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全球海平面长期趋势变化及气候情景预测研究

作　者: 陈长霖
导　师: 左军成
学　校: 中国海洋大学
专　业: 物理海洋学
关键词: 海平面趋势变化比容西太平洋暖池东中国海预测 SERE A2情景
分类号: P731.23
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文利用验潮站资料、卫星高度计资料、GRACE重力卫星资料、温盐资料和CCSM3气候系统模式分析全球和赤道西太平洋暖池区海平面长期趋势变化及机制。利用CCSM3和POP模式在IPCC SERE A2’情景假设下预测21世纪全球和东中国海海平面变化。验潮站和卫星高度计的重构数据显示,20世纪全球平均海平面上升率为1.80mm/yr,且存在为0.0092mm/yr2的加速度,如果整个21世纪海平面继续加速上升,2100年海平面将比2000年高279mm。CCSM3气候系统模式模拟显示20世纪海平面上升了约4.0cm,加速度项为0.0048mm/yr2,这个结果不包含陆地冰的贡献,仅为热盐比容的贡献。利用验潮站资料分析得到1948-2008全球海平面上升率为1.5mm/yr,卫星高度计观测显示1993-2008年上升趋势达3.0mm/yr。20世纪后50年比容因素对海平面上升率的贡献约为25%,而1993年卫星高度计观测以来,比容的贡献则上升为33%-50%。比容海平面也可以通过卫星高度计观测的海平面减去GRACE观测的海平面得到。2003-2008年间,卫星高度计观测的海平面上升率为2.9mm/yr, GRACE卫星观测的海水质量变化导致的海平面上升率为1.2mm/yr,二者之差得到比容海平面上升率为1.7mm/yr。更准确的趋势计算需要更长时间的观测。西太平洋暖池区海平面存在很强的年际和年代际变化,严重地影响海平面长期趋势的分析。观测和气候模式结果都说明了长期平均来看,西太平洋暖池区海平面的上升趋势与同时段全球平均值相当。赤道西太平洋海区海平面随ENSO指数反向变化,海平面趋势变化也显著地受ENSO的影响。1993-2008年西太平洋海平面存在很强的上升趋势(达7.8mm/yr),远大于同期全球平均值(3.0 mm/yr);1970-1992年海平面呈下降趋势；1950-2008年上升速率约为2.05mm/yr,与该时段全球平均海平面上升趋势相当。CCSM3模式显示,赤道西太平洋暖池区比容海平面的年际变化较强,振幅可达20cm。1900-1999年,赤道西太平洋总比容、热比容和盐比容海平面上升速率分别为0.32mm/yr,0.26mm/yr,0.06mm/yr,热比容占主导,盐比容的贡献很小；热比容海平面上升趋势跟全球平均值相当。在A2情景假设下,CCSM3全球气候系统模式模拟显示到21世纪末动力海平面变化有很强的区域特征：北冰洋大部分海区动力海平面上升的很快,与该海区气温上升幅度大及淡水输入有关；而南大洋高纬度海区则下降的很大；大西洋动力海平面的升高量值比太平洋的大。CCSM3模拟也显示,21世纪海平面变化呈加速上升的趋势。整个21世纪海平面将上升30cm,这只包括比容因素的贡献,而没有考虑水体输入(陆地冰融化等)。北大西洋的大部分海区热比容海平面上升较大,达0.4m以上,北太平洋热比容海平面上升量值要小得多。全球平均盐比容SSH变化几乎为O。不同海区海水热量变化和盐度变化对海平面变化的贡献是不同的。北冰洋盐度变化对海平面变化贡献显著,大于热量变化对海平面变化的贡献,而且两者同向,都造成海平面上升。北大西洋的增暖可达2500m,而盐度变大抵消了部分因增暖造成的海平面上升。北太平洋增暖主要集中在上层500m。南大洋南极绕极流海区热盐变化则是发生在整个深度。POP模拟显示,到21世纪末东中国海海平面将上升约12-20cm。渤海海平面升高比较大,达17cm；黄东海东岸比西岸上升剧烈,朝鲜半岛沿岸上升16cm以上,黄东海中国沿岸上升约13cm,硫球群岛附近海区的上升值达20cm。整体上来看,到21世纪末东中国海海平面上升主要来自海洋动力因素变化导致的海水质量输入,占总海平面升高的65%,剩下的为海水密度变化导致的比容海平面变化占35%。如果加上陆地冰川融化影响(Mitrovica et al.,2001;IPCC,2007),到21世纪末东中国海海平面将上升22-40cm。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 前言  12-29
  1.1 海平面变化的研究意义  12-15
  1.2 海平面变化研究进展  15-23
