日本海海平面年际变化及其对ENSO的响应

摘要

本文使用相关分析、EOF分析与小波分析等高级统计方法,对比中国南海深入地研究了日本海海平面与热容海平面年际变化及其对ENSO的响应,并对ENSO循环影响日本海海平面年际变化可能的物理机制进行了详细探讨。研究发现,日本海海平面与热容海平面年际变化受到ENSO循环的调制,对ENSO循环有明显的响应;同时也发现,日本海海平面与热容海平面又具有显著的年代际变化特征,其年代际变化受太平洋十年涛动PDO(Pacific Decadal Oscillation)冷暖位相变化的控制。依据Ishii(2003,2006)等所发布的全球海洋温度、盐度数据集,首先计算获得了中国南海与日本海的热容海平面异常时间序列,时间周期为1945年01月-2005年12月。然后,讨论了热容海平面与观测海平面的相关性,同时研究了热容海平面异常与厄尔尼诺/南方涛动的相关性。日本海热容海平面异常与海平面异常存在较强的正相关,因此,日本海域热容海平面异常是海平面变化的主要原因。经研究发现,由高度计测量与“重建海表面高度数据”所获得的海平面异常和由再分析数据所获得的热容海平面异常与SOI都存在强的相关性;特别是近30年(1976-2005),南海海平面异常与SOI存在正相关,而日本海海平面异常与SOI存在负相关。日本海与南海都是半封闭海,它们之间有许多相似的特征。本文简单分析南海海平面年际变化对ENSO响应,其主要目的在于检验本文所使用研究方法的可靠性与正确性;同时对比南海,可以看出日本海海平面与南海海平面存在不同的年际变化规律。南海海平面年际变化的特点是上下层海水温度异常对SOI的响应不同,南海海平面变化与SOI的相关性主要是通过下层海水温度来影响的。下层海水温度决定了南海热容海平面的变化,从而影响了海平面变化与SOI的相关性。经研究发现,近30年(1976-2005),日本海整个海域的热容海平面变化趋势在厄尔尼诺时间尺度(2-7年)上存在较大差异。相对西北日本海域,东南日本海热容海平面异常对SOI响应较快,与SOI的相关性更强;从时间上来看,日本海海平面还存在明显的年代际变化特征。在PDO暖位相时期(1976年之后),日本海海平面和热容海平面与SOI存在强的负相关;而在PDO冷位相时期(1976年之前),日本海海平面和热容海平面与SOI却存在正相关。日本海热容海平面第1主成分的方差贡献为89％,其第1特征向量的空间分布显示,日本海在东南沿岸海域出现了较大的振幅,而在西北部海域则出现了较小的振幅,这说明东南日本海对整个日本海热容海平面的贡献较大。最后通过小波变换和小波相干分析,进一步验证了本文所得出的结论。在厄尔尼诺时间尺度(2-7年)上,日本海区域平均热容海平面异常与SOI存在强的相干性,在PDO冷位相时期,日本海热容海平面与SOI的位相基本相同,这说明两者之间存在正相关;在PDO暖位相时期,热容海平面与SOI却呈现反相位关系,且相干性更强,即在此期间两者存在更强的负相关。通过对SODA数据集进行分析,发现ENSO循环通过影响日本海与其邻海的水交换以及风应力的变化,最终影响到日本海海平面和热容海平面的年际变化。在PDO暖位相时期,SOI负异常导致日本海西北向风应力(东南风)与日本海热通量正异常,从而日本海海平面与热容海平面升高;在PDO冷位相阶段,SOI负异常引起日本海东北向风应力(西南风)正异常与日本海热通量负异常,从而日本海海平面与热容海平面降低。通过对CMAP降水数据进行研究,发现日本海降水与日本海海平面、热容海平面都存在强的正相关,而且东南日本海的相关性要强于西北日本海。一方面,日本海降水异常可能影响日本海海平面与热容海平面的变化,另一方面,日本海海平面以及热容海平面的变化也可能导致日本海降水异常的产生。

