基于信息论的海气系统信息传输特征研究

发布时间：2017-03-29 21:00

  本文关键词：基于信息论的海气系统信息传输特征研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海气相互作用是大气运动和气候变化的驱动力之一。海气相互作用过程中伴随着能量和质量传输,且伴随发生相应的信息传输。海气系统的信息传输指海气系统的状态信息在海洋与大气之间的相互传输。本文针对海气系统信息传输这个核心问题,基于海表温度与850hPa位势高度、75m和700m深度海水温度,探讨海气系统信息传输的空间模态和垂直特征,建立海气系统信息传输的全局图像,并讨论海气系统信息传输的季节和年代际变化特征。在此基础上,提取信息传输的海表关键区,构建海表温度影响大气的共同作用模型,并基于热带中东太平洋与低纬度大气信息传输分析,揭示ENSO信息传输的不对称性,从海气系统信息传输这样一个新的视角探讨海气间相互作用。本文的主要研究结论如下：(1)海气系统信息传输的空间模态与垂直结构。海表温度和850hPa位势高度之间的信息传输而言,热带海洋是信息源,中纬度海洋处于信息传输平衡,中纬度大气、热带东太平洋上空大气和东亚南部上空大气是信息汇。海表温度与75m深度海水温度之间的信息传输而言,热带中东太平洋海表是信息源,北半球中纬度海表是信息汇,南半球中纬度海表处于信息传输平衡,75m深度热带中东太平洋、北大西洋和北美大陆西海岸海域是信息源,60°N以北的北半球高纬度海洋和30°S-60°S的南半球中纬度海洋是信息汇,北半球中纬度海洋处于信息传输平衡。海表温度与700m深度海水温度之间的信息传输而言,热带中东太平洋海表是弱信息源,北半球中纬度海表是信息汇,南半球中纬度和热带其他海域海表处于信息传输平衡,700m深度海水温度主要呈现信息源特征。总体而言,海气系统信息传输的垂直特征主要变现为：位势高度的输入信息从低层到高层逐渐衰减且不同纬度上衰减速度不一致,赤道上衰减最快,海水温度的输入信息随着深度的增加呈现逐渐减弱的趋势,但各纬度的差异并不大,海水温度的输出信息随深度的变化并不明显但不同纬度上的差异却比较显著。(2)海气系统信息传输的全局图像。热带中东太平洋海表从太阳短波辐射中接收信息之后,一方面通过向热带大气传输信息,最终将信息传输到中纬度大气,另一方面,向下层海洋传输信息,再通过西边界加强流等暖流传输到中纬度海表,从而中纬度海表与中纬度大气形成信息传输平衡,更深层的海洋通过关键洋流对海表形成信息传输,或者与海表处于信息传输平衡。(3)海气系统信息传输的季节变化。海气系统信息传输的季节变化集中体现为夏季北半球(冬季南半球)海洋向夏季南半球(冬季北半球)大气输出信息。850hPa位势高度与海表温度的信息传输中,对于海洋而言,夏季北半球海洋输出信息较多,冬季南半球海洋和热带海洋输出信息较多,而春、秋季则表为热带海洋输出信息较多,即海洋输出信息分布的中心随太阳直射点的变化很明显,这表明了输出信息强度与海洋吸收的太阳短波辐射能量相关。对于大气而言,夏季南半球大气输入信息较多,冬季北半球大气输入信息较多,春、秋季大气输入信息的分布大致关于赤道对称,表明位于冬季北半球(夏季南半球)的大气输入较多信息,这与位于冬季北半球(夏季南半球)的低纬度海洋释放更多的潜热一致。75m深度海水温度与海表温度的信息传输中,对于海表而言,夏季北半球海表输入信息较多,冬季南半球海表输入信息较多,春、秋季均为北半球海表输入信息较多,表明北半球的北太平洋和北大西洋在维持全球气候系统能量平衡中重要作用。对于75m深度海温而言,夏、秋季北半球海洋输出信息较多,冬、春季南半球海洋输出信息较多。表明75m深度海洋输出信息强度与海洋吸收太阳短波辐射能量多少的关系明显。700m深度海水温度与海表温度的信息传输中,海水温度输出信息主要分布在热带低纬地区,海表温度输入信息分布的中心随太阳直射点变化的特征比较明显。海气系统信息传输的季节变化幅度在850hPa位势高度上最显著,75m深度海水温度次之,700m深度海水温度最弱,中纬度850hPa位势高度、海表温度、75m和700m深度海水温度的季节变率在垂直方向上的强弱变化能解释这这个特征。(4)ENSO信息传输的不对称性。El Nino、La Nina 及 Neutral位相下均是以海洋输出信息、大气输入信息为主要特征,且海洋和大气输入和输出信息的空间分布型较类似。