北冰洋次表层暖水结构和北极涛动空间变化的研究

【摘要】：北极海冰快速变化深刻影响了北冰洋上层水体和气候系统。本文用1993-2008年间北冰洋加拿大海盆的温盐数据研究了夏季出现在40m以浅的次表层暖水现象。次表层暖水发生在冬季形成的对流混合层之内,不论混合层之下是否存在来自太平洋的STM水体,都可能发生次表层暖水。文章从次表层暖水的垂直结构,形成机制,时间变化,峰值变化等几方面对发生在加拿大海盆的次表层暖水进行深入详尽的研究。太阳辐射加热和表面冷却是形成次表层暖水结构根本原因。NSTM的温度垂直结构与海冰关系密切,在海冰覆盖且海冰密集度较大的区域,发展成熟的NSTM的盐跃层稳定,温度极大值均小于-1.0oC,且垂向温度结构差距不大,多为典型的单峰结构;而在海冰边缘区和开阔水域,由于受气象条件的影响较大,盐跃层不十分稳定,其温度极大值的大小和温度的垂向结构差异较大,常出现双峰甚至多峰结构。从较长时间的数据可以看到NSTM的时间变化,其发生、发展和消衰的时间尺度为1年:夏季发生,秋季和冬季不断向表层和下层传递热量,温度峰值变小,直至第二年的春季消失。在2003年以前,观测到的次表层暖水主要发生在海冰边缘区和无冰水域,次表层暖水的温度峰值比较高。2004年以来,北极海冰发生很大的变化,导致加拿大海盆发生大范围的次表层暖水,温度峰值较低。次表层暖水主要发生在10-30m范围内,发生频率最高的深度为20m。次表层暖水存在峰值温度升高、峰值深度降低的变化过程。本文用简单的解析解表明,仅仅考虑太阳辐射加热和表层冷却,次表层暖水就会越来越暖,极值深度就会越来越深,其加深的速率与观测结果很接近。解析解还表明,湍流扩散系数是非常关键的参数,决定了温度峰值、峰值所在深度和随时间的变化过程。次表层暖水温度极大值对应的深度不仅与其发生发展的时间有关,而且与所在纬度有关,纬度越高,深度越大。文章的分析认为,次表层暖水的形成与密度跃层有密切关系,跃层阻挡了跃层以下水体的向上热传输。跃层以下海水吸收的热量主要用来升高海水的温度,产生次表层暖水;而跃层之上的海水吸收的热量主要用来加热海冰,或者反馈给大气。文章指出,夏季上层海洋有风生混合层与次表层暖水两种基本结构,二者相互影响,导致了形形色色的上层海水结构。 对北半球SLP与AO指数的相关性进行分析,研究了AO指数所代表的主要区域,分析了影响北冰洋的其他过程。结果表明,AO指数虽然是对整个20oN以北气压场分析的结果,但是与之密切相关的区域(相关系数0.5的区域,简称“AO相关区”)并不大,仅包括北冰洋和中纬度大西洋。GIN海气压变化曲线与AO指数的一致程度很高几乎可以相互替代,表明GIN海对北冰洋气候变化起着关键的作用,我们将之称为“AO核心区”。在AO核心区之外的AO相关区,SLP与AO的相关性有所下降,本文中通过计算滑动相关系数,表明这些区域发生了与AO不一致的事件或过程。在AO相关区,气压变化主要由AO过程支配,只有发生与AO不一致的事件或过程时,气压的变化才暂时偏离了AO过程。滑动相关分析方法给出了不一致事件发生年份的信息,在1955、1963、1971、1982/83、1995、1996/97、1998、1999等年份有较强的事件影响北冰洋,形成与AO不一致的运动。根据滑动相关分析的结果,文中给出了这些事件影响的范围。我们将这些事件与地球上发生的已知事件进行了对比,表明这些事件与发生在太平洋的ENSO和PDO过程在时间上有一致之处。本文的结果建议,在AO相关区内发生的现象可能与AO有密切联系,但必须同时考虑其他过程的影响。对于北半球的其他地区,AO指数与局地的现象之间很难有密切的关系。 由于AO的定义体现为空间不变、时间变化的结果,在很多时候其空间特征与实际情况不符。