一个新的混合型大气—海洋物理和生物地球化学耦合模式及对ENSO调制的模拟研究
发布时间：2020-10-11 00:04
厄尔尼诺和南方涛动(El Ni?o and Southern Oscillation,简称ENSO)现象对全球气候和生物地球化学过程具有显著的影响。当前,ENSO的模拟和预测仍然存在着很大的不确定性和模式间的差异性。由于热带太平洋存在的多尺度生物地球化学过程可与海洋和大气产生复杂的相互作用,并影响ENSO的特征,因此在数值模式中合理表征这些多尺度多圈层过程对改进ENSO模拟和预测具有重要意义。本文围绕与海洋生物地球化学过程相关的叶绿素年际变率、季节内变率及其与淡水通量的共同作用对ENSO的反馈等科学问题,首先发展了一个混合型大气-海洋物理和生物地球化学耦合模式(Hybrid Coupled Model(HCM)of Atmosphere,Ocean Physics,and ocean Biogeochemistry(AOPB));该模式由混合型大气-海洋物理模式与海洋生物地球化学模式相互耦合构成;其中混合型大气-海洋物理模式是由海洋环流模式(OGCM)与统计型大气模式(表征年际风应力和淡水通量异常)进行耦合。模式试验表明HCM-AOPB可以很好地模拟热带太平洋物理和生物地球化学过程,为研究海洋物理-生物间相互作用等提供有效的模式工具。在此基础上,利用HCM-AOPB模拟试验和观测资料,系统性研究了叶绿素的年际变率、热带不稳定波(Tropical Instability Waves,TIWs)引起的叶绿素扰动和叶绿素与淡水通量的共同作用对ENSO的调制效应,具体结果如下:(1)在叶绿素年际变率对ENSO的调制方面,叶绿素可以改变太阳辐射在上层海洋的穿透能力,并引发生物加热效应影响气候系统。当前生物加热效应对热带太平洋气候的影响仍不清楚,特别是叶绿素的年际变率是如何调制ENSO的仍然存在着很大争议(即增强还是减弱ENSO振幅)。HCM-AOPB试验表明,叶绿素年际变率可以减弱ENSO振幅约22%。具体过程是:年际可变的叶绿素显著调制穿透到混合层底的太阳辐射(Q_(pen)),进而改变上层海洋的垂向热力结构和密度层结,从而影响垂向混合等动力过程,进一步影响海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)并最终形成对ENSO的负反馈。在El Ni?o期间,赤道中西太平洋的叶绿素浓度减小(0.05-0.1mg m~(-3)),使得Q_(pen)增加和混合层内吸收的太阳辐射(Q_(abs))减少,这在混合层与次表层之间产生加热差异;进一步减弱上层海洋层结并增强垂向混合,从而使得次表层的冷水更易进入混合层内,间接地减弱了El Ni?o期间SST的暖异常(La Ni?a的情形恰好相反)。这一新机制与以往叶绿素直接加热效应不同(即混合层内的叶绿素吸收太阳辐射增多,从而直接产生加热效应影响SST,并对ENSO产生反馈效应)。(2)在季节内尺度的生物过程对气候的影响方面,聚焦于热带不稳定波(TIWs)引起的叶绿素扰动对海洋和ENSO的影响。我们发现TIWs引起的叶绿素扰动可以减弱TIWs的强度(约7%-9%),并进一步增强ENSO的振幅(约27%)。TIWs存在正负相交的波形扰动(SST变冷或者增暖),对应着叶绿素的增加或减小,从而可对Q_(pen)产生调制效应,进而影响上层海洋温度和密度层结;密度层结的变化减弱了涡有效位能向涡动能的转化(即斜压转化项),并最终使得TIWs的强度减弱。减弱的TIWs导致其由赤道外向赤道输送暖水的能力减弱,使得东太平洋冷舌区获得的热量减少,在La Ni?a期间SST的冷异常加剧,从而增强La Ni?a的强度,最终通过海气耦合过程形成对ENSO的正反馈。这不同于在年际尺度上叶绿素的变化对ENSO的负反馈,表明不同时空尺度的叶绿素变率对ENSO的反馈作用可能是反向的,这些结果有助于解释当前叶绿素变率对ENSO反馈所存在的争议。