全球海平面变化的热力学机制研究

论文摘要

本文利用TOPEX/Poseidon（T/P）卫星高度计资料,分析了全球海平面变化规律,利用Ishii（2005）的温度、盐度资料计算了热比容、盐比容海平面高度,分析了比容海平面的变化规律及它们在不同时间尺度上对海平面变化的贡献。利用POP模式做了六个数值试验,模拟研究了在不同热力强迫条件下的海平面季节变化特征,探讨全球海平面季节变化的热力学机制。主要结论如下:北半球,T/P海平面的季节变化主要由比容变化引起,二者季节变化的振幅和位相几乎相同,比容对T/P高度的季节变化贡献为92%;北大西洋盐比容海平面从2000年后有显著的下降趋势,北印度洋盐比容海平面有明显的季节变化。从长期趋势来看,T/P海平面的上升速率为2.22 mm/yr,比容海平面为0.97 mm/yr,比容对T/P海平面上升趋势的贡献为44%,其中热比容海平面上升速率为1.48 mm/yr,盐比容海平面为-0.52 mm/yr。南半球,季节尺度上比容海平面和T/P海平面基本同位相,但比容海平面年振幅大于T/P海平面,非比容因素与比容因素对总的海平面变化的作用相反,且贡献较显著;长期尺度上T/P海平面的上升速率（3.85 mm/yr）大于比容海平面（1.30 mm/yr）,比容海平面上升速率的贡献（34%）小于北半球,其中热比容海平面的上升速率为1.1 mm/yr,盐比容海平面为0.21 mm/yr。热带海区,T/P海平面和比容海平面都表现出显著的年际变化,97/98年间两者都有明显的下降,具体体现为在太平洋下降而在大西洋和印度洋海平面是上升的。热带海区年周期和半年周期变化也显著,T/P海平面的年周期振动在位相上滞后比容海平面3-4个月,振幅大于比容海平面,但半年周期的振动则相反,位相上T/P海平面超前比容海平面2-3个月,比容海平面的振幅上也大于T/P海平面。1993-2003年全球T/P海平面的线性上升速率为2.89mm/yr,热比容海平面的上升速率1.22mm/yr,盐比容海平面接近0,比容对T/P海平面上升的贡献为42%。太平洋,比容变化是海平面变化的主要影响因子,其中热带太平洋比容的贡献最大（72%）;北大西洋,热比容海平面的上升速率（2.49 mm/yr）同盐比容（-2.48 mm/yr）量级相当,但作用相反;非比容因素对海平面趋势变化的贡献在大西洋及印度洋的南半球海域要大于比容作用。从比容变化角度来看,除北大西洋外,热比容的作用比盐比容作用大得多。1993-2003年间比容海平面的年变化振幅的空间分布和T/P海平面较一致,北半球的T/P海平面年振幅大于南半球,最大振幅出现在黑潮及其延伸体附近,其核心值为15cm。1993-2003年T/P海平面变化经验正交函数分解（EOF）的第一模态（24.4%）是季节模态,第二模态（18.1%）为ENSO模态,比容海平面的EOF第一模态（29.3%）也是季节模态,第二模态（13.9%）是ENSO模态。1950-2003年的热比容海平面具有20年左右的显著周期变化,1970年前后开始明显的上升。全球平均的热比容的上升速率为0.29 mm/yr,盐比容为0.03 mm/yr;其中北大西洋的热比容上升最快,为0.78 mm/yr。过去50年全球热比容海平面的第一模态（EOF1）（29.5%）为ENSO模态,第二模态是PDO模态,与副热带环流的变化有关。利用POP模式研究了不同海表热力强迫对海平面季节变化的影响。通过与T/P海平面以及Ishii温盐资料计算得到的比容海平面季节变化进行分析对比,发现在海表风应力、热通量和淡水通量强迫下,海平面及比容海平面的季节变化特征较显著,与T/P海平面的标准差在中低纬度有较大差异,在北半球的中高纬度一致性较好。没有海表热通量的强迫,海表温度会变低,海表盐度严重失实,海平面的季节变化特征不显著。如果海表热通量没有季节变化特征,海平面的季节变化特征也不显著,说明海表热通量季节变化特征决定着海平面季节变化。海表淡水通量对海平面季节变化也有一定影响,但不及海表热通量显著,其季节特征对部分海域海平面的季节变化有一定影响,对太平洋影响不大。海表温度升高后,对北半球高纬海域的海平面季节变化影响非常显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 前言
