广义平衡反馈方法及其在研究海洋对大气反馈中的初步应用

摘要

在气候系统中，大气变化除了受局地海区海表温度(SST)异常影响之外，还可能受其他海区的影响。如何从观测资料中来分离不同海区SST异常各自对大气变化的贡献成为海洋-大气相互作用研究中的难点。针对该问题，本文在前人研究基础上提出了一种统计方法-广义平衡反馈方法(GEFA)。利用GEFA，基于NCEP再分析SST、海表热通量场和大气位势高度场月平均资料，本文系统分析了全球大洋SST主模态对大气的反馈特征。男外，利用GEFA结合奇异值分解(GEFA-SVD)方法，进一步探讨了北大西洋SST异常对大气的最优反馈模。本文取得以下主要创新性成果： 提出了一种统计方法-广义平衡反馈方法(GEFA)用于分离不同海区SST异常各自对大气的影响。该方法的可行性在简单热平流耦合模式中得到了验证。在北大西洋海-气边界热力反馈的简单应用中，GEFA结果不仅验证了海表热通量局地负反馈为主的特征，还探测到湾流区SST异常对下游副极地海区海表热通量的非局地正反馈效应。 运用GEFA首次综合系统分析了观测中全球大洋SST主模态各自对大气的反馈特征，指出：ENSO事件发生时，对应的大气异常主要是热带太平洋TP1模(热带太平洋SST EOF第一模)和热带印度洋TI1模(热带印度洋SST EOF第一模)共同作用的结果。对热带太平洋TP1模，局地反馈表现为热带东-中太平洋上空跨赤道两侧的斜压Rossby波，而在中高纬度大气位势高度异常呈向极的相当正压结构遥相关波列；对热带印度洋TI1模，全球大气响应显著，整个热带位势高度异常呈均匀分布，而在副热带呈纬向分布，南北两半球对称。 另外，中高纬度海温异常对大气有适度影响，但相对于热带海温异常对大气的作用强度要弱。对北太平洋马蹄型海温异常(NP1模)，局地大气呈相当正压结构响应-暖(冷)SST异常对应大气高(低)压异常，而下游为北大西洋涛动(NAO)响应；对北大西洋三极型海温异常(NA1模)，大气响应主要表现为局地相当正压结构的NAO异常。 作为广义平衡反馈方法的延伸，GEFA-SVD方法在北大西洋海-气边界热力反馈的分析表明，海表热通量的最优反馈模仍以局地负反馈为主，最大响应振幅为～40Wm-2K-1；对500hPa位势高度场的最优响应来说，大气NAO异常对北大西洋偶极型SST异常强迫最敏感，最大响应上界为～70mK-1。 总的来说，GEFA是研究海-气相互作用的一种有效统计方法。以上GEFA结果，为长期气候预测提供参考，也为理解海洋对大气的反馈作用和物理机制研究提供依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1热带海洋反馈作用的研究进展

1.1.1大气对热带太平洋ENSO模的响应

1.1.2大气对热带印度洋海盆一致模的响应

1.1.3热带太平洋ENSO模VS热带印度洋海盆一致模

1.2中纬度海洋反馈作用的研究进展

1.2.1数值模式结果

1.2.2统计方法在观测分析中的应用

1.3本文拟解决的科学问题及研究内容

附图

第二章资料与方法

2.1资料

2.1.1 UWM/COADS再分析资料

2.1.2 NCEP/NCAR再分析资料

2.2资料处理方法

2.2.1线性回归方法及ENSO信号的扣除

2.2.2经验正交函数方法

2.2.3奇异值分解方法

第三章广义平衡反馈分析方法

3.1广义平衡反馈分析方法

3.1.1广义平衡反馈方法介绍

3.1.2 GEFA与EFA的比较

3.2在简单热平流耦合模式中的验证

3.2.1简单热平流耦合模式介绍

3.2.2两点模式中的论证

3.2.3多点模式中的验证

3.3在观测分析中的简单应用

3.3.1北大西洋海表热通量的非局地响应

3.3.2进一步论证

3.4本章小结及讨论

附录A：两点模式的解析解

附录B：GEFA与其它统计方法的比较

附录C：截断EOF的GEFA估算

附图

第四章观测的全球大洋SST主模态反馈特征

4.1 GEFA在EOF空间场的应用

4.2大气对热带太平洋和北太平洋SST主模态的响应

4.2.1大气对热带太平洋TP1模的响应

4.2.2大气对北太平洋NP1模的响应

4.2.3 GEFA结果与EFA结果的比较

4.3大气对热带和北半球海洋SST主模态的响应

4.3.1分离热带印度洋TI1对热带太平洋TP1的影响

4.3.2 与前人研究结果的比较

4.3.3大西洋SST主模态的反馈作用

4.3.4大气对SST‘高阶’模的响应

4.4全球大洋SST主模态对大气的反馈

4.5本章小结及讨论

附录A：GEFA与REFA比较

附录B：人气对SST主模态的REFA响应

附图

第五章广义平衡最优反馈模

5.1广义平衡最优反馈模

5.1.1广义平衡最优反馈模介绍

5.2在简单耦合模式中的验证及判别依据

5.2.1在简单热平流耦合模式中的验证

5.2.2对一次实现过程的GEFA-SVD判别分析

5.3在观测分析中的应用

5.3.1北大西洋海—气边界热力最优反馈模

5.3.2北大西洋海—气动力最优反馈模

5.4本章小结及讨论

附录A：GEFA-SVD与MCA方法的比较

附图

第六章结论与展望

6.1本文主要研究内容

6.2本文创新性结论

6.3下一步工作展望

参考文献

致谢

发表文章