全球海-氣耦合系統(tǒng)中冬季重現(xiàn)和持續(xù)性障礙的特征及物理成因.pdf

1、海洋和大氣的持續(xù)性不僅表示系統(tǒng)有多長的記憶性，還暗示著系統(tǒng)的潛在可預(yù)報(bào)性。所以正確認(rèn)識(shí)海-氣耦合系統(tǒng)的持續(xù)性對(duì)理解全球氣候狀態(tài)及預(yù)測未來氣候變化都有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。雖然人們對(duì)持續(xù)性的特征進(jìn)行了大量的研究，取得了一些有意義的結(jié)果，但仍有許多問題尚不清楚，有些重要內(nèi)容還未涉及。特別是對(duì)于海溫冬季重現(xiàn)現(xiàn)象，目前尚未有人從海氣耦合角度對(duì)其進(jìn)行研究。因此，本文圍繞海氣耦合系統(tǒng)中冬季重現(xiàn)和持續(xù)性障礙展開一系列的研究。首先，利用定量化的方法

2、，從海氣兩個(gè)方面，對(duì)北半球冬季重現(xiàn)的時(shí)空分布特征進(jìn)行全面分析，對(duì)大氣環(huán)流冬季重現(xiàn)與海溫冬季重現(xiàn)之間的關(guān)系進(jìn)行了重點(diǎn)研究，對(duì)北太平洋海-氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)產(chǎn)生的可能機(jī)制進(jìn)行了深入討論。通過研究冬季重現(xiàn)的年際變化，選取重現(xiàn)年和非重現(xiàn)年，對(duì)海-氣系統(tǒng)基本特征隨季節(jié)的變化進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和比較，進(jìn)一步從海氣耦合的角度對(duì)北太平洋冬季重現(xiàn)產(chǎn)生的可能機(jī)理進(jìn)行了深入討論。其次，通過定量的標(biāo)準(zhǔn)，從全球的角度，對(duì)海氣系統(tǒng)持續(xù)性障礙的時(shí)空分布進(jìn)行研究和分析，并對(duì)

3、北太平洋夏季障礙和南海-印尼秋季障礙的可能成因進(jìn)行系統(tǒng)探討。最后，利用IPCC20C3M耦合模式資料，評(píng)估了耦合模式對(duì)海-氣系統(tǒng)中冬季重現(xiàn)和持續(xù)障礙的模擬能力。主要結(jié)論如下：
　　 (1)北半球海溫冬季重現(xiàn)的時(shí)空分布特征及混合層深度的季節(jié)變化。結(jié)果表明：北太平洋和北大西洋海溫冬季重現(xiàn)的空間范圍都是海盆尺度的，但兩者具有完全不同的時(shí)空結(jié)構(gòu)。在北太平洋，中部重現(xiàn)時(shí)間比其周圍晚；而在北大西洋以30°N為分界，北邊重現(xiàn)晚(為冬季)，南邊

4、重現(xiàn)早(為秋季)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了北半球海溫冬季重現(xiàn)與混合層深度季節(jié)變化之間的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，在北大西洋，海洋混合層深度季節(jié)變化的地理分布與海溫重現(xiàn)的時(shí)空結(jié)構(gòu)基本一致。也就是說，混合層深度季節(jié)變化大(小)，海溫重現(xiàn)時(shí)間晚(早)。但是對(duì)北太平洋，在一些區(qū)域混合層深度季節(jié)變化的大小并不能解釋海溫重現(xiàn)時(shí)間的早晚。這表明混合層深度的季節(jié)變化并不是決定海溫冬季重現(xiàn)時(shí)間早晚的唯一因子。
　　 (2)北半球大氣環(huán)流冬季重現(xiàn)及其與海溫冬

5、季重現(xiàn)之間的關(guān)系。一直以來，人們對(duì)冬季重現(xiàn)的研究都是針對(duì)海溫。這里我們突破前人研究的局限，對(duì)北半球大氣環(huán)流冬季重現(xiàn)的基本特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：冬季重現(xiàn)不僅僅存在于海洋中，大氣環(huán)流場也存在顯著的冬季重現(xiàn)，主要位于亞洲東部、北太平洋中部和北大西洋紐芬蘭附近，而且這幾個(gè)重現(xiàn)區(qū)域在高空也是存在的。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)大氣環(huán)流冬季重現(xiàn)與海溫冬季重現(xiàn)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，進(jìn)而對(duì)北太平洋海-氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)產(chǎn)生的可能機(jī)制進(jìn)行了深入討論。結(jié)果表明，在北

