西太平洋暖池变异及其机制研究

【摘要】：西太平洋暖池（WPWP）是热带太平洋海表面温度场（Sea SurfaceTemperature, SST）的主要模态，是调制热带太平洋乃至全球气候的关键因子，其变异特征及其物理机制备受人们关注，成为当今海洋/气候学研究的前沿热点之一。本文基于目前最新的NOAA AVHRR SST、WHOI OAFlux、JAMSTECMOAA GPV等十余套观测（或再分析）资料和IPCC AR5等模式或同化资料，紧绕WPWP变异这一核心问题，在季节内、年际、年代际和百年左右时间尺度上研究了WPWP的强度和位置的变异特征与物理机制。论文的主要研究结果如下： 一、发现WPWP面积具有很强的季节内振荡（可与其年际变率相比拟），揭示其具有年际调制和明显长期减弱趋势，并阐释其物理机制。 （1）发现WPWP面积存在着显著的季节内振荡（ISO），其振幅可达1.71012m2，与年际变异的振幅（1.81012m2）非常接近，但没有规则的周期，只有约为60天准周期。研究表明，Madden-Julian Oscillation（MJO）是WPWP季节内振荡的来源：一方面，MJO引起暖池区尤其是暖池南北边界区域的对流和海表面热通量的季节内振荡，进而影响暖池南北边界在经向上的季节内伸缩和暖池面积的季节内变化；另一方面通过产生海洋Kelvin波并向东传播，引起中东太平洋平流季节内变化，进而驱动暖池东边界在纬向上的季节内伸缩和暖池面积的季节内变化。计算结果还显示，在暖池东边界区，MJO导致的季节内海表面净热通量和纬向流占主要贡献，而在暖池南北边界区则主要是海表面热通量的季节内变化导致的。前人只研究了WPWP表面积的季节到年代际变化，本文在一定程度上弥补了学界对WPWP空间尺寸变异的一个认识空白。 （2）揭示MJO的年际变化导致西太平洋暖池面积ISO的年际变化。WPWP ISO存在着很强的年际变化。其中1982、1992、1995、1996、1997、2002、2009和2010年为强WPWP ISO年，而1991、1993、1994、1998、2000、2001和2004年为弱WPWP ISO年。利用合成分析方法诊断了WPWP ISO年际变化的物理机制，结果表明MJO的年际变化是暖池面积的季节内振荡的年际调制的来源，具体是：MJO信号具有明显的年际变化，导致暖池边界区域海表面热通量季节内振荡的年际变化，进而导致SST季节内振荡的年际变化，最终形成WPWP面积ISO的年际调制。 （3）发现WPWP面积ISO明显的长期减弱趋势，并给出物理机制。在1982–2011年间，WPWP ISO（振幅）存在很明显的减弱趋势。这30年间，暖池季节内振荡指数ISOw p总共下降了0.71012m2（约为其平均值的41%），平均每年大约下降为平均值的1.4%。诊断分析表明，太平洋MJO指数也呈现出非常明显的下降趋势，MJO的减弱导致海表面热通量和海表面流季节内振荡的减弱，进而引起热带西太平洋SST季节内振荡和WPWP ISO的减弱。 二、西太平洋暖池分裂现象及其物理机制 （1）发现了一种前人未曾提到的现象：WPWP分裂现象。详细考察了WPWP在1982–2011年间的演变（每隔20天考察一次）后，结果发现WPWP在特定时间里西太平洋暖池会被一个低温水域分割成2个部分，即发生WPWP分裂现象。WPWP分裂区域大体上在0–16°N和120–180°E区域内。暖池在分裂期具有2个核心，一个在15°N–20°N之间，另一个则在5°S附近。WPWP分裂现象的发现推进了对暖池结构的传统认识。 （2）物理机制：气旋式环流异常（上升流加强）是导致暖池分裂的主要原因。统计结果表明，除极个别事件外暖池分裂事件基本上都发生在El Ni o事件发展期7–9月。诊断结果表明，WPWP分裂现象主要是与ENSO相关的海洋环流过程有关：在El Ni o发展期，NEC和NECC同时加强，西边界暖池核心区产生气旋式环流异常（上升流加强），SST降低，从而导致西太平洋暖池分裂现象。 三、WPWP的年际－年代际及长期变化趋势与物理机制 （1）前人在研究WPWP时“言年际变化必ENSO”，但问题是：WPWP年际变化都与ENSO相关吗？本文结果表明，虽然WPWP的纬向移动主要与ENSO相关联，但是WPWP强度（如热含量，OHC）的年际变化却不仅仅与ENSO相关。本文提出、定义了一个能描述三维暖池空间位置的变量WPWP热心（Heat Center，HC），其纬向位置的年际变化确与ENSO相联。而WPWP OHC则不同:将WPWP OHC序列与Ni o指数对比，发现二者在很多时段并不吻合甚至反位相。这说明WPWP强度的年际变化绝非仅仅是与ENSO相关。通过合成分析发现，年际时间尺度上经向风场在赤道太平洋辐合/辐散，引起海水和热量在赤道太平洋的辐合/辐散，进而形成了WPWP强度的年际变化。因此，不能说WPWP的年际变化都与ENSO相关。 （2）提出了一种计算时间序列长期变化趋势的新方法滑动趋势法,并运用这种方法研究了WPWP在过去130多年的变化趋势。以往估计WPWP长期变化趋势时，结果往往会受到显著年代际变化干扰的影响。利用“滑动趋势法”可以有效消除时间序列中较短时间尺度波动（如年代际）对趋势估计的影响。据此，本文计算了1874–2005年间WPWP二维热心和表面积的长期变化趋势，发现WPWP面积在这132年间以3.21010m2yr1的速度扩张，其热心以0.007yr1的速度向东移动。同时，利用滑动趋势法重新计算的1955–2003年间暖池的扩张趋势为111010m2yr1，修正了Cravatte et al.（2009）因年代际振荡引入的约30%的相对误差。 此外，本文利用EEMD-希尔伯特-黄变换得到了二维暖池热心和表面积的年代际主模态，发现在1870–2009年间热心经度年代际模态周期在30~40年附近摆动，且在20世纪前50年中年代际变化偏弱。而暖池面积的年代际主模态周期在20~30年间摆动，其中1870至1890年代频率偏低。 【关键词】：西太平洋暖池 季节内振荡 暖池分裂 年际-年代际变化 长期变化趋势
