發(fā)布時間：2018-02-03 22:10

  本文關鍵詞： 衛(wèi)星測高 衛(wèi)星重力 海洋環(huán)流 穩(wěn)態(tài)海面地形 渦動能 中國南海 黑潮 黑潮延伸體 氣候變化　出處：《武漢大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：海洋環(huán)流作為各大洋聯(lián)系的紐帶,使得世界大洋的各種水文、化學要素以及熱鹽等狀況得以保持長期相對的穩(wěn)定。海洋環(huán)流與大氣之間的相互耦合作用直接或間接地影響了全球和區(qū)域氣候變化。近幾十年來,氣候和全球環(huán)境變化的成因、規(guī)律及其與地球系統(tǒng)各個分支之間的關系受到了科學家的高度重視。因此,精確地確定全球各主要海洋環(huán)流及其運動變化規(guī)律,對于氣象學和物理海洋學以及其他相關地球科學均具有十分重要意義。經(jīng)過近百年發(fā)展,利用傳統(tǒng)物理海洋學手段對海洋環(huán)流的研究已取得了豐碩成果。然而,由于數(shù)據(jù)仍不甚完善,存在數(shù)據(jù)區(qū)域偏差和較大的數(shù)據(jù)空白區(qū),難以實現(xiàn)全球均勻覆蓋,無法滿足精細和長時間尺度變化特征研究的需求。在過去20多年,衛(wèi)星測高技術的發(fā)展和日趨成熟,使我們對海洋有了更進一步的認識。它革命性地改變了傳統(tǒng)海洋測量模式,極大地豐富了海洋觀測數(shù)據(jù),使得全球海洋環(huán)流研究有了重大進展。 本文聯(lián)合多源衛(wèi)星測高資料確定的全球平均海面高模型和海平面異常變化時間序列以及新一代地球重力場模型,研究建立高精度、高分辨率全球穩(wěn)態(tài)海面地形的理論與方法,提取分析全球和部分特殊海域海洋環(huán)流變化特征,并分析黑潮及其延伸體主軸變異特征,探討海洋環(huán)流與氣候變化之間的關系。主要研究工作和成果包括： (1)從動力學角度闡述了海流的基礎理論,包括海流運動方程、連續(xù)方程和邊界條件,推導了地轉流基本方程,總結了穩(wěn)態(tài)海面地形計算中的兩種基本方法,并對其計算過程中的基準統(tǒng)一、永久潮汐改正和噪聲濾波等細節(jié)問題進行了探討,為進一步利用多源衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)研究海洋環(huán)流提供了理論依據(jù)。 (2)基于WHU2009全球平均海面高模型,采用GO_GONS_2_TIM-R4、 GOCO03S、ITG-GRACE2010S和EIGEN-CHAMP05S四種典型的地球重力場模型分別計算穩(wěn)態(tài)海面地形模型及相應海洋環(huán)流模式,并與國際常用模型CLS09和DTU10進行比較分析,驗證了GOCE重力場高階部分在提高海洋環(huán)流確定精度中的極大貢獻,同時經(jīng)逐階次比較發(fā)現(xiàn)GOCE重力場的中低階部分也同樣表現(xiàn)出不可忽視的推進作用。 (3)發(fā)展了高分辨率全球穩(wěn)態(tài)海面地形的建立方法,聯(lián)合WHU2009平均海面高模型和最新GOCE超高階地球重力場模型EIGEN-6C3stat,提出了最優(yōu)噪聲濾波半徑的判別標準,建立了全球6’×6’穩(wěn)態(tài)海面地形模型WHU2014MDT及相應海洋環(huán)流模式,與國際常用模型、/M08-HR和DTU13MDT的差值結果分析表明,WHU2014MDT模型精度優(yōu)于VM08-HR模型。將三種模型的海洋環(huán)流結果分別與DAC實測數(shù)據(jù)進行了比較分析,WHU2014模型在全球主要海流區(qū)域均優(yōu)于VM08-HR結果,特別是在海流特征最為復雜的巴馬交匯海域,本文結果均優(yōu)于VM08-HR和DTU13。 (4)聯(lián)合多源衛(wèi)星測高資料確定的海平面異常數(shù)據(jù),提取了全球海洋環(huán)流U、V分量的速度異常變化時間序列,兩者均具有微弱的線性減弱趨勢,年際變化速度為-0.045和-0.006(mm/s)/a。通過頻譜分析發(fā)現(xiàn),U、V方向速度異常的變化均存在較強的季節(jié)性信號及較弱的年代際變化特征,其中U方向的季節(jié)性信號主要集中在赤道附近的熱帶海域以及灣流、黑潮延伸體和南極繞極流等大尺度強流所在海域,而V方向分量在赤道附近海域的季節(jié)性信號較弱,僅在阿拉伯海及灣流等大尺度強流附近存在較強的信號。將噪聲平滑后的U、V分量速度異常變化時間序列與表征厄爾尼諾／拉尼娜現(xiàn)象的南方濤動指數(shù)(SOI)進行了比較,發(fā)現(xiàn)兩者與SOI指數(shù)具有很好的負相關性,相關指數(shù)分別為-0.65和-0.62。 (5)在(4)研究成果的基礎上,進一步提取了全球海洋環(huán)流渦動能(EKE)的變化時間序列。全球EKE區(qū)域性差異明顯,在黑潮及其延伸體、灣流、南極繞極流、厄加勒斯暖流、巴馬交匯等具有大尺度強流的區(qū)域EKE能量較高,此外,在阿拉伯海、中國南海等渦流頻發(fā)區(qū)域也具有較高的EKE。在本文研究時間范圍內,全球EKE整體近似處于“能量守恒”狀態(tài),1992.10.14至2013.04.17期間的線性趨勢為-1.04cm2/s2,年際變化速度為-0.05(cm2/s2)/a。對全球EKE變化時間序列進行頻譜分析發(fā)現(xiàn),其最顯著的變化特征是季節(jié)性變化和準10a年代際振蕩,此外還有1.3a、3.3a和6.5a較為顯著的變化周期。分析了渦動能EKE和穩(wěn)態(tài)動能MKE之間的關系,得到了灣流南部、黑潮、南極繞極流北部、阿拉伯海和中國南海等海域是中尺度渦高發(fā)區(qū)域的結論。 (6)將中國南海作為典型區(qū)域進行了重點研究,分析了南海渦動能(EKE)的時空變化特征。南海EKE整體上具有明顯的下降趨勢,線性變化趨勢為-12.3cm2/s2,年際變化速度為-0.6(cm2/s2)/a。南海EKE因多種尺度疊加而呈現(xiàn)較為復雜的結果,具有兩個能量高值中心,分別位于越南東部海域和臺灣西南海域。南海EKE最顯著的變化尺度是季節(jié)性變化,其季節(jié)性信號受越南東部海域的季節(jié)性變化所控制,同時該區(qū)域EKE的季節(jié)性變化主要受局部地區(qū)風應力旋度季節(jié)性變化的影響。臺灣西南海域的季節(jié)性信號較弱,其年際內和中尺度變化顯著,主要受黑潮入侵南海和冷、暖渦的相互作用所影響。與SOI相關性分析發(fā)現(xiàn),厄爾尼諾現(xiàn)象對南海EKE具有一定的影響,兩者相關系數(shù)為0.38。 (7)研究了利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)提取黑潮主軸的準則,并進一步計算分析了黑潮主軸的變化特征。黑潮主軸相對穩(wěn)定,具有微弱的北向偏移趨勢,且季節(jié)性信號顯著,其中在日本南部黑潮,其主軸變異受該區(qū)域EKE變化的影響。與SOI指數(shù)比較后發(fā)現(xiàn),厄爾尼諾/拉尼娜現(xiàn)象對該區(qū)域的黑潮主軸具有較為明顯的影響,厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生將引起黑潮主軸向南偏移,且臺灣東部黑潮滯后4-6個月、東海黑潮滯后10-12個月、日本南部黑潮滯后10-11個月。 (8)研究發(fā)現(xiàn)了黑潮延伸體存在兩個不同的模式：1993-1995、2002-2005和2010-2012期間的穩(wěn)定模式和1996-2001、2006-2009期間的非穩(wěn)定模式。相對于黑潮主軸,黑潮延伸體主軸位置變化更為強烈,其中上游變化速度為0.03°/a,下游為0.05°/a,其最顯著的變化特征是準10a的年代際振蕩,此外還有較強的周年變化特征。南部再循環(huán)流與黑潮延伸體具有密切的關系,其強度變化與黑潮延伸體上游強度變化相關性較強,去除高頻信號之后相關系數(shù)達0.5。其中心位置變化與上、下游主軸位置變化同樣具有很強的相關性,去除高頻信號之后相關系數(shù)達0.75和0.69。通過與太平洋年代際震蕩(PDO)比較分析發(fā)現(xiàn),黑潮延伸體與PDO變化具有一定的負相關性,黑潮延伸體上、下游主軸及南部再循環(huán)流中心位置與PDO的相關系數(shù)分別為-0.48、-0.47、-0.61,其中黑潮延伸體變化滯后4年左右。
[Abstract]:As the link between ocean circulation and ocean circulation , ocean circulation plays a long - term and relatively stable condition . The mutual coupling between ocean circulation and atmosphere has a great significance for the research of global and regional climate . In this paper , the global average sea surface height model and sea level anomaly change time series and the new generation of earth gravity field model are established by combining multi - source satellite survey data . The theory and method of establishing high - precision and high - resolution global steady - state sea surface topography are established . The characteristics of ocean circulation changes in the global and part of special sea areas are analyzed , and the relationship between ocean circulation and climate change is analyzed . The main research work and achievements include : ( 1 ) The basic theory of ocean current is expounded from the dynamic angle , including the sea - flow movement equation , the continuous equation and the boundary condition , and the basic equations of the earth - sea surface topography are derived . The two basic methods in the calculation of the steady - state sea surface topography are summarized , and the details such as the baseline unification , the permanent tide correction and the noise filtering in the calculation process are discussed , which provides the theoretical basis for the further study of the ocean circulation using the multi - source satellite measurement data . ( 2 ) Based on the global average sea surface model of WHU2009 , the steady - state sea surface topography model and the corresponding ocean circulation model are calculated using four typical earth gravity field models of GO _ GONS _ 2 _ TIM - R4 , GOCO03S , ITG - GRACE2010 S and EIGEN - CHAMP05S , and compared with the commonly used models CLS09 and DTU10 , the high - order part of GOCE gravity field is verified to be a great contribution to improve the accuracy of ocean circulation determination . ( 3 ) The method of establishing the high - resolution global steady - state sea surface