全球变暖对北大西洋气候变率的影响

【摘要】：本文主要讨论了北大西洋气候变率在全球变暖下的变化,其中包括北大西洋三极子(NAT)以及热带北大西洋极子(NTAM)。NAT是冬季热带外北大西洋海表温度(SST)的经验正交分解(EOF)第二模态,与北大西洋涛动(NAO)紧密相连。它的变化对于周围国家的温度、降水、大西洋经向翻转流(AMOC)等等都有着重要的影响。而NTAM作为春季热带北大西洋的EOF第一模态,与热带辐合带(ITCZ)的南北移动有着紧密的联系。其对于周围国家的降水以及北大西洋飓风有着非常重要的影响。本文首先利用FOAM1.5 (Fast Ocean-Atmosphere Model, versionl.5)模式研究了NAT的年代际变率。在模式中NAT呈现出11年的典型年代际周期。通过部分阻挡实验和部分耦合实验,我们发现这一年代际变率的生成机制与副热带海盆内的海洋波动调整过程以及北大西洋海气耦合过程有着密不可分的联系。在二氧化碳加倍实验中,NAT的空间形态没有发生显著的变化,但是其年代际变率的强度明显减弱了。这主要与全球变暖后海洋层结更加稳定,导致Rossby波波速加快,其横跨副热带海盆的时间缩短有关。Rossby波横跨海盆的时间决定了NAT年代际变率的时间周期,它的缩短使得NAT年代际变率缩短为年际变率。这一 Rossby加速的现象在Geophysical Fluid Dynamics Laboratory coupled model version 2.0 (GFDL CM2.0)模式中也有所体现。而NAT年代际变率形成的另一重要机制——北大西洋海气耦合过程在FOAM二氧化碳加倍实验中并没有发生明显的改变,但GFDL CM2.0模式结果则显示此过程急剧减弱,因此北大西洋海气耦合过程在全球变暖后的变化可能具有较强的模式依赖性。为了进一步研究全球变暖下北大西洋海气耦合作用的变化,我们利用20世纪再分析资料(20CRv2)、观测资料以及模式数据系统地研究了北大西洋的海气耦合作用。在北大西洋,海气耦合作用由两个过程构成：冬季大气强迫冬季海洋,以及夏季海洋强迫冬季大气。其中前者主要表现为冬季NAO与NAT的紧密联系,而后者则为夏季海表温度(SST)的北大西洋马蹄状模态(NAH)与冬季NAO的紧密联系。研究发现大气对海洋的强迫在20世纪中没有明显的变化,但是海洋对于大气的强迫却显著增强了。其增强的原因主要与20世纪中北大西洋风暴轴的加强以及NAH的加强有关,这一结论与其他政府间报告(IPCC)模式和再分析数据结果一致。研究同时表明,大部分IPCC AR4气候模式未能准确模拟出NAO-NAH的耦合作用以及夏季SST的NAH模态。中纬度北大西洋与热带北大西洋联系紧密,也是大西洋经向模态(AMM)内部变率的重要组成部分。本文我们重点研究AMM偶极子的热带北大西洋极子(NTAM),并利用Pacific Ocean-Global Atmosphere (POGA)实验来评估南方涛动(ENSO)强迫以及内部变率对NTAM的影响。在POGA实验中,热带东太平洋SST的异常被固定为观测值,而其他海域则与大气完全祸合。本实验从1950年到2012年,共运行了10组实验。我们利用10组实验的集合平均和组内差别分别代表ENSO强迫和内部变率。研究发现,这两种NTAM变率的形成机制均为风-蒸发-SST (WES)过程,并在春季达到鼎盛：而内部变率的发展时间较早,也是NTAM更重要的组成部分。POGA实验虽然可以成功捕捉到以上特征,但是较观测比仍存在一定的缺陷。首先,POGA实验模拟的NTAM发展时间较观测晚,且内部变率占有更大的比重。其次,POGA实验中NTAM变率在赤道北部海域存在一个异常的极大值带,其形成机制与WES过程和海洋动力过程有着密切的关系。而这一异常在模式模拟中十分普遍：30个IPCC模式有15个存在这一问题。此外,POGA实验中NTAM与Atlantic Nino联系过于紧密,而这一问题在其他9个IPCC模式中也有所体现。 【关键词】：北大西洋三极子 海气耦合 大西洋经向模态 全球变暖 内部变率
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P732
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 引言12-26
• 1.1 北大西洋概述12-13
• 1.2 北大西洋三极子13-15
• 1.3 北大西洋海气耦合15-17
• 1.4 热带大西洋经向模态17-18
• 1.5 全球变暖18-20
• 1.6 关键科学问题及拟解决内容20-22
• 本章附图22-26
• 第二章 数值模式和分析方法26-32
• 2.1 FOAM模式简介26-27
• 2.1.1 模式介绍26
• 2.1.2 Ctrl实验26
• 2.1.3 2CO_2实验26-27
• 2.1.4 PB实验27
• 2.1.5 PC实验27
• 2.2 GFDL CM2.1模式简介27-28
• 2.2.1 模式介绍27-28
• 2.2.2 POGA实验28
• 2.3 IPCC模式简介28-29
• 2.4 观测和再分析数据29
• 2.5 统计方法简介29-32
• 2.5.1 经验正交函数分解法(EOF)29-30
• 2.5.2 季节经验正交函数分解法(SEOF)30
• 2.5.3 最大协方差方法(MCA)30-31
• 2.5.4 回归分析法31-32
• 第三章 全球变暖对北大西洋三极子年代际变率的影响32-67
• 3.1 FOAM模式评估33-35
• 3.1.1 气候态的模拟33-34
• 3.1.2 NAT的模拟34-35
• 3.2 全球变暖的影响35-37
• 3.2.1 气候态的改变35-36
• 3.2.2 NAT的改变36-37
• 3.3 NAT形成机制37-42
• 3.3.1 热收支分析37-39
• 3.3.2 海洋动力过程39-41
• 3.3.3 海气耦合过程41-42
• 3.4 全球变暖对ROSSBY波和海气耦合的影响42-44
• 3.4.1 Rossby波的改变42-43
• 3.4.2 海气耦合的改变43-44
• 3.5 小结与讨论44-46
• 本章附图46-67
• 第四章 二十世纪北大西洋海气耦合的变化67-89
• 4.1 北大西洋海气耦合68-70
• 4.2 20世纪海气耦合的变化70-71
• 4.3 可能的机制71-73
• 4.3.1 风暴轴的加强71-72
• 4.3.2 NAH的加强72-73
• 4.4 小结与讨论73-76
• 本章附图76-89
• 第五章 热带北大西洋的ENSO强迫与内部变率89-128
• 5.1 POGA气候态的模拟90-93
• 5.1.1 POGA实验补充说明90-91
• 5.1.2 气候态的模拟91-93
• 5.2 NTAM93-99
• 5.2.1 研究方法93
• 5.2.2 NTAM的ENSO强迫与内部变率93-97
• 5.2.3 NTAM与Atlantic Nino97-99
• 5.3 异常区域的研究99-104
• 5.3.1 热带大西洋西部海域的异常99-100
• 5.3.2 赤道以北海域的异常100-104
• 5.4 小结与讨论104-107
• 本章附图107-128
• 第六章 全文总结与讨论128-132
• 6.1 文章主要结论128-130
• 6.2 论文的不足以及下一步工作130-132
• 参考文献132-151
• 致谢151-152
• 个人简历152
• 发表的学术论文152
• 其他完成的学术论文152

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