相对Neutral状态而言,El Nino和La Nina状态下,海洋和大气输入和输出的信息均较强；La Nina状态相比El Nino状态,海洋与大气输入和输出的信息要稍强。通过重排滑动随机抽样方法分析了热带中东太平洋与其上空大气信息传输强度与海温异常的关系,重点分析了热带中东太平洋与其上空大气信息传输的不对称性。揭示了海洋对大气的信息传输随海温距平的变化可以分为类La Nina、类Neutral及类El Nino三个阶段：类La Nina阶段,随着冷海温的减弱信息传输逐渐减弱；类Neutral,冷海温向暖海温的过渡过程,信息传输并不存在显著的变化趋势；类El Nino,随着暖海温的增强信息传输逐渐增强。热带中东太平洋与其上空大气信息传输的不对称性更表现为类La Nina和类El Nino阶段信息传输与海温异常之间建立线性关系的阈值和线性趋势程度的不对称。此外,大气对海洋的信息传输随海温的变化与海洋对大气的信息传输随海温的变化类似,即海洋对大气信息传输较强时,大气对海洋的信息传输同样较强,反之亦然,并且大气对海洋的信息传输随海温的变化同样存在不对称性。(5)海气系统信息传输的年代际变化。1979/1980年前后,冬季热带中东太平洋赤道附近海域、热带东南印度洋和热带西北印度以及热带北大西洋信息传输增强,热带中东太平洋赤道外海域、热带东北印度洋到热带西南印度洋以及热带南大西洋信息传输减弱。夏季,热带中东太平洋赤道附近海域信息传输增强,赤道外海域信息传输减弱,但10°S以南分布着一个输出信息增强的正值中心,赤道东印度洋和热带西北印度洋信息传输增强,热带东北印度洋和热带南印度洋信息传输减弱,热带大西洋信息传输的变化与夏季相同。20世纪70年代后,冬季和夏季大气信息传输的变化呈现出不一致性,南半球在冬季和夏季均以信息传输增强为主要特征,而北半球只有欧亚大陆信息传输冬季和夏季均减弱,而其他区域表现出冬季信息传输减弱,夏季信息传输增强的特征。信息传输的年代际变化与标准差(年际变率)的变化之间存在较好的对应关系,并且这种关系在海洋与大气,冬半年与夏半年之间均得到很好的维持。海气系统自身的年代际变化表现为：1979/1980年以前,PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)为负位相,之后转变为正位相,并且1979/1980年以后,海洋上层显著性增暖；20世纪70年代后,热带地区位势高度场显著增强,这与高度场对全球变暖的响应有关,但同时冬半年阿留申低压显著增强是另一个显著特征；对于发生在海气界面的通量过程而言,湍流热通量(主要是潜热通量)在北太平洋显著增大,全球其他海域以减小为主。不仅海气系统的气候态发生显著变化,海气系统年际变率的变化也很显著：海洋年际变率在1979/1980年以后显著增强,但热带中东太平洋部分地区变率减弱,并沿赤道呈对称分布,这可能是1970s后ENSO影响减弱的重要因素；大气年际变率的变化主要体现为冬季北半球年际变率减弱,南半球年际变率增强,夏季全球尺度变率显著增强,欧亚大陆例外。(6)海表关键区的共同作用。在海气系统信息传输特征研究的基础上,提取海表层信息传输较强的十三个海表关键区,基于海表关键区海温指数对全球850hPa高度场的信息传输,提取大气关键区——热带东印度洋。利用信息传输和线性回归分别挑选对热带东印度洋高度场影响较大的海表关键区,利用冬季海温指数与同期、后期的全球海温、850hPa高度场的相关,建立海表关键区的共同作用模型,提出了冬季全球海温一个可能的配置模态：当PDO正(负)位相时,与其匹配的SPDO为正(负)位相,赤道中东太平洋年代际尺度为暖(冷)海温,易于出现El Nino(La Nina)事件,热带印度洋偏暖(冷),南印度洋易出现SIOD正(负)位相,北大西洋偏冷(暖),次年全球气候被El Nino(La Nina)所主导,海洋大陆到热带北印度洋上空东风异常偏强(热带印度洋到中国东部上空南风异常偏强)。
【关键词】：海气相互作用 信息传输 传递熵 信息源(汇) 热带海洋 中纬度 全局图像 季节变化 潜热通量 季节变率 年代际变化 年际变率 ENSO 不对称性 共同作用
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P732.6
【目录】：