(3)在淡水通量与叶绿素的年际变率对ENSO的调制方面,当同时考虑两者共同影响时,它们对ENSO振幅的调制效应是非线性的。淡水通量的年际变率可以增强ENSO的振幅:在El Ni?o期间,赤道中西太平洋淡水通量增加,从而减小表层盐度和增强上层海洋层结,使得混合层深度变浅;这导致由次表层进入混合层的冷水减少,进而增强El Ni?o期间SST暖异常(La Nina期间情形恰好相反),形成对ENSO的正反馈。因此,淡水通量和叶绿素的年际变率对ENSO的影响趋向于相互抵消。但当两者的影响同时存在时,情形会完全不同:当叶绿素的年际变率所引起的生物加热效应达到某一反馈强度时,淡水通量年际变率的增大却会导致ENSO振幅的减小。这使得淡水通量强迫对ENSO的增幅效应会由生物加热的减弱效应所补偿甚至反向,从而形成对ENSO的非线性调制。这种不同反馈之间的相互作用为解释自然界和数值模式中所广泛存在的不同过程对ENSO调制效应的差异性和敏感性提供了新的思路。综合上述的研究结果发现,叶绿素所引起的生物加热效应对ENSO的反馈存在对时空尺度的依赖性和敏感性,并且其与淡水通量等其它过程之间的非线性共同作用使得ENSO表现出可变性和复杂性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P732
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 ENSO对全球气候的影响及其模拟和预测的不确定性
1.1.2 热带太平洋物理-生物地球化学过程的重要性
1.1.3 多尺度多圈层过程对ENSO的调制影响
1.2 研究现状
1.2.1 生物地球化学过程对太阳辐射在上层海洋中传输的影响
1.2.2 大尺度海洋叶绿素变率对热带太平洋物理过程的影响
1.2.3 中小尺度生态过程及其对物理过程的可能影响
1.2.4 淡水通量过程对ENSO的影响,及其与生态过程对ENSO的联合调制
1.2.5 海洋生物地球化学模式的发展
1.3 关键科学问题及主要研究内容
第二章 数值模式、数据和分析方法
2.1 一个新的混合型热带太平洋大气-海洋物理和生物地球化学耦合模式
2.1.1 大气风应力和淡水通量统计模式
2.1.2 海洋环流模式（OGCM）
2.1.3 海洋生物地球化学模式
2.1.4 海洋物理模式与生物地球化学模式间的耦合
2.2 观测和再分析数据简介
2.2.1 SST数据
2.2.2 海洋水色卫星数据
2.2.3 混合层深度数据
2.2.4 短波辐射再分析资料数据
2.2.5 淡水通量资料数据
2.2.6 风场数据
2.3 分析方法
2.3.1 海洋生物加热效应的诊断分析
2.3.2 滤波方法
2.3.3 一元线性回归分析
第三章 叶绿素的年际变率对ENSO调制的影响：观测分析
3.1 分析方法
3.2 ENSO循环过程中海洋叶绿素及其加热效应的时空结构
3.2.1 SST和 Chl的年际变率
m和 Hp的年际变率'> 3.2.2 Hm和 Hp的年际变率
3.3 生物过程引起的加热项的年际变率
pen的调制效应'> 3.3.1 Qpen的调制效应
abs和 Rsr的调制效应'> 3.3.2 Qabs和 Rsr的调制效应
p年际变率对各加热项的影响'> 3.4 Hp年际变率对各加热项的影响
3.5 OBH反馈过程对SST的调制机制
3.6 小结和讨论
本章附录：观测的平均态和季节变率
第四章 叶绿素的年际变率对ENSO调制的影响：海洋模式模拟
4.1 试验设计
4.2 .Chl年际变率试验（控制试验）
4.2.1 模拟结果验证
4.2.2 平均态模拟
4.2.3 年际变率模拟
p的年际变率对OBH各项的调制效应'> 4.2.4 Hp的年际变率对OBH各项的调制效应
4.2.5 由OBH引发的负反馈过程
4.3 给定气候态Chl场的模拟试验
4.4 小结
第五章 叶绿素的年际变率对ENSO调制的影响：海气耦合模式模拟