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（海洋研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P731
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-10
• Abstract10-17
• 第一章 绪论17-41
• 1.1 为什么研究暖池：人类活动与西太平洋暖池17-18
• 1.2 西太平洋暖池研究回顾与综述18-33
• 1.2.1 西太平洋暖池的气候态特征和形成机制18-23
• 1.2.2 西太平洋暖池的多尺度变异23-26
• 1.2.3 西太平洋暖池在气候系统中的作用26-28
• 1.2.4 西太平洋暖池观测回顾28-32
• 1.2.5 小结32-33
• 1.3 科学问题的提出与本文的主要研究内容33-35
• 1.3.1 现存的主要科学问题33-34
• 1.3.2 本文的主要研究内容34-35
• 1.4 本文使用的数据和研究方法35-41
• 1.4.1 观测和再分析资料35-37
• 1.4.2 同化数据和模式数据37-38
• 1.4.3 本文的主要研究方法38-41
• 第二章 西太平洋暖池季节内振荡及其年际调制与长期趋势41-81
• 2.1 引言41-44
• 2.2 西太暖池空间尺寸季节内振荡（WPWP ISO）44-66
• 2.2.1 WPWP ISO 的基本特征44-48
• 2.2.2 西太暖池空间尺寸季节内振荡物理机制48-61
• 2.2.3 Madden-Julian Oscillation 和海洋波动过程的作用61-66
• 2.3 西太暖池空间尺寸季节内振荡的年际调制66-73
• 2.3.1 西太暖池季节内振荡的年际调制特征67-68
• 2.3.2 西太暖池季节内振荡的年际调制的可能机制68-73
• 2.4 西太暖池空间尺寸季节内振荡的长期变化趋势73-78
• 2.4.1 观测事实：迅速减弱的西太暖池季节内振荡73-75
• 2.4.2 可能机制：减弱的大气季节内振荡75-78
• 2.5 讨论与小结78-81
• 第三章 西太平洋暖池分裂现象及其物理机制81-102
• 3.1 引言81-82
• 3.2 西太平洋暖池分裂现象82-87
• 3.2.1 一个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统计特征83-87
• 3.3 西太平洋暖池分裂现象的物理机制87-95
• 3.3.1 海洋过程与海气热通量的作用87-91
• 3.3.2 暖池分裂现象与 ENSO91-92
• 3.3.3 西太暖池增暖趋势对暖池分裂现象的影响92-95
• 3.4 IPCC AR5 模式能模拟出西太平洋暖池分裂现象么？95-100
• 3.4.1 IPCC AR5 及其数值模式简介95-96
• 3.4.2 IPCC AR5 模式能模拟出西太平洋暖池分裂现象么？96-100
• 3.5 讨论与小结100-102
• 第四章 西太平洋暖池年际变异规律及其物理机制102-128
• 4.1 引言102-105
• 4.2 西太平洋暖池的年际变化特征105-119
• 4.2.1 西太平洋暖池空间位置的年际变化: 热心105-112
• 4.2.2 西太平洋暖池强度的年际变化112-116
• 4.2.3 WPWP 年际变化只有 ENSO 信号么?116-119
• 4.3 西太平洋暖池强度年际变化的物理机制119-125
• 4.3.1 强弱 WPWP 的差异119-121
• 4.3.2 海表面热通量的作用121
• 4.3.3 海洋过程与风场的作用121-125
• 4.4 小结125-128
• 第五章 西太平洋暖池的年代际变异特征与长期趋势128-158
• 5.1 引言128-131
• 5.2 西太平洋暖池的年代际变化特征131-146
• 5.2.1 西太平洋暖池位移的年代际变化及其主要模态131-137
• 5.2.2 西太平洋暖池强度的年代际变化及其主要模态137-141
• 5.2.3 讨论：西太平洋暖池年代际变化主模态与 PDO/AMO 的关系141-146
• 5.3 西太暖池长期变化趋势：WPWP 的过去与未来146-155
• 5.3.1 西太平洋暖池长期趋势：滑动趋势法的提出与应用146-150
• 5.3.2 未来百年（2000–2099）WPWP 变化趋势：IPCC AR4 模式结果150-155
• 5.4 讨论与小结155-158
• 第六章 总结、思考与展望158-168
• 6.1 本文的主要结论159-164
• 6.1.1 西太暖池空间尺度季节内振荡及其年际调制159-160
• 6.1.2 西太平洋暖池分裂现象及其物理机制160-161
• 6.1.3 西太平洋暖池年际变异规律及其物理机制161-163
• 6.1.4 西太平洋暖池的年代际变异特征与长期趋势163-164
• 6.2 对尚存问题的思考与未来工作展望164-168
• 参考文献168-189
• 附录 1 在读期间文章完成情况189-190
• 附录 2 在读期间出海科考经历190-191
• 附录 3 在读期间主要学术报告191-192
• 附录 4 个人简历192

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