大尺度海洋环流对若干表面强迫变化的响应研究

摘要

本文围绕天气系统对海洋环流的影响、考虑海洋表层流速对海气界面通量和海洋环流的长期影响以及南大洋能量循环对西风带变化的响应等关键科学问题，利用耦合海冰的高分辨率全球海洋模式MITgcm-ECCO2，通过一系列敏感性试验揭示大洋环流的响应特征和变异机理。 通过对比大气强迫场中包含和不包含天气尺度大气活动的两个敏感性试验结果，研究天气尺度大气活动对海洋环流的影响。发现在海气界面通量计算中考虑天气尺度大气活动后使得海气通量显著增强，尤其在中高纬区域。海气通量的加强引起了一系列显著变化:风场输入到海洋中的能量和涡动能增加了约50％;副热带环流强度增强了约10-15％，亚极地环流强度增强的更为显著;天气尺度大气活动也使得北大西洋区域的深对流更活跃，进而使得北大西洋翻转环流(AMOC)的强度增强了约55％，以及海洋中经向热输送的最大值增加了几乎50％。上述结果表明天气尺度大气活动在驱动全球海洋环流和海洋经向热输送中起着重要作用，因此在以后的气候研究中应考虑天气尺度大气活动对海洋环流的影响。 另一显著影响风场输入到海洋中能量的因素是:计算海表面风应力和浮力通量时考虑海洋表层流速和海表面大气风速的相对运动可以改变通量计算结果，即“相对风效应”。这一效应使得风场输入到海洋中的能量减弱，进而导致涡动能减弱。本文首次研究了“相对风效应”对全球海洋环流的长期影响。“相对风效应”使得海洋环流显著减弱，主要有:(1)全球积分的海洋涡动能(EKE)和平均动能(MKE)分别减弱了约27％和12.5％;(2)水平环流的强度减弱了10-15％;(3)拉布拉多海区域深对流的强度减弱了约20％;(4)AMOC强度减弱了约12.6％;(5)海洋经向热输送的最大值减弱了0.2 PW，进而导致北大西洋海表面温度降低以及表面热损失减弱等。敏感性试验的结果表明:在风应力的计算中包含海洋表层流的影响主导了上述变化。 随后研究了南大洋能量循环对增强的西风带的响应。用1992和1998年的大气强迫驱动模式，其中1992年表现为弱西风带年，而1998年为强西风带年。增强的西风带使得南大洋中各种能量形式都有相应的增加，EKE增加了约30％，其次为MKE增加了17.9％，扰动有效位能(EAPE)增加了8.6％，平均有效位能(MAPE)增加了6.5％。海洋中动能和有效位能产生率的增幅较为接近，EAPE(MKE)的产生率增长了21％(26％)。各能量之间的转化率也显著增强，其中MKE和MAPE之间的转化率增强了75％，MAPE和EAPE之间的转化率增强了78％，表明西风带增强后南大洋能量转化的斜压路径整体都有所增强。南大洋各能量之间的转化率受大地形的显著影响，尤其是EKE和MKE之间的能量转化，在大地形附近能量从EKE转化到MKE，而在其他区域能量从MKE转化到EKE。西风带增强后，大地形附近各能量之间的转化率都有所增强，而从EAPE到EKE和从EKE到MKE的能量转化率增幅大于从MKE到MAPE和从MAPE到EAPE的转化率增幅。

目录

声明

摘要

第一章引言

1．1海表面强迫变化对大尺度海洋环流影响的研究意义

1．1．1天气系统对海洋环流影响的研究意义

1．1．2“相对风效应”对海洋环流影响的研究意义

1．1．3南大洋能量循环对西风带增强的响应的研究意义

1．2海表面强迫变化对大尺度海洋环流影响的研究进展

1．3关键科学问题及研究内容

1．4数值模式

1．4．1模式简介

1．4．2模式控制方程及其网格设置

1．4．3模式边界条件及参数化方案

第二章天气尺度大气强迫对平均海洋环流的影响

2．1引言

2．2试验设计

2．3海气通量的响应

2．3．1动量通量的响应

2．3．2浮力通量的响应

2．4风场输入到海洋中的能量和涡动能的响应

2．5海洋环流和ACC输送量的响应

2．6深对流和AMOC的响应

2．7经向热输送的响应

2．8结论和讨论

第三章“相对风效应”对海气界面通量和风场输入到海洋中能量的影响

3．1引言

3．2试验设计

3．3海气界面通量的长期响应

3．3．1动量通量的长期响应

3．3．2热通量的长期响应

3．4海气界面通量的短期响应

3．4．1动量通量的短期响应

3．4．2热通量的短期响应

3．5风场输入到海洋中能量的响应

3．5．1风场输入到全球海洋环流中能量的响应

3．5．2风场输入到地转流中能量的响应

3．5．3风场输入到非地转流中能量的响应

3．6结论

第四章“相对风效应”对平均海洋环流的长期影响

4．1引言

4．2海洋动能的晌应

4．2．1涡动能的响应

4．2．2平均动能的响应

4．3海洋环流和ACC输送量的响应

4．4深对流和AMOC的响应

4．5经向热输送的响应

4．6结论

第五章南大洋Lorenz能量循环对西风带增强的响应

5．1引言

5．2试验设计

5．3能量控制方程

5．4能量循环对浮力通量变化的响应

5．5动能和有效位能的响应

5．6能量输入的响应

5．6．1动能产生率的响应

5．6．2有效位能产生率的响应

5．7能量转化的响应

5．7．1 MAPE和EAPE之间的能量转化率

5．7．2 EAPE和EKE之间的能量转化率

5．7．3 EKE和MKE之间的能量转化率

5．7．4 MKE和MAPE之间的能量转化率

5．8 Lorenz能量循环对西风带增强的响应

5．9结论与讨论

5．10附录：能量收支方程的推导

5．10．1平均动能和涡动能方程的推导

5．10．2平均有效位能和扰动有效位能方程的推导

5．10．3边界条件

5．10．4海气界面通量的空间分布

第六章结论、讨论和展望

6．1结论和本文创新点

6．1．1天气尺度大气活动对平均海洋环流影响的主要结论

6．1．2“相对风效应”对海洋环流长期影响的主要结论

6．1．3南大洋能量循环对西风带增强的响应的主要结论

6．1．4本文主要的创新点如下

6．2讨论

6．3展望

参考文献

博士期间完成的学术论文

致谢