6、太平洋，重現(xiàn)區(qū)域海-氣之間存在顯著的相關(guān)。而且大氣環(huán)流異常與海溫異常之間超前相關(guān)大于它們之間的滯后相關(guān)，這就為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用可能占主導(dǎo)地位提供了觀測上的證據(jù)。因此，大氣環(huán)流存在冬季-冬季的重現(xiàn)，它可能會(huì)強(qiáng)迫產(chǎn)生海溫冬季-冬季的重現(xiàn)。而且進(jìn)一步的分析指出，在大氣強(qiáng)迫海洋的過程中風(fēng)應(yīng)力的作用可能是主要的。以上結(jié)果說明海洋內(nèi)部的‘重現(xiàn)機(jī)制’(Alexander et al.，1995)可能并不是產(chǎn)生海溫冬季重現(xiàn)的唯一因子，這就為冬季重現(xiàn)

7、研究提供了一個(gè)新思路。而在北大西洋，大氣環(huán)流重現(xiàn)區(qū)域的海平面氣壓與北大西洋海溫之間不存在顯著的相關(guān)。
　　 (3)其它因素對(duì)北半球海-氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)的可能影響。主要研究了ENSO、年際-年代際變化、PDO以及北極海冰與北半球海氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)的關(guān)系。結(jié)果表明：無論是北半球海溫還是大氣環(huán)流，其冬季重現(xiàn)的產(chǎn)生都與ENSO是線性獨(dú)立的。這與ENSO自身的持續(xù)性特征有關(guān)，因?yàn)镹ino-3區(qū)海溫只表現(xiàn)出明顯的春季障礙特征，但無論從哪個(gè)月開始

8、都不存在海溫重現(xiàn)現(xiàn)象。所以，ENSO可能并不是北半球海-氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)產(chǎn)生的必要因素，海-氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)可能是北半球固有的持續(xù)性特征。其次，通過對(duì)資料進(jìn)行濾波分析我們發(fā)現(xiàn)，除了年際變化(小于10年)以外，北半球海溫冬季重現(xiàn)還與這一地區(qū)的年代際變化密切相關(guān)。而年代際變化對(duì)大氣環(huán)流冬季重現(xiàn)的影響并不是十分顯著。最后，對(duì)PDO指數(shù)及北極海冰的分析表明，雖然PDO及北極海冰存在冬季重現(xiàn)，但它們對(duì)整個(gè)北半球海-氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)的產(chǎn)生并沒有顯著的影響

9、。
　　 (4)北太平洋冬季重現(xiàn)的年際變化—重現(xiàn)年與非重現(xiàn)年海-氣系統(tǒng)的基本特征。從冬季重現(xiàn)的氣候?qū)W特征出發(fā)對(duì)每年海溫的變化情況進(jìn)行判定，從而使研究冬季重現(xiàn)的年際變化成為可能。我們的研究結(jié)果表明冬季重現(xiàn)并非每年都存在。通過選取重現(xiàn)年和非重現(xiàn)年，對(duì)北太平洋海-氣系統(tǒng)基本特征(垂直和水平結(jié)構(gòu))隨季節(jié)的變化進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和比較，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)北太平洋冬季重現(xiàn)可能的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入討論。結(jié)果表明：無論是重現(xiàn)年還是非重現(xiàn)年，大氣強(qiáng)

10、迫和海洋內(nèi)部過程都會(huì)對(duì)海表溫度產(chǎn)生影響。(1)重現(xiàn)年：大氣強(qiáng)迫和海洋內(nèi)部‘重現(xiàn)機(jī)制’對(duì)海表溫度的作用是同向的，因?yàn)榈诙昵锒敬髿鈴?qiáng)迫和海洋內(nèi)部過程都會(huì)產(chǎn)生與前冬相同的海表溫度異常。(2)非重現(xiàn)年：大氣強(qiáng)迫和海洋內(nèi)部‘重現(xiàn)機(jī)制’對(duì)海表溫度的作用是反向的。主要是由于第二年冬季大氣異常與前冬反號(hào)，大氣強(qiáng)迫海洋又是占主的，致使海表溫度也發(fā)生符號(hào)的改變。而對(duì)于次表層海溫，雖然夏季非重現(xiàn)年與重現(xiàn)年次表層海溫具有相同的分布特征，但是非重現(xiàn)年夏季次表

11、層海溫的作用不足以抵消接下來冬季大氣的強(qiáng)迫作用，所以不能使第二年冬季的海表溫度重現(xiàn)。綜上所述，無論是重現(xiàn)年還是非重現(xiàn)年，北太平洋海氣相互作用主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫，特別是在冬季。阿留申低壓減弱(增強(qiáng))，西風(fēng)減弱(增強(qiáng))，最終導(dǎo)致了北太平洋中部海溫增暖(變冷)。因此，海表溫度在冬季重現(xiàn)與否主要取決對(duì)于大氣環(huán)流的變化，而海洋內(nèi)部的‘重現(xiàn)機(jī)制’對(duì)海表溫度的作用可能并不是主要的。
　　 (5)全球海-氣系統(tǒng)持續(xù)性障礙的時(shí)空分布。通過

