全球變暖背景下熱帶太平洋的響應(yīng)及其機(jī)制

【摘要】：觀測、再分析和模式資料均證實(shí)，從19世紀(jì)末開始全球氣候逐漸增暖，并在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生重要影響。熱帶太平洋是熱帶海洋中面積最寬廣、海-氣耦合現(xiàn)象最顯著的區(qū)域，研究熱帶太平洋對全球變暖的響應(yīng)，不僅有助于加深對熱帶太平洋海-氣耦合物理過程的認(rèn)識，同時也是評估和理解全球變暖對氣候影響的重要環(huán)節(jié)。本文利用全球海氣耦合模式CAM3.1-1.5RGO，從平均態(tài)（SST）、變率（ENSO）和遙相關(guān)（熱帶北大西洋的作用）三個方面詳細(xì)探討了全球變暖對熱帶太平洋的影響。 平均態(tài)方面，解決了模式中關(guān)于熱帶太平洋SST平均態(tài)響應(yīng)類型的爭議。研究表明，熱帶太平洋在CO2加倍的場景（全球變暖場景）下呈現(xiàn)出明顯的類厄爾尼諾型（El Ni o-like）增暖。利用混合層的熱收支、熱通量項(xiàng)的分解、潛熱項(xiàng)的分解等分析方法，研究發(fā)現(xiàn)該響應(yīng)反映出海洋對于大氣沃克環(huán)流減弱的調(diào)整。其中，在熱帶西太平洋，大氣的熱通量項(xiàng)起到主要的加熱效果，且大部分被海洋層結(jié)加強(qiáng)引起的垂向卷夾冷卻所抵消；而在熱帶中、東太平洋，海洋的水平輸運(yùn)、長波輻射和潛熱通量是主要的加熱項(xiàng)，相對的，垂向卷夾、短波輻射和水平耗散項(xiàng)起到冷卻效果。該結(jié)論（類厄爾尼諾型增暖）與CZ耦合模式的結(jié)論（類拉尼娜型增暖）完全相反，經(jīng)過對比研究表明，二者最核心的差異在大氣部分，尤其是大氣的熱通量和云物理過程。因此在模式的模擬中，大氣部分將對熱帶太平洋SST平均態(tài)的變化起到主導(dǎo)作用，一旦大氣部分（尤其是云物理過程和輻射通量）可以模擬的較好，就會出現(xiàn)類厄爾尼諾型增暖。 變率方面，詳細(xì)闡述了厄爾尼諾事件中SSTA的傳播方向和極端厄爾尼諾事件在全球變暖背景下的變化及其機(jī)制。通過不同CO2濃度的三組數(shù)值實(shí)驗(yàn)（CTRL、2CO2、4CO2）研究表明，熱帶太平洋背景場的變化會導(dǎo)致ENSO事件一系列統(tǒng)計(jì)特征的變化。在CO2濃度更高的場景下，首先，ENSO逐漸向更長的周期偏轉(zhuǎn)且振幅有所減弱。借助BJ index分析表明，該現(xiàn)象起源于赤道太平洋海-氣耦合系統(tǒng)抑制效果的增長（平均水平輸運(yùn)+熱力抑制+海洋調(diào)整抑制）超過了促進(jìn)效果的增長（緯向平流反饋+溫躍層反饋+Ekman反饋）。其次，隨著CO2濃度的增高，厄爾尼諾事件中SST異常的傳播方向更多的表現(xiàn)為向東傳播。根據(jù)熱收支分析和BJ index研究發(fā)現(xiàn)，溫躍層反饋主導(dǎo)SST異常的向東傳播，緯向平流反饋主導(dǎo)SST異常的向西傳播，Ekman反饋?zhàn)鳛榻Y(jié)果項(xiàng)，與SST異常的傳播方向一致。而在全球變暖的背景下，主導(dǎo)東傳的溫躍層反饋所占的比重不斷增大，主導(dǎo)西傳的緯向平流反饋不斷減小，造成東傳事件增多。相關(guān)分析表明，以上各反饋過程的變化均可以歸結(jié)到背景場平均態(tài)的變化上，即背景流場和風(fēng)場的減弱，是東傳事件增多的根本原因。第三，在CO2濃度更高的場景下，極端厄爾尼諾事件更多。該現(xiàn)象與赤道太平洋背景SST的緯向梯度、經(jīng)向梯度減弱，ITCZ南移以及大氣對于海洋加熱強(qiáng)迫更加敏感有關(guān)。