北半球中高纬度季节非对称性增温机制研究

发布时间：2018-03-27 21:41

本文选题：干旱半干旱区　切入点：季节非对称性增温　出处：《兰州大学》2017年博士论文

【摘要】：本论文通过观测资料和CMIP5未来情景预测的全球温度资料,分析了北半球中高纬度地区以冬季显著增温为主的季节非对称增温现象在未来的变化趋势,研究发现,未来增温过程仍然以冬季显著增温为主,而且季节增温的非对称性有增大趋势。以此为切入点,本论文分析了增温过程中,陆地显著增温后对海陆热力差异的改变,并进一步分析了冬季和夏季海陆热力差异变化对阻塞的发生频率和持续时间的影响,进而分析阻塞变化在季节非对称性增温中的作用。研究发现西伯利亚森林地区在增温过程中出现常绿针叶林向落叶针叶林入侵的现象,造成地表反照率显著减小,是产生局地加速增温的另一重要因素。近十几年,全球平均温度增温减缓期间,西伯利亚地区冬季出现显著的冷却趋势,对常绿针叶林的扩张是一种挑战,但本论文利用卫星观测数据在大尺度范围验证了这种现象在增温停滞期间仍然存在。最后,利用以个体为基础的林窗森林模型(UVAFME)讨论了常绿针叶林扩张对温度的年代际振荡的敏感性。主要结论包括以下几个方面:(1)以冬季显著增温为主要特征的季节非对称性增温现象在21世纪仍将继续存在,并且季节增温差异有逐渐增大的趋势。然而,这种现象并不是在全球普遍存在,主要发生在北半球中高纬度。对比观测资料和CMIP5多模式集合平均的未来情景预测结果发现,模式对季节非对称性增温现象的空间分布模拟较差,主要是由于对北半球高纬度地区增温趋势的高估和对北半球中纬度地区增温趋势的低估。尽管模拟结果对季节非对称性增温的程度存在严重低估,但成功模拟出了冬季和夏季的增温差异。(2)利用“COWL”分布型的关键区温度距平定义冬季海陆热力差异指数(land-sea index,LSI),发现随着20世纪后半叶的冬季显著增温,冬季海陆热力差异指数逐渐升高,并在1980s年代从负位相转变到正位相。根据Charney提出的阻塞多平衡态理论,纬向非对称热力强迫的改变会造成低指数环流(阻塞型)和高指数环流(平稳型)之间的突变。合成分析表明在LSI正位相时,中高纬度经向海平面气压梯度、500hPa经向位势高度梯度均加强,有利于西风增强;行星波活动加强,其产生的EP通量辐合强度减弱,进而加速西风。对冬季阻塞事件的统计发现,阻塞天数在LSI正位相时明显减少。在大西洋地区,阻塞天数的减少主要是由于阻塞的持续时间缩短了38%;在欧洲地区,近一半的长阻塞事件(10天以上)提前消亡,转变成短阻塞事件(5-9天)。太平洋地区由于大地形等复杂影响,阻塞天数无明显差异。西风和阻塞对海陆热力差异变化的响应,进一步加强了内陆地区的增温,形成正反馈机制,加速增温进程。(3)夏季海陆热力差异指数在20世纪后半叶也表现为增加趋势,但其约是冬季海陆热力差异指数变化趋势的一半。与冬季反馈机制不同,本论文提出了夏季阻塞,海陆热力差异与双急流结构之间存在的正反馈机制。夏季海陆热力差异增大后,行星波在高纬度(60oN以北)中高层EP通量辐合减小,导致西风正异常。当海陆热力差异指数处于较大正距平时,双急流结构出现,两个急流中心之间出现较弱的西风,并且狭小的通道导致波数为6-8波的自由行星波更容易被阻塞高压捕获,通过共振,加强已有的阻塞的振幅或频率。合成分析结果表明夏季阻塞频率有所增加,但是平均持续时间有所减少。5-9天的短阻塞在正位相下显著增多,而10天以上的长阻塞稍微增多,但其持续时间有所减少。增多的夏季阻塞事件引起更多的高温热浪,进一步增加海陆热力差异。但因为夏季行星波活动强度较弱和双急流结构需要海陆热力差异处于较大正异常时才会出现,所以夏季反馈机制比冬季要弱得多。(4)西伯利亚森林在经过20世纪后半叶显著的加速增温时期,已有野外观测实验和模式模拟结果支持常绿针叶林的扩张,但是一直缺少大尺度范围内的直接观测证据。本论文利用多种卫星观测资料,相互验证,发现在2001-2012年间,常绿针叶林可能在中西伯利亚扩张了近10%,落叶针叶林缩减了近40%。尽管由于分类算法的不确定性很大,面积变化可能存在较大误差,但常绿针叶林的扩张趋势是真实存在的。因为2001-2012年正处于增温减缓时期,西伯利亚地区冬季出现气候系统内部年代际振荡造成的强烈的冷却趋势,因此,本论文利用个体森林模型(UVAFME)进一步研究常绿针叶林扩张对年代际温度振荡的敏感性。模拟发现,由于常绿针叶林和落叶针叶林之间的转换存在迟滞响应突变,年代际温度振荡产生的冷却并不能使常绿针叶林的扩张停止或倒退。依赖森林系统的稳定性,常绿针叶林在增温过程中大幅扩张的临界温度和在降温过程中大幅缩减的临界温度并不相同。因此,长期的全球变暖令常绿针叶林扩张一旦开始,年代际振荡造成的冷却趋势并不能让常绿针叶林停止扩张,这与观测结果一致。
[Abstract]:In recent ten years , this paper analyzes the effects of seasonal asymmetric warming on the occurrence frequency and duration of seasonal asymmetric warming , and further analyzes the effect of winter and summer sea - land thermodynamic differences on the occurrence frequency and duration of the seasonal asymmetry . According to Charney ' s theory of multi - equilibrium state , there is no significant difference in the thermal difference between the two rapids . ( 4 ) In the period from 2001 to 2012 , it was found that the cooling trend of evergreen coniferous forest could not stop or reverse the expansion of evergreen coniferous forest in the period of 2001 - 2012 .

【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P423

【参考文献】