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

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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

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

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