26万年以来东亚夏季风多尺度机制分析

摘要

亚洲季风是在太阳辐射的外力驱动下，地球大气、陆地、海洋和冰量等相互作用的复杂气候系统。在轨道尺度和亚轨道尺度，亚洲季风显露出许多不同频率的周期波动，每个频率的波动后面很可能就对应着不同的驱动因子。在不同时间尺度上，不同因子对东亚夏季风的驱动机制是当前全球变化领域的研究热点。不同尺度东亚夏季风驱动机制的研究，有利于理解季风在全球气候中的作用和认识高低纬气候的驱动转换规律。驱动机制的定量化研究对于深入认识季风演化规律有重要意义。
　　N.E Huang于1998年提出来经验模态分解(EMD)方法，这是一种自适应方法，适用于非线性和非平稳时间序列分析。将数据EMD分解的过程，是一种循环迭代的过程，可以把信号中不同周期的波动按频率从高到低依次分离出来，最后剩下的是趋势分量。分离出来的不同尺度波动往往具有实际的物理含义。非线性动力反演方法可以从数据分析中既得到数据本身的数字规律，又得到数据背后的动力机制。由于分辨率高、定年准确的特点，石笋δ180数据被选中作为东亚夏季风的代用指标。本论文通过对石笋数据的EMD多尺度分析和非线性动力反演，研究不同时间尺度上，不同驱动因子对东亚夏季风的耦合驱动机制。
　　26万年来，东亚夏季风大致有三个层次的波动:百年尺度(imf1、imf2)、千年尺度（imf3-imf6）、轨道尺度（imf7-imf10、res）。其中轨道尺度的分量占的比重最大（占79.5460％），而仅岁差分量（imf7和imf8）就占61.2429％，岁差周期是东亚夏季风的主周期。千年尺度分量次之，占17.7817％，其中又以imf5和imf6的为主。季风有逐渐增强的趋势。东亚夏季风在岁差尺度和离心率尺度上，和不同纬度太阳辐射有密切关联，而在地轴倾斜尺度上不明显。由于在季风和太阳辐射中岁差尺度的分量都占有很大的比重，所以二者在岁差尺度上的联系显得尤为重要。从相关性的角度来说，北半球的太阳辐射相对于南半球，对季风更为重要，特别是中低纬太阳辐射。调幅分析的结果显示，岁差不仅是季风的主周期，而且还对高频分量具有振幅调制作用。
　　反演建立了东亚夏季风整体驱动机制的动力方程，反演方程的模拟效果与真实水平相当。反演的动力方程，较为准确的描述和解释了东亚夏季风在不同纬度太阳辐射，南北高纬温度、海表温度以及全球冰量耦合驱动季风的方式和过程。
　　动力方程的分析得出:东亚夏季风是南北半球不同纬度太阳辐射、南北高纬温度、海表温、全球冰量耦合的非线性驱动的结果。太阳辐射对东亚夏季风驱动作用非常重要。但不同纬度的太阳辐射对东亚夏季风的驱动贡献存在很大差异。相对南半球，北半球不同纬度太阳辐射更为重要。在北半球太阳辐射中又以中低纬太阳辐射更是重中之重，其贡献率超过91.18681％。南北高纬温度、海表温、全球冰量的贡献率相对于太阳辐射的贡献率要小得多，但其作用不容忽视。格陵兰温度和全球冰量有相同的驱动方式，南极温度与海表温的驱动方式相同。格陵兰温度（全球冰量）和南极温度（海表温）对东亚夏季风的驱动方式正好相反。全球二氧化碳、甲烷和一氧化二氮含量对东亚夏季风几乎没有驱动作用。
　　从东亚夏季风的信号中分离出了轨道尺度和亚轨道尺度的分量，对它们分别反演建立了驱动动力方程。驱动动力方程较为准确的描述了两种尺度下季风的演化机制。轨道尺度比亚轨道尺度的反演效果好。动力方程分析得出，北半球（特别是中低纬）太阳辐射主控了轨道及亚轨道尺度的演化，但是在这两个不同尺度上其驱动方式完全相反。格陵兰温度和赤道及南纬太阳辐射，相对轨道尺度的季风而言，对亚轨道尺度的东亚夏季风驱动贡献更大一些。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内外研究进展

1．1．1 亚洲季风研究概况

1．1．2 亚洲季风的气候层次

1．1．3 亚洲季风的驱动机制

1．2 选题意义

1．2．1 科学问题的提出

1．2．2 选题的设想和意义

1．3 研究内容、方法和创新

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法和技术路线

1．3．3 论文创新

第二章 数据和方法

2．1 东亚季风区、代用指标及相关数据

2．2 非自治可变步长动力反演方法

2．2．1 非自治可变步长反演模型简介

2．2．2 应用实例1：Duffing混沌系统的反演

2．2．3 应用实例2：北京局地气候系统的反演建模

2．3 EMD方法简介

第三章 东亚夏季风的动力反演

3．1 东亚夏季风动力模型1——南北高纬温度及北高纬夏季太阳辐射的驱动

3．2 东亚夏季风动力模型2——太阳辐射及地球表面系统的驱动

3．3 讨论

3．4 主要结论

第四章 东亚夏季风的多尺度分析

4．1 东亚夏季风的多尺度分解

4．2 季风轨道尺度演化与太阳辐射

4．3 季风不同尺度的演化与地球表面系统

4．4 季风分量的调幅波

4．5 本章小结

第五章 东亚夏季风的多尺度动力演化

5．1 轨道尺度的东亚夏季风动力模型

5．2 亚轨道尺度的东亚夏季风动力模型

5．3 主要结论

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