基于突变过程理论的全球大气海洋热力特性研究

发布时间：2018-04-02 05:18

本文选题：气候突变过程　切入点：突变变率　出处：《兰州大学》2016年博士论文

【摘要】：气候系统是一个复杂的非线性系统,其演化并非总是一成不变的,存在突然变化的情况,即由一个平稳的状态跃变到另一个平稳的状态,这种突然变化的现象称之为气候突变。在以往关于气候突变的研究中,通过检测某一个时刻前后系统的统计差异来判断是否发生突变,这种突变的研究将突变事件简单的考虑为一个“点”。一旦将突变定义为一个“点”,便失去了突变的动力学演化过程,因此诸多的气候模式对于突变的预测是无能为力的。实际的气候系统发生突变的时候是存在一定的持续过程的,包括系统偏离原来的稳定状态、在两个稳定状态之间的过渡以及到达另一个状态。气候突变过程的研究更突出强调突变事件自身的属性,重点分析气候系统在突变过程中的统计特征,这区别于传统的关于突变“点”的研究。本文提出气候突变过程分析方法主要针对气候系统在不同稳定状态之间的过渡过程展开研究,该方法基于一个非线性生物学模型从气候序列中提取出突变过程。突变过程用一系列的参数进行表征,包括气候系统发生突变前的“初始状态”、发生突变后的“末状态”、反映从初始状态到末状态之间过渡快慢的“突变变率”,以及表征系统在这个突变过程中是否稳定的“稳定性参数”。其中初始状态和末状态之间的差值即为“突变幅度”、从初始状态到末状态经历的时间为“突变持续时间”。通过理论推导和实际气候序列的验证发现“突变变率”与“稳定性参数”的一次方、“突变幅度”的二次方之间存在正比例函数关系,这一定量关系解释了气候突变发生时往往“速度快、幅度大”的现象。分析突变过程中的参数,能够最大程度的还原气候突变过程。考虑到近几十年全球温度持续上升,并且温度场被检测到发生多次突变。因此将气候突变过程分析方法应用于全球大气、海表温度的气候突变研究,考察海气系统气候突变的规律。并考虑到海洋蕴藏的巨大热量可能是推动全球性气候突变事件的主要原因,因此展开对次表层海水热含量的分布特征、演化规律的研究,以探讨其对推动气候突变的可能。最后根据气候突变过程的原理,引申出对时间序列转折点位置的预测方法,并应用于气候指数的突变预测。主要结论如下:(1)提出气候突变过程分析方法,实现对突变过程的还原。气候突变过程分析方法可以从实际气候序列中提取反映气候突变过程的参数,其中“初始状态”和“末状态”表示的是气候系统在突变前后的两个状态。在突变持续时间未知的情况下,只能从实际序列中截取一段来分析子序列中的“初始状态”和“末状态”,当截取过程由序列开始逐渐推进到序列末尾的时候,可以得到一系列的“初始状态”和“末状态”。这些突变前后不同的“状态”可以绘制在一起构造相空间散点图,称之为“始-末状态”相图。相图能够直观的展示气候突变过程,相图中散点构成的连续的竖线表示系统逐渐脱离原来状态,连续的横线表示系统逐渐到达新的状态,而连续的斜线则表示系统处于突变过程之中。通过将该方法分别应用于理想时间序列和实际气候序列的研究,验证了方法的有效性和适用性。(2)研究全球大气温度的突变与突变过程。将气候突变过程分析方法应用于全球大气温度的研究,当检测序列为1979-2012年(ncep-2,短时资料)时,三次突变分别开始于1987-1992年、1997-2000年和2000-2004年;当检测序列为1948-2012年(ncep-1,长时资料)时,三次突变分别开始于1950s末、1970s末和1990s末。上述两种不同时间尺度的序列检测到的突变开始时刻的差异性表明突变的标准是一种相对量。如1987-1992年的突变(由于程度较小)在短时资料中被检测出来、长时资料中没有检测到;1997-2000年和2000-2004年的两次突变在长时资料的检测中则认为属于1990s末的一次突变。