全球变暖背景下水循环变化对海洋环流及气候的影响

【摘要】：观测和模式都表明全球变暖背景下水循环在加强。水循环的改变一方面能够影响海洋的淡水通量，诱导出海洋盐度，流场，以及温度场的异常。海洋的异常能够进一步反馈给大气，从而激发全球气候的调整。另一方面，水循环的改变还能够影响大气中的水汽含量和非绝热加热率。大气中的水汽是最主要的温室气体之一，水汽反馈是全球变暖过程中最显著的正反馈过程。水汽的相变过程导致潜热通量发生异常，最终能够影响气候系统中的极向热输送。 本文围绕着水循环变化对海洋环流及气候的影响这一关键科学问题，利用海气完全耦合模式FOAM1.5（Fast Ocean-Atmosphere Model, version1.5）、观测、再分析资料以及政府间气候变化工作报告（IPCC）中的模式结果，系统研究了水循环变化诱导的海洋淡水通量和水汽在气候系统中的重要作用。 最近30年的观测分析进一步指出水循环的改变具有显著的区域依赖性。一个典型的特征是全球西边界流及其延伸体区EmP都是大于零的，特别是在黑潮、湾流及其延伸体区。这意味着西边界流及其延伸体区有净的淡水损失。本文采用以小见大的手法，首先将重点放在淡水通量异常最大的海区，即黑潮亲潮、湾流及其延伸体区。本文基于一个海洋大气耦合的模式FOAM来分别探讨黑潮亲潮、湾流及其延伸体区淡水损失带来的气候效应。模式结果表明黑潮亲潮延伸体（KOE）地区淡水的损失产生了一个同时跨越副热带和副极地的气旋式环流异常，从而在北太平洋西侧诱导出了异常的南向冷平流，在北太平洋东侧诱导出了异常的北向暖平流。异常的温度平流最终导致了中纬度SST偶极子（西冷冬暖）的产生。北太平洋大气环流对KOE地区淡水通量的响应以准正压低压异常为特征，这主要与赤道西太平洋SST的暖异常有关，北太平洋局地的SST改变则起着抑制的作用。 KOE地区的淡水损失同时加强了赤道上的纬向SST梯度和厄尔尼诺南方涛动（ENSO）。这是多种机制共同作用的结果，包括表层耦合的风-蒸发-SST（WES）机制，赤道外暖异常的潜沉过程以及密度驱动的深层径向翻转流的加速。湾流及其延伸体区的淡水损失同样强迫出了异常的气旋环流以及SST的偶极子结构，只是SST的偶极子不再呈现出东西方向的分布而是呈现东北-西南向的倾斜，这与大西洋的海陆分布有关。北大西洋大气环流的响应具有显著的季节性，在早冬表现为低压异常，类似负位相的北大西洋涛动（NAO），而在晚冬则表现为高压异常，与东大西洋模态（EAM）非常相似。湾流及其延伸体区淡水的损失同时加强了大西洋径向翻转流（AMOC）以及向北的极向热输送，最终导致赤道出现温度冷异常。湾流及其延伸体区淡水的损失还引起了赤道太平洋厄尔尼诺似的增暖响应，以及北太平洋的变冷响应。赤道太平洋的变暖通过激发罗斯贝（Rossby）波加强了早冬北大西洋的大气响应，但是在晚冬则起着抑制的作用。总得来说，赤道太平洋的海气耦合过程抑制了北大西洋海洋和大气的响应，而北大西洋局地的海气耦合过程则起着促进的作用。 在探讨了水循环诱导的海洋区域淡水通量异常（KOE、湾流及其延伸体区）产生的气候效应之后，我们将眼光放到了全球。我们利用FOAM模式进行了全球变暖的模拟（CO2加倍），在此基础之上评估了水循环诱导的海洋淡水通量改变在全球变暖中的作用。模拟结果表明全球变暖导致了循环的加强，造成低纬度和高纬度海水的变淡，中纬度和副热带海水的变咸。我们发现水循环的加强能够放大全球变暖。在全球尺度上，这种放大效应主要与高纬度海水的变淡有关。高纬度海水的变淡能够导致全球平均的混合层深度变浅，垂向混合减弱，最终将更多CO2诱导的增温聚集在海洋表层。淡水通量改变对SST纬向分布的调制作用非常复杂。在北半球，高纬度海水的变淡除了将更多CO2诱导的变暖聚集在海洋表层，还减弱了径向翻转流的强度，使得更多的暖水堆积在海洋次表层。表层盐度的纬向差异导致了中纬度流场的辐合，从而放大了中纬度的增暖，减弱了副极地海区的增温。在南半球，高纬度变淡引起的SST增暖通过局地海气耦合过程激发出异常的东风，从而在中纬度诱导出极向的Ekman暖平流。异常的Ekman暖平流大大抵消了盐度诱导的向北的冷平流（同北半球高纬度的冷异常），从而维持了南半球中高纬度的暖异常。此外，与全球变暖有关的大气反馈过程也促进了SST的增温。 在做了海洋淡水通量的一些研究后，我们将眼光转到了大气水汽变化上。基于长时间的再分析资料20CRv2，我们发现年平均的水汽时间序列主要有三个时间尺度上的变化特征：长期趋势，年际变化和年代际变化。水汽的长期趋势与全球变暖密不可分。水汽的年际和年代际变化分别与自然变率ENSO和AMO的起伏联系在一起。在全球尺度上水汽和SST的同步变化能够用定常相对湿度条件下简单的热力学克劳修斯-克拉珀龙（C-C）理论来解释。在区域尺度上，大气整层积分的水汽收支指出与全球变暖，AMO和ENSO有关的水汽空间结构在很大程度上应该归因于平均环流动力学，尤其是SST诱导的大尺度的辐合辐散环流。在中高纬度，瞬变涡通量和热力学也起着非常重要的作用。 【关键词】：水循环 淡水通量 水汽 全球变暖 自然变率
