)流異常（上升流加強(qiáng)），SST降低，從而導(dǎo)致西太平洋暖池分裂現(xiàn)象。 三、WPWP的年際－年代際及長期變化趨勢(shì)與物理機(jī)制 （1）前人在研究WPWP時(shí)“言年際變化必ENSO”，但問題是：WPWP年際變化都與ENSO相關(guān)嗎？本文結(jié)果表明，雖然WPWP的緯向移動(dòng)主要與ENSO相關(guān)聯(lián)，但是WPWP強(qiáng)度（如熱含量，OHC）的年際變化卻不僅僅與ENSO相關(guān)。本文提出、定義了一個(gè)能描述三維暖池空間位置的變量WPWP熱心（Heat Center，HC），其緯向位置的年際變化確與ENSO相聯(lián)。而WPWP OHC則不同:將WPWP OHC序列與Ni o指數(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者在很多時(shí)段并不吻合甚至反位相。這說明WPWP強(qiáng)度的年際變化絕非僅僅是與ENSO相關(guān)。通過合成分析發(fā)現(xiàn)，年際時(shí)間尺度上經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)在赤道太平洋輻合/輻散，引起海水和熱量在赤道太平洋的輻合/輻散，進(jìn)而形成了WPWP強(qiáng)度的年際變化。因此，不能說WPWP的年際變化都與ENSO相關(guān)。 （2）提出了一種計(jì)算時(shí)間序列長期變化趨勢(shì)的新方法滑動(dòng)趨勢(shì)法,并運(yùn)用這種方法研究了WPWP在過去130多年的變化趨勢(shì)。以往估計(jì)WPWP長期變化趨勢(shì)時(shí)，結(jié)果往往會(huì)受到顯著年代際變化干擾的影響。利用“滑動(dòng)趨勢(shì)法”可以有效消除時(shí)間序列中較短時(shí)間尺度波動(dòng)（如年代際）對(duì)趨勢(shì)估計(jì)的影響。據(jù)此，本文計(jì)算了1874–2005年間WPWP二維熱心和表面積的長期變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)WPWP面積在這132年間以3.21010m2yr1的速度擴(kuò)張，其熱心以0.007yr1的速度向東移動(dòng)。同時(shí)，利用滑動(dòng)趨勢(shì)法重新計(jì)算的1955–2003年間暖池的擴(kuò)張趨勢(shì)為111010m2yr1，修正了Cravatte et al.（2009）因年代際振蕩引入的約30%的相對(duì)誤差。 此外，本文利用EEMD-希爾伯特-黃變換得到了二維暖池?zé)嵝暮捅砻娣e的年代際主模態(tài)，發(fā)現(xiàn)在1870–2009年間熱心經(jīng)度年代際模態(tài)周期在30~40年附近擺動(dòng)，且在20世紀(jì)前50年中年代際變化偏弱。而暖池面積的年代際主模態(tài)周期在20~30年間擺動(dòng)，其中1870至1890年代頻率偏低。 【關(guān)鍵詞】：西太平洋暖池 季節(jié)內(nèi)振蕩 暖池分裂 年際-年代際變化 長期變化趨勢(shì)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（海洋研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P731
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-10
• Abstract10-17
• 第一章 緒論17-41
• 1.1 為什么研究暖池：人類活動(dòng)與西太平洋暖池17-18
• 1.2 西太平洋暖池研究回顧與綜述18-33
• 1.2.1 西太平洋暖池的氣候態(tài)特征和形成機(jī)制18-23
• 1.2.2 西太平洋暖池的多尺度變異23-26
• 1.2.3 西太平洋暖池在氣候系統(tǒng)中的作用26-28
• 1.2.4 西太平洋暖池觀測(cè)回顧28-32
• 1.2.5 小結(jié)32-33
• 1.3 科學(xué)問題的提出與本文的主要研究內(nèi)容33-35
• 1.3.1 現(xiàn)存的主要科學(xué)問題33-34
• 1.3.2 本文的主要研究內(nèi)容34-35
• 1.4 本文使用的數(shù)據(jù)和研究方法35-41
• 1.4.1 觀測(cè)和再分析資料35-37
• 1.4.2 同化數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)37-38
• 1.4.3 本文的主要研究方法38-41
• 第二章 西太平洋暖池季節(jié)內(nèi)振蕩及其年際調(diào)制與長期趨勢(shì)41-81
