海洋降水與中國區(qū)域夏季降水對(duì)全球變暖的響應(yīng)：模態(tài)提取與時(shí)空分析

【摘要】：降水是人類生產(chǎn)生活以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要因素之一,同時(shí),降水也是海-氣因子中最難預(yù)測的因素之一。加之工業(yè)革命后,二氧化碳等溫室氣體在大氣中的濃度逐漸增加,地球的能量平衡因溫室效應(yīng)的加強(qiáng)而改變,全球溫度逐漸上升,1981年至2010年,全球平均溫度大約上升了0.6℃,全球變暖已成為不爭的事實(shí),隨之發(fā)生的極端降水事件的增多與增強(qiáng),嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境的平衡與人類的正常生活。雖然目前人們對(duì)降水的研究已有豐碩的成果,但是對(duì)海洋降水趨勢及機(jī)制的認(rèn)識(shí),中國區(qū)域降水年代際模態(tài)特征及影響因素仍存在分歧。本論文將以研究海洋降水以及中國區(qū)域降水對(duì)全球變暖的響應(yīng)為目標(biāo),對(duì)海洋及中國區(qū)域降水進(jìn)行模態(tài)提取及時(shí)空分析。本論文圍繞這一目標(biāo)主要做了以下幾方面的研究工作：1.建立了衛(wèi)星遙感反演降水的誤差修正模型。八十年代后期以來,以SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager)為代表的星載微波輻射計(jì)發(fā)射后,衛(wèi)星遙感在降雨觀測中發(fā)揮了越來越重要的作用。雖然遙感手段觀測降水具有時(shí)間連續(xù),空間范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)都受到反演方法的限制,從而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。比如,在反演的過程中,較少考慮到風(fēng)場在降水過程中對(duì)水滴產(chǎn)生的飄移作用。針對(duì)此問題,本論文利用海表面風(fēng)速與高度的對(duì)數(shù)關(guān)系、風(fēng)向與高度的關(guān)系,推算出高空的風(fēng)速、風(fēng)向及相應(yīng)風(fēng)力的關(guān)系,建立了風(fēng)場影響降水飄移距離的誤差修正模型,糾正后比糾正前的TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù),相對(duì)GPCP (Global Precipitation Climatology Project)的誤差修正了12%左右,為海洋降水模態(tài)的研究奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2.驗(yàn)證了區(qū)域選擇會(huì)影響經(jīng)驗(yàn)正交方法(Empirical Orthogonal Function, EOF)的模態(tài)提取結(jié)果。在提取中國區(qū)域降水模態(tài)特征時(shí),EOF方法被廣泛使用。但是EOF方法有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)性,導(dǎo)致分析的模態(tài)結(jié)果有時(shí)會(huì)難以解釋。通過將全球分割成不同的區(qū)域,研究區(qū)域大小選擇對(duì)EOF模態(tài)提取結(jié)果的影響。主要將全球進(jìn)行海、陸分割,經(jīng)度帶、緯度帶的條狀分割以及36塊區(qū)域的塊狀分割。試驗(yàn)結(jié)果顯示,全局EOF方法進(jìn)行模態(tài)提取時(shí)會(huì)將局地特征進(jìn)行高度平滑,導(dǎo)致局地精細(xì)模態(tài)無法顯示或錯(cuò)誤顯示。因此,在利用EOF方法進(jìn)行中國區(qū)域降水模態(tài)提取時(shí),必須選擇合適的區(qū)域大小,才能達(dá)到方法與數(shù)據(jù)的高效結(jié)合。3.計(jì)算了全球變暖背景下海洋降水兩大主流機(jī)制之間關(guān)系的閾值。目前在全球變暖背景下,海洋降水的變化主要有兩大理論機(jī)制,一是Warmer-get-wetter機(jī)制,一是Wet-get-wetter機(jī)制。但是海洋降水變化并非由某一機(jī)制單獨(dú)決定,而是兩個(gè)機(jī)制聯(lián)合作用的結(jié)果。本論文利用GPCP降水?dāng)?shù)據(jù)集對(duì)全球海洋降水在1979-2010年期間的時(shí)空特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在1997-98爆發(fā)的強(qiáng)厄爾尼諾事件后,降水與海表面溫度(Sea Surface Temperature, SST)在時(shí)空分布上存在較好的相關(guān)性。同時(shí)使用GPCP、糾正后TRMM衛(wèi)星及GFDL-ESM-2G模式降水?dāng)?shù)據(jù),ERSST、HadISST1及GFDL-ESM-2G模式SST數(shù)據(jù)將全球海洋降水劃分為七個(gè)區(qū)域,發(fā)現(xiàn)SST變化的信噪比為0.5是區(qū)分Warmer-get-wetter與Wet-get-wetter哪個(gè)為主控機(jī)制決定降水變化的一個(gè)重要判據(jù),而SST變化的魯棒性對(duì)海洋降水變化是一個(gè)至關(guān)重要的影響因子。