西太平洋暖池热盐结构的变化特征与机理研究

【摘要】：西太平洋暖池(简称暖池)既是全球大洋中最大的暖水团(SST≥28?C),又是全球大洋中最大的淡水池(SSS?35),暖池区的降水非常丰富,年降水量高达2m。丰富的降水使得暖池海域的盐跃层浅于温跃层,从而形成了障碍层,而障碍层的存在使得暖池具有独特的热盐结构。就其温、盐度的垂向分布而言,如果以28?C等温线作为暖池的定义标准,那么暖池大致为三层结构,即由混合层、障碍层和深层构成。暖池热盐结构的变化对海-气间的动量、能量和物质交换、海面净热通量的分布、表层暖水的纬向运动以及ENSO的形成与发展都有直接的重要影响。因此,开展暖池热盐结构的变化特征与机理研究,无论对加深了解暖池的变异机制,验证和改进大洋环流模式中的混合参数化方案,提高暖池的模拟水平,还是对促进ENSO预报研究都具有重要的科学意义和实践意义。本文基于日本气象厅提供的1950-2011年间的月平均温盐数据、美国马里兰大学提供的2.1.6版本的SODA数据、伍兹霍尔海洋研究所整理的月平均净热通量资料、美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析降水资料,分析了暖池三维结构的季节变化特征和机理,研究了暖池热盐结构的基本特征、季节和年际变化,并探讨了暖池热盐结构的季节和年际变化机理。得到的主要结论如下。1.暖池三维结构存在着很强但并不一致的季节变化。其中,在纬向上,暖池冬季西缩、春季东扩;在经向上,暖池冬季南移、夏季北扩;在垂向上,暖池春秋季增厚,而冬夏季变薄。暖池的纬向变化主要是由赤道太平洋的纬向风、南赤道流(SEC)和净热通量共同引起,暖池的经向变化分别受暖池南、北界所在海域的纬向风、纬向流和净热通量的共同影响,而暖池的垂向变化则是由纬向风、纬向流、垂向流和净热通量所调制。模式结果表明,暖池的纬向变化主要受纬向风的影响,经向变化主要受净热通量的影响,在垂向变化中,纬向风的作用更大。2.提出了一个适用于基于月平均格点温、盐度资料计算暖池混合层和障碍层厚度的温度阈值(ΔT=-0.4℃)。暖池混合层和障碍层厚度的季节变化比较一致,皆呈现春秋季厚、冬夏季薄的特点,而深层厚度则有春秋季厚、夏季薄的季节变化。暖池混合层与障碍层温度也有春秋季高、冬夏季低的季节特征,而深层温度则有春季高、夏季低的特点。暖池混合层、障碍层和深层盐度都有冬季高、夏季低的季节变化。统计分析表明,海面风、sec和北赤道逆流(necc)都是影响暖池混合层和障碍层厚度季节变化的主要动力因素,而净热通量和降水则是其热力因素;necc、sec和净热通量对混合层和障碍层温度的季节变化都有较重要的影响;深层厚度和温度的季节变化主要受sec的调制;三层盐度的季节变化可能与经向副热带环流(stc)有关。3.暖池热盐结构厚度(即混合层、障碍层和深层厚度)场主要是由变化周期(2?5a)相近、空间结构不同的两个模态构成的。其中,第一模态揭示了各层厚度的同位相年际振荡特征,而第二模态则反映了各层厚度在纬向上的反位相年际振荡。暖池热盐结构温度距平场第一模态揭示了暖池中东部三层温度都有显著的年际变化(2~4a)和长期变化趋势,并在1985年前后经历了一次气候跃变,而第二模态则基本反映了暖池西部三层温度皆存在着明显的年际变化(4~6a)和长期变化趋势,并在1995年前后经历了一次气候跃变。暖池热盐结构盐度距平场第一模态主要反映了暖池中部各层盐度都有2~4a的年际变化和准10a的年代际变化,并在1977年前后经历了一次气候跃变(深层盐度场还在1999年前后经历了一次气候跃变),而第二模态则主要反映了暖池西北部各层盐度都存在着2~5a的年际变化(深层盐度场还存在着12a的年代际变化),并在1985年前后发生了一次气候跃变。4.虽然暖池各层厚度场主要模态的年际变化周期较为一致,但其年际变异机理却有所不同。混合层厚度场第一模态的年际变化主要受纬向风、sec、净热通量和降水的共同影响,而第二模态则主要由暖池西北部的纬向风和sec所调制。障碍层厚度场第一模态的年际变化机制比较复杂,存在着明显的区域性:在赤道以南海域,该模态主要由纬向风、sec和降水所控制,而在赤道以北则主要受sec和necc的共同影响;第二模态的年际变化机制也有明显的区域性差异:在暖池西北部,该模态主要受纬向风的影响,而在东南部则主要与降水有关。深层厚度场第一模态的年际变化主要受sec的影响,而第二模态则主要与euc有关。暖池混合层和障碍层温度场第一模态的年际变化主要是由纬向风、sec和净热通量共同引起的,第二模态则主要受纬向风和sec的影响,而暖池深层温度场第一、二模态的年际变化则是由sec和euc共同导致的,特别在跃变后euc的作用更大。暖池混合层和障碍层盐度场第一模态的年际变化主要是受纬向风、sec和降水的共同影响,特别在跃变后局地降水的作用更大,而其第二模态则主要受纬向风、NECC、SEC和降水所控制。暖池深层盐度场主要模态的年际变化主要受SEC和E UC调制,但在跃变后SEC的作用减弱,而EUC的作用则增强。 【关键词】：西太平洋暖池 三维结构 热盐结构 障碍层
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P731.12
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-9
• Abstract9-16
• 第一章 绪论16-29
• 1.1 研究背景及意义16-19
• 1.2 国内外研究现状及趋势19-27
• 1.2.1 暖池热盐结构的基本特征研究19-24
• 1.2.2 暖池热盐结构的时空变化研究24-25