• 1.1 海平面变化研究的意义
• 1.2 海平面变化研究的历史及现状
• 1.2.1 海平面变化规律
• 1.2.2 海平面变化机制分析
• 1.2.3 海平面变化的数值模拟
• 1.3 本文拟研究的问题
• 2. 数据来源和研究方法
• 2.1 数据来源
• 2.1.1 卫星高度计资料
• 2.1.2 Ishii（2005）温度、盐度资料
• 2.1.3 WOA05 温度、盐度资料
• 2.1.4 Hellerman and Rosensterin风场资料
• 2.2 分析方法
• 2.2.1 随机动态分析预测方法
• 2.2.2 比容高度模型
• 2.3 海洋环流模式POP介绍
• 2.3.1 控制方程及边界条件
• 2.3.2 差分方法
• 2.3.3 次网格参数化
• 3. 全球及东中国海海平面变化规律及比容变化的影响
• 3.1 全球近10 年海平面变化规律分析
• 3.1.1 全球T/P海平面以及比容海平面季节变化规律
• 3.1.2 年周期振幅的空间分布特征
• 3.1.3 海平面的时空变化特征
• 3.1.3.1 T/P海平面
• 3.1.3.2 比容海平面
• 3.1.4 全球近10 年海平面长期变化趋势及比容的影响
• 3.1.4.1 海平面上升速率
• 3.1.4.2 全球T/P海平面变化趋势空间分布特征
• 3.1.4.3 比容海平面变化趋势对T/P海平面的影响
• 3.1.4.4 区域海平面变化趋势的比较
• 小结
• 3.2 全球过去50 年比容海平面长期变化
• 3.2.1 比容海平面长期变化规律
• 3.2.2 比容海平面长期变化趋势
• 3.2.3 区域比容海平面长期变化趋势
• 3.2.4 不同时段比容海平面变化趋势
• 3.2.5 全球比容海平面EOF分析
• 小结
• 3.3 东中国海的海平面变化规律及比容贡献
• 3.3.1 T/P海平面和比容海平面的季节变化
• 3.3.2 东中国海海平面的年际变化
• 3.3.3 海平面变化的时空特征
• 3.3.4 近10 年的海平面变化趋势以及比容的贡献
• 3.3.5 过去50 年比容海平面的长期变化趋势
• 小结
• 4. 全球海平面季节变化数值模拟
• 4.1 本文数值模拟模式设置
• 4.2 模拟结果分析
• 4.2.1 试验一：海表风应力、热通量和淡水通量的共同强迫
• 4.2.1.1 模式检验
• 4.2.1.2 模拟结果分析
• 4.2.2 试验二：海表风应力和淡水通量强迫下的模拟
• 4.2.2.1 模式检验
• 4.2.2.2 模拟结果分析
• 4.2.3 试验三：海表风应力和热通量强迫下的模拟
• 4.2.3.1 模式检验
• 4.2.3.2 模拟结果分析
• 4.2.4 试验四：海表热通量季节变化对海平面季节变化的贡献
• 4.2.4.1 模式检验
• 4.2.4.2 模拟结果分析
• 4.2.5 试验五：海表淡水通量季节变化对海平面季节变化的贡献..
• 4.2.5.1 模式检验
• 4.2.5.2 模拟结果分析
• 4.2.6 试验六：海表温度升高对海平面季节变化的影响
• 4.2.6.1 模式检验
• 4.2.6.2 模式结果分析
• 小结
• 5. 结论与讨论
• 6. 展望
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读博士研究生期间论文发表情况
• 致谢