全球变暖背景下热带太平洋的响应及其机制-物理海洋专业论文.docx

全球变暖背景下热带太平洋的响应及其机制摘要观测、再分析和模式资料均证实，从 19 世纪末开始全球气候逐渐增暖，并 在世界范围内产生重要影响。热带太平洋是热带海洋中面积最宽广、海-气耦合 现象最显著的区域，研究热带太平洋对全球变暖的响应，不仅有助于加深对热带 太平洋海-气耦合物理过程的认识，同时也是评估和理解全球变暖对气候影响的 重要环节。本文利用全球海气耦合模式 CAM3.1-1.5RGO，从平均态（SST）、变 率（ENSO）和遥相关（热带北大西洋的作用）三个方面详细探讨了全球变暖对 热带太平洋的影响。平均态方面，解决了模式中关于热带太平洋 SST 平均态响应类型的争议。 研究表明，热带太平洋在 CO2 加倍的场景（全球变暖场景）下呈现出明显的类 厄尔尼诺型（El Ni?o-like）增暖。利用混合层的热收支、热通量项的分解、潜热 项的分解等分析方法，研究发现该响应反映出海洋对于大气沃克环流减弱的调整。 其中，在热带西太平洋，大气的热通量项起到主要的加热效果，且大部分被海洋 层结加强引起的垂向卷夹冷却所抵消；而在热带中、东太平洋，海洋的水平输运、 长波辐射和潜热通量是主要的加热项，相对的，垂向卷夹、短波辐射和水平耗散 项起到冷却效果。该结论（类厄尔尼诺型增暖）与 CZ 耦合模式的结论（类拉尼 娜型增暖）完全相反，经过对比研究表明，二者最核心的差异在大气部分，尤其 是大气的热通量和云物理过程。因此在模式的模拟中，大气部分将对热带太平洋 SST 平均态的变化起到主导作用，一旦大气部分（尤其是云物理过程和辐射通量） 可以模拟的较好，就会出现类厄尔尼诺型增暖。变率方面，详细阐述了厄尔尼诺事件中 SSTA 的传播方向和极端厄尔尼诺事 件在全球变暖背景下的变化及其机制。通过不同 CO2 浓度的三组数值实验（CTRL、 2CO2、4CO2）研究表明，热带太平洋背景场的变化会导致 ENSO 事件一系列统 计特征的变化。在 CO2 浓度更高的场景下，首先，ENSO 逐渐向更长的周期偏转 且振幅有所减弱。借助 BJ index 分析表明，该现象起源于赤道太平洋海-气耦合 系统抑制效果的增长（平均水平输运+热力抑制+海洋调整抑制）超过了促进效I果的增长（纬向平流反馈+温跃层反馈+Ekman 反馈）。其次，随着 CO2 浓度的增高，厄尔尼诺事件中 SST 异常的传播方向更多的表现为向东传播。根据热收支 分析和 BJ index 研究发现，温跃层反馈主导 SST 异常的向东传播，纬向平流反 馈主导 SST 异常的向西传播，Ekman 反馈作为结果项，与 SST 异常的传播方向 一致。而在全球变暖的背景下，主导东传的温跃层反馈所占的比重不断增大，主 导西传的纬向平流反馈不断减小，造成东传事件增多。相关分析表明，以上各反 馈过程的变化均可以归结到背景场平均态的变化上，即背景流场和风场的减弱， 是东传事件增多的根本原因。第三，在 CO2 浓度更高的场景下，极端厄尔尼诺 事件更多。该现象与赤道太平洋背景 SST 的纬向梯度、经向梯度减弱，ITCZ 南 移以及大气对于海洋加热强迫更加敏感有关。此外，ENSO 振幅的减弱与极端厄 尔尼诺事件的增多共同表明，在全球变暖的背景下，较小的 SST 异常就足以引 起较强的厄尔尼诺事件，产生更大的气候影响。遥相关方面，揭示了全球变暖背景下热带北大西洋对热带太平洋影响的变化 及其机制。利用不同 CO2 浓度场景下（CTRL、2CO2、4CO2）的集合实验研究 表明，热带北大西洋 1 月份的增暖会在接下来的秋、冬季诱导出热带太平洋的类 拉尼娜型响应，且该响应在全球变暖的背景下有所减弱。其机制如下：随着 CO2 浓度的增高，春季热带东太平洋形成的 SST 偶极子（北暖南冷）无论在强度还 是形状上均与变暖前差异不大。但在随后的夏季中，由于 ITCZ 更加偏向于赤道， 限制了东南风异常的向北扩展以及海洋的动力过程，导致 SST 的冷异常减弱。 而夏季作为整个类拉尼娜型海温响应的起点，变弱的 SST 冷异常意味着变弱的 SST 纬向梯度和 Bjerknes 正反馈过程，导致秋季 SST 冷异常的增长强度变小。 与之相应的，SST 冷异常西侧的东风异常减弱，造成垂向流的变化减弱，叠加在 背景的垂向温度梯度上，形成减弱的垂向对流输运，一方面限制了 SST 冷异常 的向西扩展，另一方面也减弱了冬季 SST 冷异常的最大值。同时，背景 SST 纬 向梯度的减弱造成异常纬向流对平均温度的输运减弱，以及背景经向流、经向温 度梯度变化的减弱造成的平均经向流对温度变化的输运减弱，分别也在阻碍 SST 冷异常向西扩展和 SST 冷异常局地增强中起到重要作用。关键词：全球变暖；热带太平洋；SST；ENSO；热带北大西洋；BJ index；热收 支分析II