5.1 试验设计
5.2 控制试验模拟结果
5.2.1 控制试验中模拟的海洋物理和生物地球化学场
5.2.2 大气风场,SST和 Chl之间的关系
5.2.3 生物地球物理对气候系统影响的机制
5.2.4 回归分析
5.3 一个证实OBH负反馈的敏感性试验
5.4 讨论和比较
5.5 小结
第六章 热带不稳定波引起的叶绿素加热效应：海洋模式模拟
6.1 引言
6.2 试验设计和方法
6.2.1 试验设计
6.2.2 观测数据
6.3 控制试验中TIWs引发的生态过程的响应
6.3.1 模式验证
6.3.2 TIWs引起的SST和生物场扰动
TIW对短波辐射分配的影响的诊断分析'> 6.4 控制试验中ChlTIW对短波辐射分配的影响的诊断分析
6.4.1 诊断分析方法
TIW对 Qpen和 Rsr的影响'> 6.4.2 ChlTIW对 Qpen和 Rsr的影响
TIW)对海洋的影响：敏感性试验'> 6.5 TIWs尺度的Chl(ChlTIW)对海洋的影响：敏感性试验
TIW对中小尺度过程的影响'> 6.5.1 ChlTIW对中小尺度过程的影响
TIW对大尺度过程的影响'> 6.5.2 ChlTIW对大尺度过程的影响
6.5.3 EKE分析
6.6 小结和讨论
第七章 热带不稳定波引发的叶绿素加热效应对ENSO的正反馈：耦合模式模拟
7.1 引言
7.2 分析方法和试验设计
7.2.1 分析方法
7.2.2 试验设计
7.3 结果分析
7.3.1 控制试验
TIW效应对ENSO的影响'> 7.3.2 滤波试验：ChlTIW效应对ENSO的影响
TIW对 TIWs的减弱效应'> 7.3.3 过程分析Ⅰ：ChlTIW对 TIWs的减弱效应
TIW效应对经向热量输送（HFC）的影响'> 7.3.4 过程分析Ⅱ：ChlTIW效应对经向热量输送（HFC）的影响
7.4 小结
第八章 热带太平洋淡水通量和海洋叶绿素产生的非线性反馈
8.1 引言
8.2 模式配置和试验设计
8.2.1 模式配置
8.2.2 试验设计
8.2.3 观测和再分析数据
8.3 模拟结果
8.3.1 ENSO的调制效应
8.3.2 OBH反馈效应
8.3.3 淡水通量的强迫效应
8.3.4 联合调制效应
8.3.5 洞悉ENSO的调制效应
8.4 小结与讨论
第九章 全文总结与展望
9.1 全文总结
9.2 论文的创新点
9.3 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：2835739
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P732
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 ENSO对全球气候的影响及其模拟和预测的不确定性
1.1.2 热带太平洋物理-生物地球化学过程的重要性
1.1.3 多尺度多圈层过程对ENSO的调制影响
1.2 研究现状
1.2.1 生物地球化学过程对太阳辐射在上层海洋中传输的影响
1.2.2 大尺度海洋叶绿素变率对热带太平洋物理过程的影响
1.2.3 中小尺度生态过程及其对物理过程的可能影响
1.2.4 淡水通量过程对ENSO的影响,及其与生态过程对ENSO的联合调制
1.2.5 海洋生物地球化学模式的发展
1.3 关键科学问题及主要研究内容
第二章 数值模式、数据和分析方法
2.1 一个新的混合型热带太平洋大气-海洋物理和生物地球化学耦合模式
2.1.1 大气风应力和淡水通量统计模式
2.1.2 海洋环流模式（OGCM）
2.1.3 海洋生物地球化学模式
2.1.4 海洋物理模式与生物地球化学模式间的耦合
2.2 观测和再分析数据简介
2.2.1 SST数据
2.2.2 海洋水色卫星数据
2.2.3 混合层深度数据
2.2.4 短波辐射再分析资料数据
2.2.5 淡水通量资料数据
2.2.6 风场数据
2.3 分析方法
