基于热收支分析的海气热通量物理约束机制研究

发布时间：2020-09-30 20:46

　　海气热通量是海气相互作用中的重要物理量，其热力学属性直接关系到气候的变化，因而其研究意义不言而喻。然而，长期以来，全球以及区域性热通量的量化和变化均没有定论。众多研究对海气热通量的关注集中在海气边界层范围内，包括热通量的参数化过程、海气之间热物理变量的观测以及各种观测之间的横向比对。本文将从海洋自身热收支平衡出发，选取沿等温度线，等地形线和两者结合的三种对原始热方程体积积分方式，在量化出控制体其它热量过程前提下，逆求得满足热平衡过程的海气热收支，定量估计出符合物理约束的全球以及区域性海洋积分平均的海气热通量，诊断基于9种气候态热通量资料（实际观测，客观分析以及再分析资料等）的计算误差，为今后正确估计和理解热通量量级和变化提供合理的参考。主要关注的科学问题为，进入全球无冰海洋和有冰海洋的量级分别为多少？大尺度海洋和大气环流对全球以及区域热通量变化的贡献是什么？为了研究上述问题，本文分别选取全球无冰海洋，西太平洋暖池，地中海，有冰海洋和高纬度水团生成率为研究的基本物理背景，全方位多角度的展现在不同积分条件下对热通量的约束过程，以及在此基础之上的海气热通量的变化及与该变化相关的气候事件，获取的主要科学结论如下： 1.设置定常的全球海洋垂向混合系数k v1.5×10~(-4)m~2s~(-1)，大约有4.2Wm~(-2)的能量进入以5oC等温线为代表圈定的无冰海洋，而根据全球海洋表面能量守恒原则，无冰海洋得到的热量以沿等温线热耗散的形式进入有冰漂移和覆盖的海洋区域，从而释放到大气中，量级上约为-44.8Wm~(-2)。物理的假定和数据的误差会使得上述结果存在较大的不确定性，同时，高纬度低温陆地与高温海洋之间的热量交换有可能影响最终的估计结果。由于全球海洋的机械能向海洋内能的转化与海洋表面的热能相比是个小量，因而，在理论上，海洋与大气的热交换在气候态年平均意义下应该趋于平衡。进入西太暖池和地中海地区的年平均热通量分别为27.9Wm~(-2)和-3.3Wm~(-2)。以9种气候态热通量驱动的高纬度水团生成率（又称全球海洋Hadley环流）年平均仅有2.1Sv，远远小于前人估计的20+Sv，但是半球冬季热通量驱动，高纬度水团生成率可以接近7Sv； 2.基于上述的物理约束结果，得出OAFlux+ISCCP，NOCSv2.0，CFSR和MERRA的气候态热通量普遍呈现热误差，平均而言，热误差大小居于10Wm~(-2)和20Wm~(-2)之间；ERA-40表现出强烈的冷误差属性，平均达到-10Wm~(-2)以上。除去地中海之外，NCEP的产品表现了稳定的冷误差属性，但是，保持在个位数以内。CORE.2和ERA-Interim的气候态热通量诊断结果显示不同地区呈现的冷热误差不一，其在全球无冰海洋呈现热误差属性，而在暖池地区等呈现冷误差，究其原因在于目前存在的全球气候态热通量估计对高纬度热通量的估计不足，在接近海冰边缘的位置，应该有更多的热量释放到大气中以满足全球能量平衡。结合高纬度水团生成率判断，南北热力差不足以驱动全球的20+Sv的高纬度水团生成率，更加证明了对高纬度的海洋失热过程把握不够是目前热通量普遍存在的问题； 3.对全球平均的气候态海气热通量来说，海洋大气环流仅仅是内部过程，它们起到的作用是调节区域海气热力交换，影响局部气候变化，例如其对高纬度热通量的调整过程与高纬度大气涛动在物理上是一致的，统计上具有接近90%的相关关系（95%置信区间），西太平洋暖池地区湍热耗散过程由赤道表面急流和赤道潜流的季节性剪切决定。在全球变暖背景下，两极地区海冰骤减，直接影响到对海洋的“棉被”保暖效应，使得极地冰冠大气对流层获得额外的3-10Wm~(-2)的热量异常，直接造成了极地地区的增暖放大效应，同时对高纬度水团生成，以及深对流驱动的全球热盐环流产生深刻的影响，从而加剧了气候变化的进程。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：B
【学位年份】：2012
【中图分类】：P732.6
【部分图文】：

无冰,气候,海冰,海气

大问题有关的科学问题（见下小节）。本文所选取的有冰和无冰的海洋是根据实测资料来规划的，基于此规划，在下文全球的计算中采用的是相同的海陆冰点标准。图0-4黄线显示根据美国海洋大气局最优插值海表面温度第二版（OISSTv2.0）计算的气候态无冰海洋的边缘，其中计算的标准选择为海冰覆盖率大于 15% 的海域定义为海冰区域，而其他区域为自由无冰海洋区域（参考美国国家冰雪中心的定义，National Snow & Ice Data Center，NSIDC），而图 0-4 中深绿色线表示最小的海冰拓展，即在各半球夏季时冰退却到最靠近极点。目前存在 3 类 9 种海气热通量的数据集，包括客观分析产品，再分析资料和最新的再分析资料。然而这 9 种资料给出的全球无冰海洋的平均海气净热通量各不一致。图 0-5 所示 9 种资料的全球平均结果基本分为三档

面积图,通量,无冰,面积权重法

8 9 种气候态热通量资料的全球无冰海洋净热通量估计数值，计算基于同样的 1o×1o 的海陆冰网格点（图 0-4 黄用面积权重法计算，即180 360 180 3601 1 1 1( , ) ( , ) ( , )i j i jQ Q i j A i j A i j= = = == ∑∑ ∑∑ ，其中Q和 A分别代表净热通量以及所在点的

无冰,中云,海洋,短波辐射

净太阳短波辐射在全球的分布，从两图综合可以看出，在中低纬度，气候态含量在到达海洋表面的净短波辐射中扮演重要角色，云比例含量低的区域对相对较强的太阳辐射，而在高纬度地区，不但太阳的高度角变小，云含量还较多，因而净太阳短波辐射较小。另外一项研究（Chen 等，2000）表明，的云类型对云的反射率亦不同，并且通过模式计算量化了不同的云类型对应同的反射率（详见其表 1）。本小节目的仅仅表述与太阳短波辐射有关的参和可能影响的物理过程，具体的影响原因研究不在本文包含之内，以期待更相关研究会在这方面出现。

【引证文献】