淡水通量变化特征及其对区域气候的影响

发布时间：2020-05-28 06:46

【摘要】：海气淡水通量,即海洋大气界面处蒸发与降水之差(E-P),是表征全球大气与海洋之间水汽交换的一个重要指标。观测和模式的结果都表明全球变暖背景下水循环加强,水体的空间分布改变,热带强降雨会变得更加频繁和强烈,导致全球淡水可利用性的变化,进而威胁全球生态和人类社会稳定。从长远的角度讲,水循环的增强能够通过淡水通量的变化影响海表面盐度的变化,进而诱导出流场和温度场的异常,并最终反馈于气候的变化,从而对人类社会造成重大影响。本文利用多种再分析和观测资料、13个参与CMIP5计划的模式淡水通量结果以及完全耦合模式CESM,系统分析了淡水通量的历史变化特征,预估未来不同气候情景下的变化趋势,并在此基础上讨论了气候态的淡水通量对于海洋的直接意义以及赤道太平洋区域异常增加的降水对全球海洋大气平均态和北大西洋高纬地区以及东亚季风区的显著影响。最近30年淡水通量的分析表明,淡水通量有十分显著的季节变化特征,特别是受季风影响显著的东亚地区以及受太阳辐射影响显著的亚极地地区；其年际变化主要显示为受ENSO调节的特征,空间上显示为赤道太平洋中部与西部反相变化的特征。北半球中高纬、赤道太平洋中东部以及南印度洋东部表现出淡水通量增加的趋势,而北半球亚热带、南半球中高纬度地区则表现为淡水通量明显降低的趋势,其空间分布特征与年均淡水通量EOF分析第一模态的空间分布十分一致。分别通过气候态的分布、纬向平均、Taylor图分析、季节以及年际EOF分析评估了13个参与CMIP5计划的模式结果,模式能够较好的模拟出淡水通量的气候态分布及纬向平均的分布特征,对季节尺度上时空特征以及年际尺度上空间变化特征都有较好的模拟能力。其不足之处表现在：模式普遍存在双ITCZ现象,且量值较再分析数据偏小；年际尺度上的时间变化特征模拟差。整体上,多模式集合的结果要优于单个模式的结果,通过卡方检验的多模式集合的结果可信度很高。未来全球变暖背景下,淡水通量变化最显著的区域位于热带海域,特别是赤道太平洋地区,其变化约为15%～25%。RCP4.5和RCP8.5两种气候情景下,淡水通量变化的空间形态没有显著变化,但在RCP8.5气候情景下模拟的淡水通量变化幅度及模式间变化的一致性均强于RCP4.5的结果。赤道太平洋异常强降水能够产生类似El Nino的模态,使得赤道太平洋西侧的混合层深度减小,而赤道太平洋东侧的混合层深度增加；赤道流系显著减弱甚至消失,同时赤道潜流显著减弱,降幅能够达到其气候态的50%；北赤道逆流靠近赤道一侧明显增强,而远离赤道一侧略微减弱。淡水通量在模式中通过虚拟盐通量的方式进入海洋,对海洋的影响表现为：淡水通量的增大(减小)能够迅速引起海表面盐度(高度)的减小(增大),并引起密度的变化；海表面高度的异常变化通过地转平衡关系以及异常密度场的强迫对流场有了十分显著的调整,继而通过流场的热平流作用再分配海洋表层的热量,改变了海表面温度的空间分布。淡水通量对北大西洋高纬海域的温盐变化尤其重要,能够维持北大西洋经向翻转流,不会使海水出现明显的降温变淡的现象。赤道太平洋异常增加的降水(10%)能够使海表面温度以及赤道太平洋中部混合层深度变化产生类似ENSO模态的异常变化,沃克环流、西太平洋哈德利环流和大西洋哈德利环流有呈现减弱的趋势,而东太平洋哈德利环流则呈现出明显的增强的变化。赤道流系的响应与再分析资料中极端降水引起的流系调整一致,即赤道太平洋西侧的混合层深度减小而东部混合层深度增加,并引起了南北赤道流的减弱以及西部赤道潜流上层流速减小而东部赤道潜流下层增加。对东亚季风区的降水以及通过赤道耦合波列、冬季极涡和北冰洋震荡对北半球特别是北大西洋高纬度地区海洋大气产生剧烈影响。北大西洋高纬海域海水异常降温变淡,主要是由冬季海冰以及淡水沿着海冰边缘经东格陵兰岛流异常输入,夏季浮冰消融造成。其次,由于表层淡水的累积,浮力通量加大,使得与混合层的混合剪切作用减弱,形成了表层更冷的正反馈机制。
【图文】：

