全球变暖背景下热带太平洋的响应及其机制

摘要

观测、再分析和模式资料均证实,从19世纪末开始全球气候逐渐增暖,并在世界范围内产生重要影响。热带太平洋是热带海洋中面积最宽广、海-气耦合现象最显著的区域,研究热带太平洋对全球变暖的响应,不仅有助于加深对热带太平洋海-气耦合物理过程的认识,同时也是评估和理解全球变暖对气候影响的重要环节。本文利用全球海气耦合模式CAM3.1-1.5RGO,从平均态(SST)、变率(ENSO)和遥相关(热带北大西洋的作用)三个方面详细探讨了全球变暖对热带太平洋的影响。
　　平均态方面,解决了模式中关于热带太平洋SST平均态响应类型的争议。研究表明,热带太平洋在CO2加倍的场景(全球变暖场景)下呈现出明显的类厄尔尼诺型(El Ni?o-like)增暖。利用混合层的热收支、热通量项的分解、潜热项的分解等分析方法,研究发现该响应反映出海洋对于大气沃克环流减弱的调整。其中,在热带西太平洋,大气的热通量项起到主要的加热效果,且大部分被海洋层结加强引起的垂向卷夹冷却所抵消;而在热带中、东太平洋,海洋的水平输运、长波辐射和潜热通量是主要的加热项,相对的,垂向卷夹、短波辐射和水平耗散项起到冷却效果。该结论(类厄尔尼诺型增暖)与CZ耦合模式的结论(类拉尼娜型增暖)完全相反,经过对比研究表明,二者最核心的差异在大气部分,尤其是大气的热通量和云物理过程。因此在模式的模拟中,大气部分将对热带太平洋SST平均态的变化起到主导作用,一旦大气部分(尤其是云物理过程和辐射通量)可以模拟的较好,就会出现类厄尔尼诺型增暖。
　　变率方面,详细阐述了厄尔尼诺事件中SSTA的传播方向和极端厄尔尼诺事件在全球变暖背景下的变化及其机制。通过不同CO2浓度的三组数值实验(CTRL、2CO2、4CO2)研究表明,热带太平洋背景场的变化会导致ENSO事件一系列统计特征的变化。在CO2浓度更高的场景下,首先,ENSO逐渐向更长的周期偏转且振幅有所减弱。借助BJ index分析表明,该现象起源于赤道太平洋海-气耦合系统抑制效果的增长(平均水平输运+热力抑制+海洋调整抑制)超过了促进效果的增长(纬向平流反馈+温跃层反馈+Ekman反馈)。其次,随着CO2浓度的增高,厄尔尼诺事件中SST异常的传播方向更多的表现为向东传播。根据热收支分析和BJ index研究发现,温跃层反馈主导SST异常的向东传播,纬向平流反馈主导SST异常的向西传播,Ekman反馈作为结果项,与SST异常的传播方向一致。而在全球变暖的背景下,主导东传的温跃层反馈所占的比重不断增大,主导西传的纬向平流反馈不断减小,造成东传事件增多。相关分析表明,以上各反馈过程的变化均可以归结到背景场平均态的变化上,即背景流场和风场的减弱,是东传事件增多的根本原因。第三,在CO2浓度更高的场景下,极端厄尔尼诺事件更多。该现象与赤道太平洋背景SST的纬向梯度、经向梯度减弱,ITCZ南移以及大气对于海洋加热强迫更加敏感有关。此外,ENSO振幅的减弱与极端厄尔尼诺事件的增多共同表明,在全球变暖的背景下,较小的SST异常就足以引起较强的厄尔尼诺事件,产生更大的气候影响。
　　遥相关方面,揭示了全球变暖背景下热带北大西洋对热带太平洋影响的变化及其机制。利用不同CO2浓度场景下(CTRL、2CO2、4CO2)的集合实验研究表明,热带北大西洋1月份的增暖会在接下来的秋、冬季诱导出热带太平洋的类拉尼娜型响应,且该响应在全球变暖的背景下有所减弱。其机制如下:随着CO2浓度的增高,春季热带东太平洋形成的SST偶极子(北暖南冷)无论在强度还是形状上均与变暖前差异不大。但在随后的夏季中,由于ITCZ更加偏向于赤道,限制了东南风异常的向北扩展以及海洋的动力过程,导致SST的冷异常减弱。而夏季作为整个类拉尼娜型海温响应的起点,变弱的SST冷异常意味着变弱的SST纬向梯度和Bjerknes正反馈过程,导致秋季SST冷异常的增长强度变小。与之相应的,SST冷异常西侧的东风异常减弱,造成垂向流的变化减弱,叠加在背景的垂向温度梯度上,形成减弱的垂向对流输运,一方面限制了SST冷异常的向西扩展,另一方面也减弱了冬季SST冷异常的最大值。同时,背景SST纬向梯度的减弱造成异常纬向流对平均温度的输运减弱,以及背景经向流、经向温度梯度变化的减弱造成的平均经向流对温度变化的输运减弱,分别也在阻碍SST冷异常向西扩展和SST冷异常局地增强中起到重要作用。

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第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3关键科学问题及主要研究内容

本章附图

第二章 数值模式和分析方法

2.1 CAM3.1-RGO模式简介

2.2 观测及再分析数据简介

2.3 主要分析方法简介

本章附图

第三章 热带太平洋SST平均态的响应及其机制

3.1 数值试验

3.2 CTRL的模拟评估

3.3 热带太平洋的响应

3.4 类厄尔尼诺型响应的机制

3.5 本章讨论与扩展

3.6 本章结论

本章附图

第四章 ENSO的响应及其机制

4.1 数值试验

4.2 CTRL的模拟评估

4.3 ENSO的周期和振幅在全球变暖背景下的响应

4.4 厄尔尼诺事件中SST异常的传播方向在全球变暖背景下的响应

4.5极端厄尔尼诺事件及其在全球变暖背景下的变化

4.6 本章讨论与扩展

4.7 本章结论

本章附图

第五章 热带北大西洋对热带太平洋影响的变化

5.1 数值实验

5.2 热带北大西洋对热带太平洋的影响

5.3 全球变暖背景下热带北大西洋对热带太平洋的影响

5.4 本章结论

本章附图

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

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