• 2.1 引言41-44
• 2.2 西太暖池空間尺寸季節(jié)內(nèi)振蕩（WPWP ISO）44-66
• 2.2.1 WPWP ISO 的基本特征44-48
• 2.2.2 西太暖池空間尺寸季節(jié)內(nèi)振蕩物理機(jī)制48-61
• 2.2.3 Madden-Julian Oscillation 和海洋波動(dòng)過程的作用61-66
• 2.3 西太暖池空間尺寸季節(jié)內(nèi)振蕩的年際調(diào)制66-73
• 2.3.1 西太暖池季節(jié)內(nèi)振蕩的年際調(diào)制特征67-68
• 2.3.2 西太暖池季節(jié)內(nèi)振蕩的年際調(diào)制的可能機(jī)制68-73
• 2.4 西太暖池空間尺寸季節(jié)內(nèi)振蕩的長期變化趨勢(shì)73-78
• 2.4.1 觀測(cè)事實(shí)：迅速減弱的西太暖池季節(jié)內(nèi)振蕩73-75
• 2.4.2 可能機(jī)制：減弱的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩75-78
• 2.5 討論與小結(jié)78-81
• 第三章 西太平洋暖池分裂現(xiàn)象及其物理機(jī)制81-102
• 3.1 引言81-82
• 3.2 西太平洋暖池分裂現(xiàn)象82-87
• 3.2.1 一個(gè)西太平洋暖池分裂的例子82-83
• 3.2.2 西太平洋暖池分裂的統(tǒng)計(jì)特征83-87
• 3.3 西太平洋暖池分裂現(xiàn)象的物理機(jī)制87-95
• 3.3.1 海洋過程與海氣熱通量的作用87-91
• 3.3.2 暖池分裂現(xiàn)象與 ENSO91-92
• 3.3.3 西太暖池增暖趨勢(shì)對(duì)暖池分裂現(xiàn)象的影響92-95
• 3.4 IPCC AR5 模式能模擬出西太平洋暖池分裂現(xiàn)象么？95-100
• 3.4.1 IPCC AR5 及其數(shù)值模式簡介95-96
• 3.4.2 IPCC AR5 模式能模擬出西太平洋暖池分裂現(xiàn)象么？96-100
• 3.5 討論與小結(jié)100-102
• 第四章 西太平洋暖池年際變異規(guī)律及其物理機(jī)制102-128
• 4.1 引言102-105
• 4.2 西太平洋暖池的年際變化特征105-119
• 4.2.1 西太平洋暖池空間位置的年際變化: 熱心105-112
• 4.2.2 西太平洋暖池強(qiáng)度的年際變化112-116
• 4.2.3 WPWP 年際變化只有 ENSO 信號(hào)么?116-119
• 4.3 西太平洋暖池強(qiáng)度年際變化的物理機(jī)制119-125
• 4.3.1 強(qiáng)弱 WPWP 的差異119-121
• 4.3.2 海表面熱通量的作用121
• 4.3.3 海洋過程與風(fēng)場(chǎng)的作用121-125
• 4.4 小結(jié)125-128
• 第五章 西太平洋暖池的年代際變異特征與長期趨勢(shì)128-158
• 5.1 引言128-131
• 5.2 西太平洋暖池的年代際變化特征131-146
• 5.2.1 西太平洋暖池位移的年代際變化及其主要模態(tài)131-137
• 5.2.2 西太平洋暖池強(qiáng)度的年代際變化及其主要模態(tài)137-141
• 5.2.3 討論：西太平洋暖池年代際變化主模態(tài)與 PDO/AMO 的關(guān)系141-146
• 5.3 西太暖池長期變化趨勢(shì)：WPWP 的過去與未來146-155
• 5.3.1 西太平洋暖池長期趨勢(shì)：滑動(dòng)趨勢(shì)法的提出與應(yīng)用146-150
• 5.3.2 未來百年（2000–2099）WPWP 變化趨勢(shì)：IPCC AR4 模式結(jié)果150-155
• 5.4 討論與小結(jié)155-158
• 第六章 總結(jié)、思考與展望158-168
• 6.1 本文的主要結(jié)論159-164
• 6.1.1 西太暖池空間尺度季節(jié)內(nèi)振蕩及其年際調(diào)制159-160
• 6.1.2 西太平洋暖池分裂現(xiàn)象及其物理機(jī)制160-161
• 6.1.3 西太平洋暖池年際變異規(guī)律及其物理機(jī)制161-163
• 6.1.4 西太平洋暖池的年代際變異特征與長期趨勢(shì)163-164
• 6.2 對(duì)尚存問題的思考與未來工作展望164-168
• 參考文獻(xiàn)168-189
• 附錄 1 在讀期間文章完成情況189-190
• 附錄 2 在讀期間出?？瓶冀?jīng)歷190-191
• 附錄 3 在讀期間主要學(xué)術(shù)報(bào)告191-192
• 附錄 4 個(gè)人簡歷192