全球平均意义上呈现出明显的上升趋势。其中呈现出明显的上升趋势的区域位于逡逑赤道太平洋中部、２０°Ｎ邋Ｗ北的大西洋和太平洋、印度洋中东部＾＞１及南半球大陆逡逑东西两侧，而呈现出明思的下降趋势的区域位于图３－３标注的太平洋区域、逡逑印度洋北侧及西南侧、大西洋中部Ｗ及南大洋部分海域。太平洋为例，淡水通逡逑量趋势变化的空间分布主要与降水的空间变化有关（未展示），且在年际尺度上逡逑与ＥＮＳＯ的变化息息相关。通过计算发现，去除掉季节信号的Ｉ到Ｖ区域平均逡逑的时间序列与同样同样处理的Ｎｉｎｏ３的时间序列存在一定的相关关系。相关系数逡逑分别为－０．６７、０．５８、０．４、－０．１３邋＾＾；及０．０８，即淡水通量上升的区域与ｎｉｎｏ３指数逡逑呈现负相关而下降的区域与ｎｉｎｏ３指数呈现正相关，且相关系数逐步变小的现象逡逑也能够体现出ＥＮＳＯ循环的路径变化。Ｉ区显著的上升趋势是由于蒸发的增加而逡逑降水减少共同作用的结果，而ＩＩ和ＩＩＩ区的蒸发趋势不明显，主要受降水增加影逡逑响。表明，受全球变暖的影响，淡水通量也在发生着一系列的改变。逡逑２０逡逑

＇例逡逑？０邋卞逦１汾韦逦｜８０＊Ｗ逦Ｉ２０？Ｗ逦？０？Ｗ逦－５９－５逦－ＳＳＪ逦－ｌ？Ｊ逦ＯＪ逦２０３逦４０Ｊ逦货逦Ｊ逡逑图３－２左侧；淡水通量、蒸发、降水最大值发生月份的空间分布。右侧：月份的逡逑讳向平均逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－２邋Ｌｅｆｔ：邋Ｐｈａｓｅｓ邋ｏｆ邋ＥｍＰ（化Ｐ邋ｒｏｗ），邋Ｅ（ｍｉｄｄｌｅ邋ｒｏｗ）邋ａｎｄ邋Ｐ（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｏｗ）．民ｉｇｈｔ：逡逑Ｚｏｎａｌ邋ｍｅａｎ邋ｏｆ邋ｐｈａｓｅｓ．逡逑考察过去３０多年淡水通量的趋势变化，可发现淡水通量的空间差异很大，逡逑全球平均意义上呈现出明显的上升趋势。其中呈现出明显的上升趋势的区域位于逡逑赤道太平洋中部、２０°Ｎ邋Ｗ北的大西洋和太平洋、印度洋中东部＾＞１及南半球大陆逡逑东西两侧，而呈现出明思的下降趋势的区域位于图３－３标注的太平洋区域、逡逑印度洋北侧及西南侧、大西洋中部Ｗ及南大洋部分海域。太平洋为例，淡水通逡逑量趋势变化的空间分布主要与降水的空间变化有关（未展示），且在年际尺度上逡逑与ＥＮＳＯ的变化息息相关。通过计算发现，，去除掉季节信号的Ｉ到Ｖ区域平均逡逑的时间序列与同样同样处理的Ｎｉｎｏ３的时间序列存在一定的相关关系。相关系数逡逑分别为－０．６７、０．５８、０．４、－０．１３邋＾＾；及０．０８，即淡水通量上升的区域与ｎｉｎｏ３指数逡逑呈现负相关而下降的区域与ｎｉｎｏ３指数呈现正相关
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P461.2

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本文编号：2684879