2.3.1 海洋生物加热效应的诊断分析
2.3.2 滤波方法
2.3.3 一元线性回归分析
第三章 叶绿素的年际变率对ENSO调制的影响：观测分析
3.1 分析方法
3.2 ENSO循环过程中海洋叶绿素及其加热效应的时空结构
3.2.1 SST和 Chl的年际变率
m和 Hp的年际变率'> 3.2.2 Hm和 Hp的年际变率
3.3 生物过程引起的加热项的年际变率
pen的调制效应'> 3.3.1 Qpen的调制效应
abs和 Rsr的调制效应'> 3.3.2 Qabs和 Rsr的调制效应
p年际变率对各加热项的影响'> 3.4 Hp年际变率对各加热项的影响
3.5 OBH反馈过程对SST的调制机制
3.6 小结和讨论
本章附录：观测的平均态和季节变率
第四章 叶绿素的年际变率对ENSO调制的影响：海洋模式模拟
4.1 试验设计
4.2 .Chl年际变率试验（控制试验）
4.2.1 模拟结果验证
4.2.2 平均态模拟
4.2.3 年际变率模拟
p的年际变率对OBH各项的调制效应'> 4.2.4 Hp的年际变率对OBH各项的调制效应
4.2.5 由OBH引发的负反馈过程
4.3 给定气候态Chl场的模拟试验
4.4 小结
第五章 叶绿素的年际变率对ENSO调制的影响：海气耦合模式模拟
5.1 试验设计
5.2 控制试验模拟结果
5.2.1 控制试验中模拟的海洋物理和生物地球化学场
5.2.2 大气风场,SST和 Chl之间的关系
5.2.3 生物地球物理对气候系统影响的机制
5.2.4 回归分析
5.3 一个证实OBH负反馈的敏感性试验
5.4 讨论和比较
5.5 小结
第六章 热带不稳定波引起的叶绿素加热效应：海洋模式模拟
6.1 引言
6.2 试验设计和方法
6.2.1 试验设计
6.2.2 观测数据
6.3 控制试验中TIWs引发的生态过程的响应
6.3.1 模式验证
6.3.2 TIWs引起的SST和生物场扰动
TIW对短波辐射分配的影响的诊断分析'> 6.4 控制试验中ChlTIW对短波辐射分配的影响的诊断分析
6.4.1 诊断分析方法
TIW对 Qpen和 Rsr的影响'> 6.4.2 ChlTIW对 Qpen和 Rsr的影响
TIW)对海洋的影响：敏感性试验'> 6.5 TIWs尺度的Chl(ChlTIW)对海洋的影响：敏感性试验
TIW对中小尺度过程的影响'> 6.5.1 ChlTIW对中小尺度过程的影响
TIW对大尺度过程的影响'> 6.5.2 ChlTIW对大尺度过程的影响
6.5.3 EKE分析
6.6 小结和讨论
第七章 热带不稳定波引发的叶绿素加热效应对ENSO的正反馈：耦合模式模拟
7.1 引言
7.2 分析方法和试验设计
7.2.1 分析方法
7.2.2 试验设计
7.3 结果分析
7.3.1 控制试验
TIW效应对ENSO的影响'> 7.3.2 滤波试验：ChlTIW效应对ENSO的影响
TIW对 TIWs的减弱效应'> 7.3.3 过程分析Ⅰ：ChlTIW对 TIWs的减弱效应
TIW效应对经向热量输送（HFC）的影响'> 7.3.4 过程分析Ⅱ：ChlTIW效应对经向热量输送（HFC）的影响
7.4 小结
第八章 热带太平洋淡水通量和海洋叶绿素产生的非线性反馈
8.1 引言
8.2 模式配置和试验设计
8.2.1 模式配置
8.2.2 试验设计
8.2.3 观测和再分析数据
8.3 模拟结果
8.3.1 ENSO的调制效应
8.3.2 OBH反馈效应
8.3.3 淡水通量的强迫效应
8.3.4 联合调制效应
8.3.5 洞悉ENSO的调制效应
8.4 小结与讨论
第九章 全文总结与展望
9.1 全文总结
9.2 论文的创新点
9.3 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：2835739
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