4.發(fā)現(xiàn)了全球變暖背景下影響中國區(qū)域夏季降水年代際模態(tài)的因子發(fā)生改變。本論文制作了一套中國區(qū)域夏季干旱頻率數(shù)據(jù),通過干旱頻率數(shù)據(jù)研究中國區(qū)域降水對(duì)全球變暖的響應(yīng),挖掘單純使用降水?dāng)?shù)據(jù)所不能發(fā)現(xiàn)的年代際模態(tài)特征。通過區(qū)域EOF分析,發(fā)現(xiàn)中國區(qū)域夏季干旱頻率的年代際主模態(tài)受到三個(gè)因素的影響,太平洋十年振蕩(Pacific Decadal Oscillation, PDO)、大西洋年代際振蕩(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)以及全球變暖。在20世紀(jì)90年代末之前,PDO一直是影響中國區(qū)域夏季干旱的一個(gè)重要因素,但是隨著全球變暖的逐漸增強(qiáng),AMO對(duì)中國干旱的影響越來越大,它的影響通過大西洋-歐亞波列傳至中國東部,使中國東部呈現(xiàn)一個(gè)偶極子的模態(tài)特征。該發(fā)現(xiàn)表明,在全球變暖的影響下,中國區(qū)域甚至亞洲及西太平洋區(qū)域的氣候變化將受到大西洋的影響,這一發(fā)現(xiàn)對(duì)上述區(qū)域的氣候研究有著重要的意義。 【關(guān)鍵詞】：海洋降水 中國區(qū)域降水 全球變暖 模態(tài)提取 時(shí)空分析
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P426.6;P732
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-23
• 1.1 研究背景和意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 海洋降水的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.2 中國降水的研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3 論文的研究內(nèi)容19-20
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)和章節(jié)安排20-23
• 2 全球降水?dāng)?shù)據(jù)與修正23-39
• 2.1 降水觀測方法23-28
• 2.1.1 雨量計(jì)觀測23
• 2.1.2 地基雷達(dá)觀測23-24
• 2.1.3 衛(wèi)星遙感觀測24-28
• 2.2 降水?dāng)?shù)據(jù)類型28-32
• 2.3 TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在的誤差及糾正32-38
• 2.3.1 誤差修正模型32-35
• 2.3.2 數(shù)據(jù)糾正35-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 3 降水模態(tài)提取方法與分析39-58
• 3.1 模態(tài)提取方法及影響降水的耦合模態(tài)39-44
• 3.1.1 主要模態(tài)提取方法對(duì)比39-40
• 3.1.2 影響降水的海-氣耦合模態(tài)—濤動(dòng)40-42
• 3.1.3 影響降水的海-陸耦合模態(tài)—遙相關(guān)42-44
• 3.2 區(qū)域選擇對(duì)EOF的影響44-57
• 3.2.1 試驗(yàn)分割方法44-46
• 3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析46-57
• 3.3 本章小結(jié)57-58
• 4 全球變暖背景下海洋降水的模態(tài)提取與時(shí)空分析58-70
• 4.1 全球海洋降水特征58-61
• 4.1.1 時(shí)間特征58-59
• 4.1.2 空間特征59-61
• 4.2 機(jī)制討論61-68
• 4.2.1 降水區(qū)域的劃分61-62
• 4.2.2 閾值的計(jì)算62-68
• 4.3 本章小結(jié)68-70
• 5 全球變暖背景下中國區(qū)域夏季降水的模態(tài)提取與時(shí)空分析70-84
• 5.1 中國區(qū)域夏季干旱時(shí)空特征70-75
• 5.1.1 基本時(shí)空特征70-71
• 5.1.2 區(qū)域EOF分析71-75
• 5.2 全球變暖下AMO對(duì)中國區(qū)域夏季干旱的影響75-80
• 5.2.1 模態(tài)特征75-76
• 5.2.2 數(shù)據(jù)重構(gòu)76-78
• 5.2.3 物理機(jī)制78-80
• 5.3 PDO對(duì)中國區(qū)域夏季干旱的影響80-83
• 5.3.1 數(shù)據(jù)印證80-81
• 5.3.2 物理機(jī)制81-83
• 5.4 本章小結(jié)83-84
• 6 總結(jié)與展望84-87
• 6.1 總結(jié)84-86
• 6.2 展望86-87
• 參考文獻(xiàn)87-95
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果95-97
• 致謝97

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