ENSO对热带太平洋时间平均态的整流效应

发布时间：2017-11-10 12:37

  本文关键词：ENSO对热带太平洋时间平均态的整流效应

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【摘要】：自1976年以来,热带东太平洋海表温度SST (Sea Surface Temperature)表现出显著增暖的现象,而同时期ENSO (El Nino-Southern Oscillation)事件活动也明显增强了。这两者之间的因果关系近年来已成为国际上研究的热点和前沿问题。针对以上问题,本文使用了一个低阶非线性ENSO理论模型来模拟热带海气耦合系统,通过对比系统的时间平均态和对应的平衡态之间的差别,研究了ENSO对热带太平洋时间平均态的影响。借用物理学上“整流”的概念,我们把ENSO(年际变率)对热带太平洋时间平均态(年代际变率)的这种影响称为“整流效应”。本文所用的低阶理论模式很好地反映了热带大气海洋耦合系统的基本特征,也包含了ENSO的基本物理机制。在试验过程中,我们使用解析的方法求得了系统的平衡解,通过开展数值试验得到了系统的时间平均解。结果显示,数值模拟得到的ENSO循环特征与观测较为一致,且体现了ENSO的多样性和复杂性。通过观察平衡态随外强迫增加的变化,我们发现系统存在着一个ENSO的振荡区间。在这个振荡区间内,ENSO振幅对于外强迫增加的响应表现出先增大、后减小的特征。与此同时,系统的时间平均态和平衡态出现明显差异,且差异的大小与ENSO振幅大小之间成正比关系。时间平均态和平衡态之间的差异在海洋表面表现为海表温度SST的时间平均温度始终高于对应的平衡态温度；特别是在热带东太平洋,时间平均的SST增暖现象更加显著。海表SST纬向梯度的时间平均值对于外强迫增强的敏感度低于相应的平衡态,也是由于ENSO对热带东太平洋SST时间平均态的增暖作用导致的。次表层海水温度的时间平均态和平衡态之间的差异情况与东太平洋海表SST的情况类似,但差异更加显著。东太平洋上升流的时间平均强度弱于对应的平衡态强度；东太平洋温跃层时间平均深度比其平衡态深度更深；西太平洋温跃层时间平均深度则较其平衡态深度变浅。进一步分析显示,ENSO对热带太平洋时间平均态的整流效应,并不依赖于模式参数的选择,也和ENSO循环特征的多样性没有关系,属于振荡系统自身的一种“固有属性”。ENSO的整流效应本质上是由系统中的非线性作用引起的。而模式的非线性作用来源于两种情况：一是次表层海温的非线性参数化过程,二是热量平衡方程中的非线性平流项。通过引入次表层海温的线性参数化方案,并和对应的非线性参数化方案作比较,我们发现ENSO的整流效应和第一种情况没有关系。而通过数学物理方程的推导演示,我们发现东太平洋海表SST的时间平均态温度和平衡态温度之差,可以表示为一项非线性加热项(大小恒为正数),且它的数值正比于ENSO振幅的方差。数学公式推演的结果直接证明了正是非线性平流项的加热作用导致了ENSO对时间平均态的增暖效应。ENSO对时间平均态的整流效应还体现在ENSO冷、暖两种位相的非对称性上。研究发现,在系统振荡较规则的时期,非对称性主要表现为ENSO暖事件和冷事件持续时间的不同：而在振荡不规则的时期,非对称性主要表现为ENSO暖事件和冷事件振幅的差异。ENSO振荡系统更多地停留在较暖的位相的一侧(对应了一个更暖的热带东太平洋和一个减弱的SST纬向梯度的情况),可能是因为在暖事件这一侧,耦合系统所感受到的“热压力”更小、系统更加稳定。理论模式的结果揭示了ENSO对热带太平洋时间平均态的整流效应,阐明了ENSO事件在热带太平洋气候平均态的形成过程中的角色。我们由此指出,最近几十年来热带东太平洋年代际增暖的现象可能更多的是同时期ENSO事件活动增强导致的结果,而不是导致后者出现的原因。同时关于实际观测中很难检测到人类活动强迫导致的海表SST纬向梯度的变化趋势的情况,也是由于ENSO事件对热带东太平洋海表SST的增暖作用导致的。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P732

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