特别研究了能够反映大气变化特征的500hpa温度场的突变,其中:1986-1994年全球降温0.33℃;1956-1959、1970-1979和1994-2004年全球增温,幅度分别为:0.37、0.16和0.23℃。而空间分布上“突变幅度”由高纬度至低纬度呈递减分布,并且统计结果表明温度越高“突变幅度”越大。而“稳定性参数”在气候系统处于突变过程中的时候异常偏大,这表明系统发生突变的时候是不稳定的。(3)研究全球海表温度场的突变与突变过程。基于气候突变过程分析方法,研究近百年来海表温度的几次突变,突变主要开始于1878年、1942年、1976年(三个时刻)和1890-1920年、1990-2010年(两个时段)。其中19世纪的突变主要发生在印度洋,20世纪突变主要发生在太平洋,20世纪末主要发生在极地高纬度地区。突变持续时间在1942年之前偏长(5-10年),1942年以后的突变持续时间偏短(5年左右,其中1976年的突变持续时间约5-8年)。1942年之前的突变以降温为主,之后以增温为主。(4)研究全球海水热量的时空变化特征,探究可能的突变机理。基于温度盐度资料,计算得到不同深度的总体海水热含量,研究发现表层(0-80米)热含量低纬度地区高于中纬度地区,而80米以下,中纬度地区要高于低纬度地区。且底层(1500米)印度洋和大西洋的热含量要高于太平洋地区。不同时段来看,总体海洋热含量趋势在1970年之前显示负异常,1970年之后显示正异常。垂直方向上海水热含量受太阳辐射影响由上至下呈现由高频到低频的变化特征,水平方向印度洋、太平洋、大西洋的热含量由于地形差异也呈现由高频到低频的变化特征。水平方向的热量传输,三大洋之间的热量在80年代存在一次显著的年代际转折,太平洋和印度洋的热量向大西洋输送显著性增加。垂直方向的热量传输,在1970年左右海洋中下层的热量向表层输送,造成1970年以后表层热量显著性增加,这有可能是导致70/80年代全球气候发生调整的主要原因。(5)研究热带太平洋表层温度、盐度在大气和海洋突变中的指示作用。通过研究海表温度、海表气压、垂直风速、水平风速以及海表降水,发现海表温度偏高的区域,海表气压偏高,垂直上升的风速偏大,与之对应的海表降水显著偏多,而降水偏多引起对应海表区域盐度偏少,即海表温度增加间接导致盐度减少。温度、盐度与热含量之间呈现正比例函数关系,温度的增加引起热量的增加、盐度的减少引起热含量减少。因此通过温度、盐度对热量的调节作用将形成负反馈过程,而构造的温度盐度循环示意图则对这种负反馈系统产生很好的指示。研究表明循环持续时间约3-8年,并且随着全球增暖循环持续的时间呈逐渐减少的趋势。结果还显示在1970s初和1990s末的两次温度盐度循环与其他时段相比出现异常,而该时段恰恰是气候突变发生的时段,这表明温度盐度循环能够对气候突变产生一定的指示作用。(6)太平洋年代际振荡指数序列转折位置预判。依据突变过程分析方法中提出的“突变变率”、“稳定性参数”、“突变幅度”之间的定量关系,引申出气候突变预测方法。该预测方法识别出气候系统突变前的“开始状态”,以及通过气候系统的发展趋势提取出“突变变率”,并根据历史资料判别系统的“稳定性参数”,从而依据上述定量关系判别出系统突变后的“末状态”。基于近100年的太平洋年代际振荡指数资料,检测出在2011年5月开始了一次突变,此次突变正在偏离原来的状态。依据预测方法判断此次增加型的突变有望在2017年之前结束。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P461.2

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