目录

摘要

Abstract

O 前言

1 引言

1.1 厄尔尼诺对全球气候的影响

1.2 ENSO及其研究现状

1.2.1 厄尔尼诺发生的原因和机制

1.2.2 厄尔尼诺对气候的影响

1.2.3 厄尔尼诺预报

1.2.4 我国对厄尔尼诺的研究现状

1.2.5 对厄尔尼诺发展新的认识

1.3 研究厄尔尼诺的意义

1.4 本文的研究内容

2 数据的来源与处理

2.1 南方涛动指数(SOI)数据

2.2 卫星高度计数据

2.2.1 卫星和高度计

2.2.2 高度计测高原理

2.2.3 海平面异常(SLA)

2.2.4 重建海表面高度数据

2.3 海洋温度与盐度数据

2.3.1 数据的来源

2.3.2 热容海平面(thermosteric sea-level)的计算

2.4 简单海洋数据同化(SODA)数据集

2.5 CMAP降水数据

3 研究方法

3.1 滤波方法

3.1.1 滤波器

3.1.2 小波滤波

3.2 相关分析方法

3.2.1 协方差与相关系数

3.2.2 相关系数的检验

3.3 主成分分析法

3.3.1 主成分的定义

3.3.2 主成分的计算

3.3.3 经验正交函数分解

3.3.4 时空转换

3.4 小波变换与小波分析

3.4.1 引言

3.4.2 小波变换的理论基础

3.4.3 小波分析简介

3.4.4 交叉小波变换与小波相干分析

3.5 回归分析

3.5.1 一元线性回归

3.5.2 多元线性回归

3.5.3 海平面与热容海平面回归分析

4 中国南海海平面年际变化及其对ENSO的响应简介

4.1 南海热容海平面异常年际变化

4.2 南海海水温度异常年际变化

4.3 南海热容海平面异常小波分析

5 日本海海平面年际变化及其对ENSO的响应

5.1 引言

5.1.1 日本海环流特征

5.1.2 对马海峡海流

5.1.3 郁陵海盆环流

5.1.4 日本海特殊水团

5.1.5 日本海北部环流

5.2 日本海海平面异常年际变化

5.2.1 观测海平面与海表面高度年际变化

5.2.2 热容海平面异常年际变化

5.2.3 海平面异常与热容海平面异常的相关性

5.3 日本海海水温度异常年际变化

5.4 日本海海平面异常EOF分析

5.4.1 观测海平面异常EOF分析

5.4.2 热容海平面异常EOF分析

5.5 日本海不同海域海平面异常年际变化

5.5.1 热容海平面异常与SOI的相关性

5.5.2 热容海平面异常EOF第1主成分与SOI的相关性

5.6 日本海海平面异常小波分析

5.6.1 连续小波变换

5.6.2 交叉小波变换

5.6.3 小波相干分析

5.7 本章小结

6 ENSO循环影响日本海海平面年际变化物理机制初探

6.1 引言

6.2 日本海流场对海平面年际变化的影响

6.2.1 日本海流场及其空间分布

6.2.2 日本海体积通量及其对海平面年际变化的影响

6.2.3 日本海热通量及其对热容海平面年际变化的影响

6.2.4 ENSO循环对日本海热通量年际变化的影响

6.3 日本海风应力场对海平面年际变化的影响

6.3.1 日本海风应力场及其空间分布

6.3.2 日本海风应力场及其对海平面年际变化的影响

6.3.3 日本海风应力场及其对热容海平面年际变化的影响

6.3.4 ENSO循环对日本海风应力场年际变化的影响

6.4 日本海降雨对海平面年际变化的影响

6.5 日本海海平面低频变化规律及其物理机制研究

6.5.1 太平洋十年涛动(PDO)与ENSO循环

6.5.2 日本海海平面与热容海平面的年际、年代际变化规律

6.5.3 影响日本海海平面变化的物理机制探讨

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.1.1 中国南海海平面与热容海平面年际变化规律

7.1.2 日本海海平面与热容海平面年际、年代际变化规律

7.1.3 日本海流场、风应力场以及降雨对海平面年际、年代际变化的影响

7.2 未来的展望

参考文献