本文通过计算各点SLP与AO指数(AOI)的滑动相关系数,确立了随时间变化的AO控制区。结果表明,各年份AO控制区存在显著的空间变化,体现了北半球各点SLP变化的差异。在过去54年,AO不仅有极地和中纬度之间的反向变化,有时还存在海洋和陆地之间的反向变化,更多的时候体现为复杂的空间分布。RCC的空间分布的特征表明,AO是确切存在的涛动现象,但是是一种空间变化的、非跷跷板式的涛动。近年来,不仅AOI表达的AO极性变得含混不清,本文的结果表明,AO的空间结构也变得含混不清。文中的分析表明,EOF方法实际上确立了固定的空间结构和变化的时间系数;而RCC方法实际上是固定了参考的时间变化过程,而去寻找空间的差异。结果表明,RCC和EOF是两种有很好互补性的方法,可以分别体现AO的不同侧面。 【关键词】：北冰洋 快速变化 次表层暖水 北极涛动
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P731
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1. 前言11-22
• 2. 次表层暖水现象的现场观测22-31
• 2.1 次表层暖水观测的方案设计22-23
• 2.2 开展次表层暖水观测的考察航次23-28
• 2.3 通过国际合作获取的次表层暖水数据28
• 2.4 研究采用的其他数据28-31
• 3. 北冰洋上层海洋次表层暖水结构的研究31-81
• 3.1 次表层暖水的垂直结构32-38
• 3.2 次表层暖水形成机制的概述38-40
• 3.3 次表层暖水的时间变化40-47
• 3.3.1 次表层暖水的季节变化40-45
• 3.3.2 次表层暖水的年际变化45-47
• 3.4 次表层暖水温度峰值的研究47-57
• 3.4.1 次表层暖水温度峰的年际变化48-50
• 3.4.2. 次表层暖水温度峰加深的解析解50-54
• 3.4.3 次表层暖水温度峰深度的空间差异54-55
• 3.4.4 次表层暖水的温度尖峰形成机制：盐度跃层与向上传热55-57
• 3.5 次表层暖水及相关热通量的研究57-67
• 3.5.1 冰海耦合柱模式57-63
• 3.5.2 模式设置63-64
• 3.5.3 次表层暖水与太阳辐射通量及冰底热通量的关系64-67
• 3.6 海冰对次表层暖水的影响67-77
• 3.7 小结77-81
• 4. 北极涛动的研究81-115
• 4.1 影响北极涛动指数的核心区域82-92
• 4.1.1 各区域与北极涛动相关特性的分析85-90
• 4.1.2 重要大气过程对北冰洋的影响研究90-91
• 4.1.3 北极涛动过程的影响范围91-92
• 4.2 北极涛动的空间变化92-106
• 4.2.1 北极涛动的空间分布93-97
• 4.2.2 AO 与NAO 空间变化特征的差别97-98
• 4.2.3 北极涛动的空间变化与滑动相关系数的联系98-101
• 4.2.4 北极涛动的长期空间变化指数101-105
• 4.2.5 RCC 方法与EOF 方法的差异105-106
• 4.3 非AO 事件对北极区域的影响过程剖析106-110
• 4.3.1 非AO 事件的信息提取106-107
• 4.3.2 非AO 事件的发展全过程107-109
• 4.3.3 非AO 事件的半球尺度特征109-110
• 4.4 小结110-115
• 5. 研究工作总结与展望115-119
• 5.1 主要结论115-117
• 5.2 工作不足之处及展望117-119
• 参考文献119-128
• 致谢128

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