海气界面热通量变化趋势及其与SST的关系

摘要

海气界面热通量研究因其对理解和模拟海洋与大气之间的能量交换和淡水循环起着至关重要的作用，一直受到学术界的广泛关注。目前学术界关于海气界面热通量研究主要集中在天气、季节内、季节和年际时间尺度，但对与长期气候变化有关的海气界面热通量长期（或年代际）趋势的认识还很有限。本博士论文采用包含美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目提供的OAFlux资料在内的多套资料，利用EOF/trend-EOF分析、小扰动方法、线性回归、相关分析和合成分析等方法研究了海气界面热通量的变化趋势及其与SST和大气环流之间的关系；同时还提出了一种新的气候数据分析方法(trend-SVD)，该方法旨在提取两个变量场耦合趋势变化模态。全文主要结论如下：
　　 1.热带和副热带太平洋1977-2006年间海气界面潜热通量存在正的趋势，这与SST变暖和海表面风速增强紧密相关。其中SST变暖是潜热通量增加的主要的直接／局地原因；大尺度表面风速的增强由于能影响SST变暖的空间分布可视为潜热通量增加的一个间接／非局地因子。同时，正的潜热通量趋势、SST增暖和海表面风速增强本质上应该与全球变暖强迫紧密相关。结合一些数值模拟的结果，当前的分析表明全球变暖可能通过诱发所谓的热带太平洋LaNina状SST增暖而造成海表面信风的增强。另一方面，增强的热带太平洋信风可能通过正的风-海洋上翻动力反馈机制进一步强化LaNina状SST增暖。
　　 2.在全球变暖的背景下，北太平洋和北大西洋净热通量存在不同的区域趋势：在西部边界流海域，净热通量存在统计显著的负趋势，这主要是由于SST变暖所致，显示了海洋对大气的强迫；在副热带中海盆海域，净热通量存在统计显著的正趋势，这主要是由于近海表大气比湿qa的增加所致，显示了海洋对大气强迫的响应。
　　 3.本博士论文提出了一种新的气候数据分析方法(trend-SVD)，该方法旨在提取两个变量场耦合趋势变化模态。应用到理想化模型和实际气候数据都表明trend-SVD方法能较好地提取两个变量场耦合趋势信号并且投射不同的耦合趋势信号到不同的模态，克服了传统SVD方法在提取两个变量场耦合趋势信号的不足。使用trend-SVD方法研究1958-2006年OAFlux全球和区域海气界面潜热通量和SST年平均距平数据发现第一trend-SVD模态大体上反映了全球SST变暖诱发潜热通量的增加；第二trend-SVD模态则主要反映了与PDO年代际有关的潜热通量和SST耦合变化。
　　 4.CMIP3中不同的海气耦合模式模拟的热带气候态SST存在较大的差异，这种模式差异相当或超过了实际的SST变化。热带气候态SST模式间差异的EOF分析表明模式间最突出的差异为一些模式在整个热带太平洋具有较高的SST，而另一些模式则在整个热带太平洋具有较低的SST。研究还发现这种SST的模式间差异是由于不同的大气模式在模拟总云量的差异导致的：较少（较多）总云量的模式有较高（较低）的向下的短波通量进入海洋，进而造成较高（较低）的SST;而升高（降低）的SST通过增加（减少）向上的长波通量和潜热通量来平衡相应的短波通量。