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西太平洋暖池近3萬年來的沉積序列及其環(huán)境特征—WP92-3柱樣的REE記錄    顏文;陳木宏;李春娣;湯賢贊;陳忠;鄭范;

赤道太平洋緯向風(fēng)和流異常與西太平洋暖池緯向運(yùn)移    齊慶華;侯一筠;張啟龍;

強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“碧利斯”造成異常強(qiáng)降水的氣候背景    何慧;李艷蘭;覃志年;廖雪萍;

西太平洋暖池時(shí)空分布特征及其與ENSO的關(guān)系    陳錦年;王宏娜;呂心艷;

南印度洋海溫偶極子型振蕩及其氣候影響    賈小龍,李崇銀

西北太平洋熱帶氣旋移動(dòng)路徑的年際變化及其機(jī)理研究    黃榮輝;陳光華;

1997/1998年ElNio事件發(fā)生、發(fā)展可能機(jī)制的進(jìn)一步研究    岳彩軍;陸維松;

西太平洋暖池海溫異常及對(duì)東亞環(huán)流的影響    張震宇;王志剛;李萬里;程哲;

1997/1998 El Nino事件發(fā)生、發(fā)展可能機(jī)制的完善    岳彩軍;陸維松;

西太平洋副熱帶高壓對(duì)熱帶東西太平洋海溫的響應(yīng)    張善強(qiáng);

冷暖ENSO年西太平洋海氣熱通量交換的低頻振蕩    程華;

末次冰期以來西太平洋暖池地區(qū)表層海水溫度和氧同位素變化及其古氣候?qū)W意義    徐建;KUHNT Wolfgang;HOLBOURN Ann;ANDERSEN Nils;

晚第四紀(jì)熱帶邊緣海微體古生物群與季風(fēng)氣候的演變特征    陳木宏;向榮;劉建國;張?zhí)m蘭;董藝辛;

西太平洋暖池核心區(qū)KX21-2孔鈣質(zhì)超微化石分析    梁丹;劉傳聯(lián);

ENSO本質(zhì)的進(jìn)一步研究    李崇銀;穆明權(quán);

影響山東熱帶氣旋的頻數(shù)與太平洋海溫的關(guān)系    高曉梅;江靜;袁俊鵬;楊靜;錢其峰;馬守強(qiáng);

探索地球深海奧秘研究工作啟動(dòng)    記者 陳衛(wèi)東

570萬年前曾生物勃發(fā)    記者 張建松

南海南部曾“生物勃發(fā)”    張建松

西太平洋暖池變異及其機(jī)制研究    胡石建

25萬年來西太平洋暖池核心區(qū)古海洋學(xué)研究    路波

西太平洋暖池北部15萬年以來的古海洋學(xué)研究    仇曉華

西太平洋—印度洋—青藏高原氣候系統(tǒng)在南海夏季風(fēng)爆發(fā)過程中的作用    于樂江

黑潮流系與暖池區(qū)晚更新世以來的古環(huán)境研究    孫榮濤

熱帶西太平洋邊緣晚第四紀(jì)以來的古環(huán)境研究    趙京濤

西太平洋暖池區(qū)中更新世以來古海洋學(xué)研究    唐正

ENSO海氣耦合模型的解析解研究    周先春

西太平洋暖池淡水池的鹽度收支    聶珣煒

西太平洋暖池核心區(qū)Ontong-Java海臺(tái)微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性研究    春梅

360ka以來西太平洋暖池核心區(qū)古環(huán)境演化    王海霞

西太平洋暖池?zé)岷繉?duì)江南春雨的影響及其機(jī)理研究    尚可

西太平洋暖池?zé)岷孔儺愄卣骷捌鋵?duì)中國東部夏季降水的影響    王曉芳

熱帶西太平洋暖池以及大氣環(huán)流的長期變動(dòng)趨勢(shì)研究    傅方奇

西太平洋暖池核心區(qū)360ka來上部水體溫度和結(jié)構(gòu)演變    張帥

MD01-2376巖心所反映的印度尼西亞穿越流230ka以來的變化特征及其對(duì)地軌因素的響應(yīng)    劉偉

熱帶太平洋海溫變異與我國華南地區(qū)冬季降水關(guān)系的討論    袁良

亞印太區(qū)域海氣熱通量變化與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系    左濤