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南大洋风应力和淡水通量在全球海—气耦合系统中的作用

作　者: 马浩
导　师: 吴立新
学　校: 中国海洋大学
专　业: 气象学
关键词: 南大洋风应力淡水通量气候效应遥相关气候变率
分类号: P731
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

风应力和淡水通量是南大洋的两种重要外强迫。风应力直接驱动了全球最强的一支海洋环流——南极绕极流,淡水通量是末次冰消期冰融水事件的重要成因之一,同时也是全球变暖情景下南极融冰的重要产物。然而长期以来,对南大洋风应力和淡水通量的气候效应缺乏深入系统的研究。本文围绕南大洋风应力和淡水通量在全球气候系统中的作用这一关键科学问题,利用海-气完全耦合模式FOAM1.5 (Fast Ocean-Atmosphere Model, version1.5),借助以“部分耦合”和“部分阻挡”为核心的模式手术方案,通过一系列敏感性实验揭示南大洋风应力和淡水强迫对全球海-气耦合系统的影响。为了探讨南大洋风应力的气候效应,我们在耦合模式中去除40°S以南海-气界面的风应力,发现风应力的消失将引起局地垂向对流混合和南极绕极流以南上升流的减弱,导致南大洋出现大范围海温冷异常、海冰覆盖面积向低纬扩展。由于海洋层结加强,在上层海洋变冷的同时,次表层海洋发生了显著的增暖。南大洋的海温冷异常激发了对流层大气的相当正压槽响应,伴随着南半球西风的显著增强。西风加强又进一步加剧了SST冷异常,从而构建了局地的正反馈过程。我们的研究同时发现：南半球中高纬度风应力对北大西洋经向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC)有着极强的调控作用。去除海-气界面风应力之后,风应力对深层海水的抽吸作用也随之消失,导致南极经向翻转环流(Antarctic Meridional Overturning Circulation, AnMOC)几乎完全消失,AMOC流量也减小了约50%。AMOC的减弱使跨赤道热量输送减弱,有利于南大西洋增暖,然而由于在南大西洋的副热带地区存在风-蒸发-SST(Wind-Evaporation-SST, WES)反馈过程,将南半球中纬度地区的冷异常传递到热带地区,从而抑制了南大西洋暖异常的产生,因此AMOC减弱导致的南北半球海温跷跷板并未出现。为了研究南大洋淡水强迫对局地和远程气候系统的影响,我们利用耦合模式,在60°S以南的海洋中均匀施加1.0Sv淡水通量异常。模式结果表明：南大洋表层淡水通量强迫使局地海洋层结加强,抑制了南极附近的深对流过程、南大洋的垂向对流混合过程和南极绕极流以南的上升流,从而在局地海洋中出现了表层变冷、次表层增暖的斜压响应,与此同时,大气中的西风得到加强。在上层海洋平流过程和大气过程的共同作用下,南大洋高纬地区的冷异常被输送到ACC区域。之后,南半球中纬度的海温冷异常能够通过上层海洋与低层大气之间的接力遥相关机制传递到热带地区。WES反馈激发了副热带地区的冷异常,同时使南半球副热带-热带流环(Subtropical-Tropical Cell, STC)加强,STC的加速与平均潜沉过程共同导致了热带海洋海温冷异常的出现。南大洋淡水强迫也引起了北半球气候的变化。大气遥相关过程使北半球的热带外海区在最初几十年中表现为冷异常,随着南大洋次表层暖水向北半球输运并通过垂向对流混合过程上升到表层,北半球的初始冷异常逐渐转为暖异常。南半球和北半球分别出现了海温冷异常和暖异常,从而构建了显著的南北半球海温跷跷板。南大洋表层淡水扰动使海洋层结加强,从而南极底层水减弱,南极底层水与北大西洋深层水之间的相互调制使AMOC在最初几十年中得到加强,随着淡水通量在上层海洋平流的作用下不断流入北大西洋,AMOC的流量逐渐减小。气候平均态的改变也使气候变率发生了变化。在南大洋淡水强迫情景下,ENSO的振幅加强,同时频率向低频方向移动。振幅加强的原因是温跃层的纬向倾斜加强、同时整个热带温跃层整体抬升,从而增强ENSO变率；频率减慢的原因是赤道与赤道外之间的经向热力梯度减小,降低了充放电的效率,使ENSO的频率减慢。此外,两种类型的厄尔尼诺——东太平洋厄尔尼诺和中太平洋厄尔尼诺对南大洋淡水强迫表现出不同的响应。整体上来说,淡水强迫对前者影响较大,而对后者影响较小。不仅如此,局地淡水强迫也使南半球环状模发生了显著的变化。环状模年际变率的振幅显著减弱,同时年代际变率开始增强。环状模的变化具有垂向一致性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章引言  12-30
  1.1 南大洋概述  12-14
  1.2 南大洋风应力的重要性和研究意义  14-16
    1.2.1 南大洋风应力在局地气候系统中的作用  14-15