此外，ENSO振幅的減弱與極端厄爾尼諾事件的增多共同表明，在全球變暖的背景下，較小的SST異常就足以引起較強(qiáng)的厄爾尼諾事件，產(chǎn)生更大的氣候影響。 遙相關(guān)方面，揭示了全球變暖背景下熱帶北大西洋對熱帶太平洋影響的變化及其機(jī)制。利用不同CO2濃度場景下（CTRL、2CO2、4CO2）的集合實(shí)驗(yàn)研究表明，熱帶北大西洋1月份的增暖會在接下來的秋、冬季誘導(dǎo)出熱帶太平洋的類拉尼娜型響應(yīng)，且該響應(yīng)在全球變暖的背景下有所減弱。其機(jī)制如下：隨著CO2濃度的增高，春季熱帶東太平洋形成的SST偶極子（北暖南冷）無論在強(qiáng)度還是形狀上均與變暖前差異不大。但在隨后的夏季中，由于ITCZ更加偏向于赤道，限制了東南風(fēng)異常的向北擴(kuò)展以及海洋的動力過程，導(dǎo)致SST的冷異常減弱。而夏季作為整個類拉尼娜型海溫響應(yīng)的起點(diǎn)，變?nèi)醯腟ST冷異常意味著變?nèi)醯腟ST緯向梯度和Bjerknes正反饋過程，導(dǎo)致秋季SST冷異常的增長強(qiáng)度變小。與之相應(yīng)的，SST冷異常西側(cè)的東風(fēng)異常減弱，造成垂向流的變化減弱，疊加在背景的垂向溫度梯度上，形成減弱的垂向?qū)α鬏斶\(yùn)，一方面限制了SST冷異常的向西擴(kuò)展，另一方面也減弱了冬季SST冷異常的最大值。同時，背景SST緯向梯度的減弱造成異常緯向流對平均溫度的輸運(yùn)減弱，以及背景經(jīng)向流、經(jīng)向溫度梯度變化的減弱造成的平均經(jīng)向流對溫度變化的輸運(yùn)減弱，分別也在阻礙SST冷異常向西擴(kuò)展和SST冷異常局地增強(qiáng)中起到重要作用。 【關(guān)鍵詞】：全球變暖 熱帶太平洋 SST ENSO 熱帶北大西洋 BJ index 熱收支分析
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P732
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 引言13-26
• 1.1 研究背景13-14
• 1.1.1 全球變暖13-14
• 1.1.2 熱帶太平洋14
• 1.2 研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 熱帶太平洋 SST 的平均態(tài)在全球變暖背景下的響應(yīng)14-15
• 1.2.2 ENSO 在全球變暖背景下的響應(yīng)15-19
• 1.2.3 熱帶大西洋對熱帶太平洋的影響19-20
• 1.3 關(guān)鍵科學(xué)問題及主要研究內(nèi)容20-22
• 本章附圖22-26
• 第二章 數(shù)值模式和分析方法26-37
• 2.1 CAM3.1-RGO 模式簡介26-30
• 2.1.1 大氣部分 CAM3.1 模式簡介26
• 2.1.2 海洋部分 RGO 模式簡介26-30
• 2.1.2.1 模式的結(jié)構(gòu)26-27
• 2.1.2.2 模式的控制方程27-28
• 2.1.2.3 次表層溫度 Te 的參數(shù)化28-29
• 2.1.2.4 海洋模式中能量的計(jì)算29
• 2.1.2.5 海洋的配置及初始場29-30
• 2.1.2.6 熱通量修正30
• 2.1.3 海-氣耦合方案30
• 2.2 觀測及再分析數(shù)據(jù)簡介30-31
• 2.2.1 SODA 資料30-31
• 2.2.2 HadISST 資料31
• 2.3 主要分析方法簡介31-36
• 2.3.1 熱收支分析31-34
• 2.3.2 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解34-35