• 中文摘要3-7
• Abstract7-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 海气相互作用的研究进展15-17
• 1.2 信息论与信息科学17-21
• 1.2.1 信息论的基本概念18-21
• 1.2.2 信息科学21
• 1.3 信息论与气象学21-24
• 1.4 问题的提出24-25
• 1.5 研究内容和章节安排25-26
• 1.6 论文的创新性26-27
• 第二章 资料和方法27-33
• 2.1 资料27-28
• 2.2 方法28-30
• 2.2.1 传递熵28-29
• 2.2.2 信息源特征度、信息汇特征度分布以及传输平衡特征度29-30
• 2.2.3 信息传输30
• 2.3 关于全文中数据处理的说明30-33
• 第三章 海气系统信息传输的全局图像33-51
• 3.1 前言33
• 3.2 海气系统信息源汇的空间模态33-43
• 3.2.1 海表温度和850hPa位势高度34-37
• 3.2.2 海表温度和75m深度海水温度37-40
• 3.2.3 海表温度和700m深度海水温度40-43
• 3.3 海气系统信息传输的垂直结构43-45
• 3.4 海气系统信息传输的全局图像45-46
• 3.5 对一些技术问题的讨论46-48
• 3.5.1 特征度的概率密度函数46-47
• 3.5.2 阂值的选择对结果的影响47-48
• 3.5.3 水平分辨率48
• 3.6 本章小结48-51
• 第四章 海气系统信息传输的季节变化51-71
• 4.1 引言51-52
• 4.2 海气系统信息传输的季节变化52-64
• 4.2.1 海表温度和850hPa位势高度52-57
• 4.2.2 海表温度和75m深度海水温度57-61
• 4.2.3 海表温度和700m深度海水温度61-64
• 4.3 湍流热通量的季节变化64-67
• 4.4 垂直方向上季节变率的变化67-68
• 4.5 本章小结68-71
• 第五章 基于海表关键区的信息传输年代际特征71-91
• 5.1 前言71
• 5.2 1979/1980年前后关键气候要素的对比71-80
• 5.2.1 海表温度72-73
• 5.2.2 75m深度海水温度73-75
• 5.2.3 850hPa位势高度75-77
• 5.2.4 湍流热通量77-80
• 5.2.5 小结80
• 5.3 信息传输的年代际变化80-87
• 5.3.1 热带中东太平洋81-84
• 5.3.1.1 冬季81-82
• 5.3.1.2 夏季82-84
• 5.3.2 热带印度洋84-85
• 5.3.3 热带大西洋85-87
• 5.4 信息传输年代际变化与气候系统年代际变化的联系87-88
• 5.5 本章小结88-91
• 第六章 ENSO信息传输不对称性91-101
• 6.1 引言91-92
• 6.2 数据和方法92-93
• 6.3 不同ENSO位相下信息传输的空间特征93-95
• 6.4 信息传输的不对称关系95-100
• 6.4.1 海洋对大气信息传输的不对称性96-99
• 6.4.2 大气对海洋信息传输的不对称性99-100
• 6.5 本章小结100-101
• 第七章 海表关键区的共同作用101-125
• 7.1 引言101
• 7.2 基于信息传输的海表关键区与大气关键区的初定101-103
• 7.3 基于共同作用的海表关键区进一步选择103-110
• 7.3.1 基于信息传输的海表关键区选择104-106
• 7.3.1.1 单个海表关键区对热带东印度洋高度场的信息传输104-105
• 7.2.1.2 两个海温关键区对热带东印度洋高度场的信息传输105-106
• 7.3.2 基于线性回归的海温关键区选择106-110
• 7.3.2.1 单个海表关键区海温对热带东印度洋高度场的回归106-108
• 7.3.2.2 多海表关键区海温对热带东印度洋高度场的回归108-110
• 7.3.3 基于信息传输和线性回归海表关键区选择的对比110
• 7.4 共同作用模型的建立及对其机制的解释110-123
• 7.4.1 线性回归模型的建立110-112
• 7.4.2 共同作用模型的建立与概念模型112-123
• 7.4.2.1 南太平洋和赤道中太平洋的共同作用112-118
• 7.4.2.2 南印度洋偶极子与赤道印度洋118-121
• 7.4.2.3 北大西洋Ⅲ121-123
• 7.4.3 概念模型123
• 7.5 本章小结123-125
• 第八章 总结、讨论和展望125-131
• 8.1 总结125-128
• 8.2 讨论和展望128-131
• 参考文献131-145
• 在学期间的研究成果145-147
• 致谢147-148

【参考文献】

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