    1.2.1 20世纪海平面长期趋势变化特征  17-19
    1.2.2 20世纪海平面长期趋势变化机制  19-22
    1.2.3 21世纪海平面趋势变化预测  22-23
  1.3 赤道西太平洋海平面趋势变化  23-25
  1.4 东中国海海平面趋势变化及预测  25-27
  1.5 本文研究内容及结构  27-29
2 数据、方法和模式介绍  29-50
  2.1 数据介绍  29-31
    2.1.1 卫星高度计资料  29
    2.1.2 验潮站资料  29-30
    2.1.3 温盐场资料  30
    2.1.4 GRACE数据  30-31
  2.2 方法介绍  31-32
    2.2.1 随机动态分析预测方法  31
    2.2.2 比容高度计算方法  31-32
  2.3 共同气候模式CCSM介绍  32-36
    2.3.1 CCSM耦合器介绍  33-35
    2.3.2 CAM介绍  35-36
  2.4 并行海洋模式POP介绍  36-50
    2.4.1 控制方程及边界条件  37-39
      2.4.1.1 球坐标系下的控制方程  37-39
      2.4.1.2 边界条件  39
    2.4.2 差分方法  39-46
      2.4.2.1 空间离散  39-45
      2.4.2.2 时间离散  45-46
    2.4.3 次网格参数化  46-48
      2.4.3.1 水平扩散系数  46-47
      2.4.3.2 水平粘性系数  47
      2.4.3.3 湍扩散系数  47-48
    2.4.3 海平面高度的计算  48-50
3 20世纪海平面长期趋势变化及比容贡献  50-71
  3.1 20世纪海平面上升速度和加速度  50-59
    3.1.1 验潮站资料分析结果  50-53
    3.1.2 CCSM模式模拟20世纪海平面变化  53-59
      3.1.2.1 模式设置  53-55
      3.1.2.2 模式结果  55-59
  3.2 比容对全球平均海平面长期趋势变化的贡献  59-68
    3.2.1 1955-2008年比容海平面变化趋势  59-63
    3.2.2 2003-2008年比容海平面变化趋势  63-68
  3.3 小结  68-71
4 赤道西太平洋海平面长期趋势变化及机制  71-86
  4.1 赤道西太平洋海平面趋势变化  71-76
    4.1.1 1993-2008年赤道太平洋海平面趋势变化  71-73
    4.1.2 1950-2008年赤道太平洋海平面趋势变化  73-76
  4.2 ENSO对赤道西太平洋海平面长期趋势变化的影响  76-79
  4.3 气候系统模式的模拟结果  79-84
  4.4 小结  84-86
5 21世纪全球海平面趋势变化气候情景预测  86-109
  5.1 大洋环流模式中的Boussinesq近似与海平面变化  86-89
    5.1.1 静压假定  86-87
    5.1.2 湍流闭合的封闭性假定  87
    5.1.3 Boussinesq近似与海平面变化模拟  87-89
  5.2 模式设置  89-91
  5.3 模式验证  91-97
    5.3.1 平均海面高度  91-92
    5.3.2 表层流场  92-93
    5.3.3 表层温盐场  93-96
    5.3.4 陆表气温变化  96-97
  5.4 动力SSH变化  97-101
  5.5 比容SSH变化  101-107
  5.6 小结  107-109
6 21世纪东中国海海平面长期变化气候情景预测  109-120
  6.1 模式设置  109-111
    6.1.1 空间网格和地形  109-110
    6.1.2 参数化设置  110-111
    6.1.3 上表面和侧边界强迫  111
    6.1.4 初始场及模式积分  111
  6.2 模式验证  111-113
    6.2.1 平均海平面高度  112
    6.2.2 表层流场  112-113
  6.3 21世纪东中国海海平面变化  113-118
  6.4 小结  118-120
7 结论  120-124
8 创新点及工作展望  124-125
参考文献  125-133
致谢  133-134
个人简历  134
研究生期间发表的学术论文  134

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