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P732
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-16
• 第一章 引言16-34
• 1.1 水循环概述16-18
• 1.2 全球变暖背景下水循环的变异18-21
• 1.2.1 理论及模式结果：水循环加强18-19
• 1.2.2 观测中水循环的变化：水循环加强19-21
• 1.3 水循环引起的海洋淡水通量变化及其可能的气候效应21-23
• 1.4 水循环引起的非绝热加热率、水汽变化及其可能的气候效应23-25
• 1.5 关键科学问题及研究内容25-29
• 本章附图29-34
• 第二章 数值模式和分析方法34-42
• 2.1 FOAM 模式简介34-37
• 2.1.1 模式基本介绍34-35
• 2.1.2 模式实验类型35-37
• 2.1.2.1 完全耦合控制实验36
• 2.1.2.2 样本实验36
• 2.1.2.3 海洋淡水通量异常实验36
• 2.1.2.4 固定气候态海洋淡水通量实验36-37
• 2.1.2.5 部分耦合（Partical-Coupling, PC）实验37
• 2.1.2.6 CO_2浓度加倍实验37
• 2.2 IPCC 模式简介37-38
• 2.3 观测和再分析数据简介38-39
• 2.4 统计方法简介39-42
• 2.4.1 经验正交函数分解（EOF）方法39-40
• 2.4.2 滤波方法40
• 2.4.3 一元回归分析方法40
• 2.4.4 奇异谱分析（SSA）方法40-42
• 第三章 耦合的海洋大气对黑潮亲潮延伸体区近 30 年淡水通量变化的响应42-74
• 3.1 北太平洋耦合的海洋大气响应43-48
• 3.1.1 海洋响应43-45
• 3.1.1.1 海洋平衡态的响应43-45
• 3.1.1.2 海洋调整过程的响应45
• 3.1.2 大气响应45-46
• 3.1.3 耦合的作用46-48
• 3.2 赤道太平洋的响应48-51
• 3.3 耦合的海洋大气对 EMP 强迫振幅的敏感性51
• 3.4 总结与讨论51-54
• 本章附图54-74
• 第四章 湾流延伸体区近 30 年来淡水通量的变化对气候的影响：耦合的海洋大气调整以及大西洋-太平洋遥相关74-103
• 4.1 大西洋耦合的海洋大气响应75-80
• 4.1.1 海洋响应75-77
• 4.1.2 大气响应77
• 4.1.3 赤道大西洋响应77-79
• 4.1.4 局地海气耦合的作用79-80
• 4.2 大西洋-太平洋遥相关80-82
• 4.3 海洋大气对湾流及其延伸体区 EMP 强迫振幅的敏感性82-83
• 4.4 总结与讨论83-86
• 本章附图86-103
• 第五章 海洋淡水通量在全球变暖中的作用103-131
• 5.1 模式对淡水通量响应的模拟能力以及实验设计方案103-104
• 5.2 结果104-110
• 5.2.1 全球平均响应104-105
• 5.2.2 纬向平均响应105-107
• 5.2.3 空间分布107-110
• 5.2.3.1 太平洋响应107-109
• 5.2.3.2 大西洋响应109-110
• 5.3 大气反馈110-111
• 5.4 总结与讨论111-114
• 本章附图114-131
• 第六章 水汽多时间尺度特征131-162
• 6.1 全球海洋的水汽变化131-135
• 6.1.1 全球海洋平均水汽的多时间尺度特征131-133
• 6.1.2 SST 变化对大气水汽的反馈133-134
• 6.1.3 长期趋势，年代际，年际时间尺度上水汽的空间结构134-135
• 6.2 水汽长期趋势，年代际，年际不同时间尺度上空间分布的可能机制135-145
• 6.2.1 水汽收支的基本原理135-137
• 6.2.2 水汽长期趋势的贡献因子137-140
• 6.2.3 水汽多年代际变化的贡献因子140-142
• 6.2.4 水汽年际变化的贡献因子142-143
• 6.2.5 水汽通量势函数143-145
• 6.3 大气中水汽的逗留时间145-146
• 6.4 讨论和总结146-148
• 本章附图148-162
• 第七章 全文总结和讨论162-167
• 7.1 本文的主要结论162-165
• 7.2 论文的不足和下一步的工作165-167
• 参考文献167-180
• 致谢180-181
• 个人简历181
• 发表的学术论文181-182
• 其它完成的学术论文182

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