    1.2.2 南大洋风应力对北大西洋经向翻转环流的影响  15-16
  1.3 南大洋淡水通量的重要性和研究意义  16-22
    1.3.1 问题的由来——观测和历史依据  16-18
    1.3.2 南大洋淡水通量对北大西洋经向翻转环流的影响  18-20
    1.3.3 南大洋淡水通量信号的传播路径  20-21
    1.3.4 南大洋淡水通量对海平面上升的影响  21-22
  1.4 关键科学问题及研究内容  22-26
  本章附图  26-30
第二章数值模式和分析方法  30-44
  2.1 FOAM模式简介  30-31
  2.2 主要分析方法简介  31-41
    2.2.1 一般性分析方法  31-32
    2.2.2 统计显著性检验  32
    2.2.3 热收支分析  32-35
    2.2.4 经验正交函数分解  35-37
    2.2.5 连续功率谱分析  37-40
    2.2.6 滤波  40-41
  2.3 本章小结  41-43
  本章附图  43-44
第三章南大洋风应力对局地和远程气候的影响  44-66
  3.1 对局地气候的影响  44-49
    3.1.1 海洋调整过程  44-47
    3.1.2 大气环流响应  47-49
  3.2 对AMOC的影响  49-52
    3.2.1 AMOC的调整过程  49-50
    3.2.2 南北半球海温跷跷板  50-52
  3.3 本章小结和相关讨论  52-54
    3.3.1 本章小结  52
    3.3.2 相关讨论  52-54
  本章附图  54-66
第四章南大洋淡水通量在全球海洋-大气耦合系统中的作用  66-99
  4.1 局地海-冰-气耦合响应  66-68
  4.2 对南半球副热带和热带地区的影响  68-75
    4.2.1 副热带海区冷异常的形成  68-69
    4.2.2 热带海区冷异常的形成  69-70
    4.2.3 季节演变  70-71
    4.2.4 海-气耦合调整过程  71-72
    4.2.5 "部分阻挡"实验验证  72-75
  4.3 对北半球气候的影响  75-77
    4.3.1 初始冷异常的形成  75-76
    4.3.2 长期暖异常的维持  76-77
  4.4 对AMOC的影响  77-79
  4.5 本章小结和相关讨论  79-83
    4.5.1 本章小结  79-80
    4.5.2 相关讨论  80-83
  本章附图  83-99
第五章 ENSO对南大洋淡水强迫的响应  99-121
  5.1 研究背景  99-100
  5.2 南大洋淡水强迫对ENSO变率的影响  100-103
    5.2.1 气候平均态的变化  100
    5.2.2 ENSO变率的响应  100-103
  5.3 两种不同类型的厄尔尼诺对南大洋淡水强迫的响应  103-107
    5.3.1 两种不同类型的厄尔尼诺简介  103-104
    5.3.2 合成分析  104-105
    5.3.3 局地气候效应  105-106
    5.3.4 遥相关效应  106-107
  5.4 本章小结和相关讨论  107-111
    5.4.1 本章小结  107-108
    5.4.2 相关讨论  108-111
  本章附图  111-121
第六章南半球环状模对南大洋淡水强迫的响应  121-132
  6.1 研究背景  121-122
  6.2 南大洋淡水强迫对SAM变率的影响  122-123
    6.2.1 气候平均态的变化  122
    6.2.2 SAM变率的响应  122-123
  6.3 本章小结和相关讨论  123-125
    6.3.1 本章小结  123-124
    6.3.2 相关讨论  124-125
  本章附图  125-132
第七章全文总结与讨论  132-144
  7.1 本文主要结论  132-134
  7.2 几个重要问题的讨论  134-139
    7.2.1 理想化南极融冰方案的合理海洋边界条件  134-136
    7.2.2 中尺度涡旋在南大洋气候变化中的作用  136-137
    7.2.3 南大洋的生物地球化学循环  137-139
  7.3 下一步工作展望  139-142
  本章附图  142-144
参考文献  144-164
致谢  164-167
个人简历  167
发表的学术论文  167

南大洋风应力和淡水通量在全球海—气耦合系统中的作用

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