12、對(duì)持續(xù)性障礙的定量化定義，利用全球海溫格點(diǎn)資料，全面分析了全球海溫持續(xù)性障礙的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：除了人們熟知的ENSO春季障礙之外，全球其它區(qū)域還存在不同季節(jié)的持續(xù)性障礙。如：北太平洋中部存在夏季障礙；南海、印度尼西亞區(qū)域存在秋季障礙。這是我們下面兩章重點(diǎn)研究的內(nèi)容。
　　 (6)北太平洋海溫夏季障礙及其可能的產(chǎn)生原因。在前面的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)北太平洋中部海溫夏季持續(xù)性障礙進(jìn)行了深入的分析，并從多個(gè)方面討論了其可能的成因。我

13、們發(fā)現(xiàn)，北太平洋中部海溫的持續(xù)性不僅表現(xiàn)出夏季障礙，還存在另一顯著特征—冬季重現(xiàn)。通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，ENSO并不是夏季障礙產(chǎn)生的必要因素，夏季障礙可能是北太平洋海溫固有的持續(xù)性特征。對(duì)各月平均海溫及其標(biāo)準(zhǔn)差的分析發(fā)現(xiàn)，海溫變化的季節(jié)鎖相并不能解釋北太平洋中部海溫夏季障礙的產(chǎn)生?？梢?，北太平洋海溫夏季障礙和ENSO春季障礙產(chǎn)生的主要原因是不同的。進(jìn)一步的分析表明，北太平洋中部夏季障礙的產(chǎn)生與該地區(qū)海溫年代際變化密切相關(guān)，而且這一關(guān)系可

14、能與PDO)有關(guān)，因?yàn)樗鼈儗?duì)該區(qū)域7-12月海溫的持續(xù)性有顯著影響。但是，海溫年代際變化和PDO對(duì)北太平洋中部1-6月海溫持續(xù)性的影響并不顯著。事實(shí)上該區(qū)域1-6月海溫持續(xù)性主要表現(xiàn)出冬季重現(xiàn)特征。結(jié)合第三章和第五章的結(jié)論，我們認(rèn)為北太平洋中部海溫的持續(xù)性不僅受到海盆尺度PDO的影響，同時(shí)還受到局地海洋內(nèi)部過程(重現(xiàn)機(jī)制)和大氣環(huán)流(冬季重現(xiàn))強(qiáng)迫的作用，從而產(chǎn)生了夏季障礙。
　　 (7)南海-印尼區(qū)域秋季障礙與海溫年際-年代際

15、變化的關(guān)系。從海溫年際-年代際變化的角度對(duì)南海-印尼海溫持續(xù)性障礙產(chǎn)生的可能原因進(jìn)行了研究，并將其與ENSO春季障礙的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，南海和印尼區(qū)域海溫年代際變化的方差占總方差的25％，而Nino-3區(qū)的只占10％。這種差異決定了年代際變化在南海-印尼秋季障礙和ENSO春季障礙中所起的作用可能是不同的。對(duì)于南海和印尼區(qū)域，海溫年際變化不能單獨(dú)產(chǎn)生秋季障礙，如果不考慮海溫年代際變化持續(xù)性障礙也就不存在。而且，年代際變化對(duì)這兩個(gè)區(qū)

16、域海溫持續(xù)性的影響可能與印度洋和西太平洋海溫有關(guān)，而PDO對(duì)其影響并不顯著。然而，海溫持續(xù)性特征和年代際變化之間的這種關(guān)系在Nino-3區(qū)并不存在。因?yàn)槿コ啬甏H變化以后，ENSO春季障礙仍然存在。這說明南海-印尼區(qū)域秋季障礙與ENSO春季障礙存在明顯的區(qū)域差異。
　　 (8)IPCC20C3M耦合模式對(duì)海-氣系統(tǒng)持續(xù)性季節(jié)變化的模擬。比較了各模式對(duì)北半球海氣系統(tǒng)冬季重現(xiàn)的時(shí)空特征、北太平洋中部海溫持續(xù)性特征以及全球海溫持續(xù)

17、性障礙時(shí)空特征的模擬能力。結(jié)果表明，大多數(shù)模式基本上可以模擬出北半球海溫大范圍的冬季重現(xiàn)現(xiàn)象。但是與重現(xiàn)范圍的模擬相比，耦合模式對(duì)重現(xiàn)時(shí)間地理差異的模擬都比較差。與海溫相比，各模式對(duì)大氣環(huán)流冬季重現(xiàn)時(shí)空分布特征的模擬較差，大部分模式未能模擬出大氣環(huán)流場中主要的重現(xiàn)區(qū)域。其次，與觀測相比，各耦合模式對(duì)北太平洋中部海溫持續(xù)性特征的模擬結(jié)果各不相同。23個(gè)模式中8個(gè)模式模擬的持續(xù)性整體趨勢(shì)與觀測比較接近；9個(gè)模式完全沒有模擬出這一區(qū)域海溫持續(xù)