北太平洋副热带模态水和副热带逆流的年代际变化及其对全球变暖的响应

【摘要】：副热带模态水在气候变化中扮演着重要角色。为了揭示在年代际时间尺度上北太平洋副热带逆流和副热带模态水之间的对应关系，并预估两者在温室气体增加背景下可能的变化，本文使用来自国际耦合模式第5次比较计划（CMIP5）的系列气候模拟结果和预估试验结果，分析了北太平洋副热带模态水和副热带逆流的年代际自然变化及其对全球变暖的响应，提出了副热带逆流对气候变化的可能影响。通过模式结果与观测资料的对比，指出了目前气候模式对北太平洋副热带逆流和副热带模态水模拟中存在的问题。主要取得以下创新性成果： 1.发现了代表北太平洋副热带逆流的多年代际自然变化的主要信号，该信号可以用北太平洋副热带中部海区(170°E-130°W,15-35°N)的海平面异常EOF第一模来表示，其变化周期约为50年；揭示了控制副热带逆流年代际变化的主要机制是在黑潮延伸体海域形成的副热带模态水的年代际变化：副热带模态水形成多（少）则副热带逆流强（弱）；提出了副热带逆流变化导致的混合层热平流效应变化对北太平洋SST的空间分布有一定的影响。 2.揭示了全球变暖背景下由于海洋上层层结加强，黑潮延伸体海域冬季混合层变浅，潜沉率减少了100m yr-1,副热带模态水核心密度变小约0.3kg m-3，厚度减少了150m,导致副热带逆流减弱了4cm/s。副热带逆流及其热平流效应的减弱进一步使副热带逆流所在海域海表温度的升温比周围海域要少近0.5°C，有利于北太平洋副热带海域海表温度对全球变暖响应的空间分布的非均匀性。发现全球变暖后，副热带逆流的年代际自然变化周期变小，振幅减弱。 3.依据17个CMIP5模式的情景实验，证实了副热带模态水和副热带逆流在温室气体持续增长和达到稳定两个阶段中的变化趋势不同：在温室气体浓度持续增长阶段，副热带模态水和副热带逆流快速减弱；而当温室气体浓度稳定后，副热带模态水和副热带逆流则出现缓慢变强的现象，后者与次表层海洋（300-600米）在该阶段增暖有关。 4.将气候模式结果与观测资料相比发现，气候模式中由于海洋模式对海洋涡旋模拟水平较低，副热带模态水形成过多且耗散弱，导致气候模式中的副热带逆流强度也偏强。通过涡分辨率海洋模式结果与气候模式结果的比对，发现海洋涡旋对副热带模态水潜沉和耗散都会有重要影响。 【关键词】：副热带模态水 北太平洋副热带逆流 年代际变化 全球变暖 海洋涡旋
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P731.2;P467
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstracts7-12
• 第一章 引言12-31
• 1.1 模态水研究进展12-17
• 1.1.1 模态水简介12-14
• 1.1.2 模态水的形成过程14-15
• 1.1.3 副热带模态水在气候变化中作用15-17
• 1.2 北太平洋副热带模态水影响副热带逆流的动力机制17-22
• 1.2.1 北太平洋副热带逆流的研究进展17-19
• 1.2.2 北太平洋副热带模态水影响副热带逆流的物理机制19-21
• 1.2.3 副热带模态水入侵后的斜压调整21-22
• 1.3 科学问题的提出22-23
• 1.4 本文主要研究内容23-24
• 附图24-31
• 第二章 资料、模式及方法介绍31-39
• 2.1 资料介绍31-34
• 2.1.1 观测资料31
• 2.1.2 气候模式介绍31-33
• 2.1.3 eddy-resolving 的高分辨率模式33-34
• 2.2 数据处理方法34-38
• 2.2.1 混合层深度的定义34
• 2.2.2 PV 的计算34
• 2.2.3 潜沉率34-36
• 2.2.4 Sverdrup 流函数的计算36
• 2.2.5 统计方法36-38
• 附表38-39
• 第三章 北太平洋副热带模态水影响副热带逆流的动力机制在耦合模式中的体现39-64
• 3.1 北太平洋副热带模态水影响副热带逆流在 GFDL_CM2.1 中的体现39-40
• 3.2 副热带模态水影响副热带逆流在 17 个 CMIP5 气候模式中的体现40-46
• 3.2.1 副热带逆流的空间分布41-42
• 3.2.2 副热带逆流与副热带模态水的关系42-44
• 3.2.3 CMIP5 模式之间的差异44-46
• 3.3 气候模式与观测、高分辨率模式的对比分析46-48
• 3.3.1 SSH46-47
• 3.3.2 MLD47
• 3.3.3 PV47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 附图50-64
• 第四章 北太平洋副热带逆流的年代际变化主要信号64-86
• 4.1 副热带逆流年代际自然变化主要信号64-68
• 4.1.1 副热带模态水年代际变化与副热带逆流年代际变化的关系65-66
• 4.1.2 潜沉率的年代际变化特征66-68
• 4.2 副热带逆流年代际变化的气候效应68-70
• 4.2.1 SST 和大气响应68-69
• 4.2.2 副热带逆流年代际变化与全球变暖的联系69-70
• 4.3 副热带逆流年代际变化在全球变暖前后的表现70-71
• 4.4 本章小结71-72
• 附图72-86
• 第五章 北太平洋副热带模态水和副热带逆流对全球变暖的响应86-115
• 5.1 北太平洋副热带模态水和副热带逆流对全球变暖的响应之 GFDL_CM2.1 分析结果86-91
• 5.1.1 副热带模态水形成区的混合层深度和大气强迫对全球变暖的响应86-88
• 5.1.2 潜沉率和副热带模态水对全球变暖的响应88-89
• 5.1.3 副热带逆流对全球变暖的响应89-90
• 5.1.4 SSH 和 SST 对全球变暖的响应90
• 5.1.5 副热带模态水的平均态和方差变化对副热带逆流的影响90-91
• 5.2 北太平洋副热带模态水和副热带逆流对全球变暖的响应之 CMIP5 模式分析结果91-93
• 5.2.1 副热带逆流对全球变暖的响应91-92
• 5.2.2 副热带模态水对全球变暖的响应92-93
• 5.3 全球变暖背景下北太平洋副热带模态水和副热带逆流的快慢反应93-95
• 5.4 本章小结95-97
• 附图97-115
• 第六章 总结与讨论115-120
• 6.1 全文总结115-117
• 6.2 主要创新点117-118
• 6.3 存在的问题以及展望118-120
• 参考文献120-129
• 致谢129-130
• 个人简介130
• 发表的学术论文130-131

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