• 1.2.3 暖池热盐结构的形成机制与变异机理研究25-27
• 1.3 科学问题的提出27
• 1.4 本文的研究内容与安排27-29
• 第二章 资料、分析方法和模式介绍29-46
• 2.1 观测和再分析数据29-31
• 2.1.1 日本气象厅月平均温盐资料29
• 2.1.2 SODA资料29
• 2.1.3 OAflux资料29-30
• 2.1.4 CCMP资料30
• 2.1.5 CMAP资料30
• 2.1.6 NCEP再分析资料30
• 2.1.7 TAO/TRITON资料30-31
• 2.1.8 ENSO指数31
• 2.2 分析方法31-35
• 2.2.1 EOF方法31-32
• 2.2.2 功率谱分析法32-34
• 2.2.3 相关分析法34-35
• 2.3 模式介绍35-46
• 2.3.1 ROMS模式简介35-40
• 2.3.1.1 控制方程36-37
• 2.3.1.2 边界条件37-38
• 2.3.1.3 坐标系统38-40
• 2.3.2 模式配置40-41
• 2.3.3 模式结果验证41-46
• 2.3.3.1 表层水温41-42
• 2.3.3.2 表层盐度42-44
• 2.3.3.3 表层流场44-46
• 第三章 西太平洋暖池三维结构的季节变化46-63
• 3.1 暖池三维结构的季节变化特征46-50
• 3.1.1 暖池的纬向变化46-47
• 3.1.2 暖池的经向变化47-49
• 3.1.3 暖池的垂向变化49-50
• 3.2 暖池三维结构的季节变化机理50-61
• 3.2.1 暖池的纬向变化机理50-55
• 3.2.1.1 资料分析50-51
• 3.2.1.2 模式试验51-55
• 3.2.2 暖池的经向变化机理55-58
• 3.2.2.1 资料分析55-56
• 3.2.2.2 模式试验56-58
• 3.2.3 暖池的垂向变化机理58-61
• 3.2.3.1 资料分析58-60
• 3.2.3.2 模式试验60-61
• 3.3 小结61-63
• 第四章 西太平洋暖池热盐结构的基本特征和季节变化63-85
• 4.1 计算方法63-66
• 4.2 暖池热盐结构的基本特征66-71
• 4.2.1 厚度66-68
• 4.2.2 温度68-70
• 4.2.3 盐度70-71
• 4.3 西太平洋暖池热盐结构的季节变化71-74
• 4.3.1 厚度71-73
• 4.3.2 温度73-74
• 4.3.3 盐度74
• 4.4 暖池热盐结构的季节变异机理74-83
• 4.4.1 动力机制74-78
• 4.4.1.1 风的影响74-76
• 4.4.1.2 纬向流的作用76-78
• 4.4.2 热力机制78-83
• 4.4.2.1 净热通量的影响78-82
• 4.4.2.2 降水的作用82-83
• 4.5 小结83-85
• 第五章 西太平洋暖池热盐结构的年际变化特征85-112
• 5.1 热盐结构厚度场的时空特征85-92
• 5.1.1 混合层厚度场85-87
• 5.1.2 障碍层厚度场87-89
• 5.1.3 深层厚度场89-92
• 5.2 热盐结构温度场的时空特征92-99
• 5.2.1 混合层温度场92-94
• 5.2.2 障碍层温度场94-96
• 5.2.3 深层温度场96-99
• 5.3 热盐结构盐度场的时空特征99-106
• 5.3.1 混合层盐度场99-101
• 5.3.2 障碍层盐度场101-103
• 5.3.3 深层盐度场103-106
• 5.4 暖池热盐结构厚度场主要模态与温度和盐度间的关系106-110
• 5.4.1 混合层厚度场第一、二模态与该层温、盐度间的关系106-107
• 5.4.2 障碍层厚度场第一、二模态与该层温、盐度间的关系107-109
• 5.4.3 深层厚度场第一、二模态与该层温、盐度间的关系109-110
• 5.5 小结110-112
• 第六章 暖池热盐结构的年际变异机理112-133
• 6.1 暖池热盐结构厚度场主要模态的变异机理113-121
• 6.1.1 混合层厚度场第一模态的变异机理113-115
• 6.1.2 障碍层厚度场第一模态的变异机理115-117
• 6.1.3 深层厚度场第一模态的变异机理117-118
• 6.1.4 混合层厚度场第二模态的变异机理118-119
• 6.1.5 障碍层厚度场第二模态的变异机理119-120
• 6.1.6 深层厚度场第二模态的变异机理120-121
• 6.2 暖池热盐结构温度场主要模态的变异机理121-125
• 6.2.1 混合层温度场第一模态的变异机理121-122
• 6.2.2 深层温度场第一模态的变异机理122-123
• 6.2.3 混合层温度场第二模态的变异机理123-124
• 6.2.4 深层温度场第二模态的变异机理124-125
• 6.3 暖池热盐结构盐度场主要模态的变异机理125-131
• 6.3.1 混合层盐度场第一模态的变异机理126-127
• 6.3.2 深层盐度场第一模态的变异机理127-128
• 6.3.3 混合层盐度场第二模态的变异机理128-130
• 6.3.4 深层盐度场第二模态的变异机理130-131
• 6.4 小结131-133
• 第七章 结论与展望133-138
• 7.1 结论133-135
• 7.2 论文创新点135
• 7.3 展望135-138
• 参考文献138-148
• 附录1 个人简历148-151
• 附录2 发表文章151

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