• 2.3.3 濾波35
• 2.3.4 一元回歸分析35-36
• 本章附圖36-37
• 第三章 熱帶太平洋 SST 平均態(tài)的響應(yīng)及其機(jī)制37-58
• 3.1 數(shù)值試驗(yàn)37
• 3.2 CTRL 的模擬評估37-38
• 3.3 熱帶太平洋的響應(yīng)38-39
• 3.4 類厄爾尼諾型響應(yīng)的機(jī)制39-44
• 3.4.1 混合層的熱收支分析39-41
• 3.4.2 海表面熱通量的分解41-44
• 3.5 本章討論與擴(kuò)展44-48
• 3.5.1 模式對次表層溫度（Te）參數(shù)化的敏感性44-45
• 3.5.2 赤道太平洋 SST 年循環(huán)的響應(yīng)45-46
• 3.5.3 Cane-Zebiak 耦合模式簡介46-48
• 3.6 本章結(jié)論48-50
• 本章附圖50-58
• 第四章 ENSO 的響應(yīng)及其機(jī)制58-98
• 4.1 數(shù)值試驗(yàn)58
• 4.2 CTRL 的模擬評估58-63
• 4.2.1 CTRL 對于 ENSO 基本統(tǒng)計(jì)特征的模擬58-59
• 4.2.2 Bjerknes stability (BJ) Index59-63
• 4.3 ENSO 的周期和振幅在全球變暖背景下的響應(yīng)63-65
• 4.3.1 熱帶太平洋的平均態(tài)在 2CO_2、4CO_2實(shí)驗(yàn)中的變化63-64
• 4.3.2 ENSO 的周期在 2CO_2、4CO_2實(shí)驗(yàn)中的變化64
• 4.3.3 ENSO 的振幅在 2CO_2、4CO_2實(shí)驗(yàn)中的變化64-65
• 4.4 厄爾尼諾事件中 SST 異常的傳播方向在全球變暖背景下的響應(yīng)65-69
• 4.4.1 傳播方向的定量描述65-66
• 4.4.2 CTRL 實(shí)驗(yàn)中厄爾尼諾事件的傳播方向66-67
• 4.4.3 2CO_2、4CO_2實(shí)驗(yàn)中厄爾尼諾事件的傳播方向67
• 4.4.4 東傳厄爾尼諾事件增多的機(jī)制67-69
• 4.5 極端厄爾尼諾事件及其在全球變暖背景下的變化69-71
• 4.5.1 極端厄爾尼諾事件的定義69-70
• 4.5.2 極端厄爾尼諾事件的特征70
• 4.5.3 極端厄爾尼諾事件在 2CO_2、4CO_2實(shí)驗(yàn)中的變化及其機(jī)制70-71
• 4.6 本章討論與擴(kuò)展71-74
• 4.6.1 Trans-Ni o index (TNI)71-72
• 4.6.2 Ekman 反饋誘導(dǎo)的 SST 異常的傳播方向72-74
• 4.7 本章結(jié)論74-76
• 本章附圖76-98
• 第五章 熱帶北大西洋對熱帶太平洋影響的變化98-118
• 5.1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)99
• 5.2 熱帶北大西洋對熱帶太平洋的影響99-102
• 5.3 全球變暖背景下熱帶北大西洋對熱帶太平洋的影響102-104
• 5.4 本章結(jié)論104-106
• 本章附圖106-118
• 第六章 全文總結(jié)與展望118-122
• 6.1 全文總結(jié)118-120
• 6.2 下一步工作展望120-122
• 參考文獻(xiàn)122-134
• 致謝134
• 個人簡歷134
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文134-135

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