topography is developed , the average sea surface height model of WHU2009 and EIGEN - 6C3stat of the latest GOCE ultra - high - order earth gravity field model are developed . The results of the difference between the global 6 ' 脳 6 ' steady - state sea surface terrain model and the corresponding ocean circulation model are put forward . The results of the difference between the global 6 ' 脳 6 ' steady - state sea surface terrain model WHU4MDT and DTU13MDT show that the WHU2014 model is superior to the VM08 - HR results . The WHU2014 model is superior to the results of VM08 - HR in the world ' s main ocean current region , especially in the most complex sea area of Alabama . The results are better than those of VM08 - HR and DTU13 . ( 4 ) Based on the data of sea level anomaly determined by multi - source satellite altimeter data , the velocity anomaly change time series of global ocean circulation U and V components is extracted . Both of them have strong seasonal signal and weak interdecadal variation characteristics . On the basis of ( 4 ) research results , the change time series of the global ocean circulation eddy kinetic energy ( EKE ) is further extracted . The global EKE regional difference is high . In addition , the global EKE has a high energy conservation area . In addition , in the Arabian Sea , the global EKE is approximately in the energy conservation state , and the annual variation speed is - 0.05 ( cm2 / s2 ) / a . In this paper , the relationship between the eddy kinetic energy EKE and the steady - state kinetic energy MKE is analyzed . The conclusion is obtained in the southern part of the Gulf Stream , the black tide , the Antarctic Circumpolar flow in the north , the Arabian Sea and the South China Sea . The seasonal variation of EKE in the South China Sea is dominated by seasonal variation of wind stress in the eastern part of Vietnam . The seasonal variation of EKE in South China Sea is mainly influenced by seasonal variation of wind stress in the eastern part of Vietnam . The seasonal variation of EKE in South China Sea is mainly influenced by seasonal variation of wind stress in the eastern part of Vietnam . ( 7 ) The criterion for extracting the black tide spindle from the satellite height measurement data is studied , and the variation characteristics of the black tide main shaft are further calculated . The black tide main shaft is relatively stable , has a weak north - to - shift trend , and the seasonal signal is remarkable . ( 8 ) The study shows that there are two different modes : stable model between 1993 - 1995 , 2002 - 2005 and 2010 - 2012 and unstable mode between 1996 - 2001 and 2006 - 2009 .

【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P228.3;P731.27

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 張學洪,李薇,金向澤,黃瑞新;壓力坐標海洋環(huán)流模式的發(fā)展和應用前景[J];自然科學進展;2002年10期

2 張學洪,俞永強,劉海龍;海洋環(huán)流模式的發(fā)展和應用 Ⅰ.全球海洋環(huán)流模式[J];大氣科學;2003年04期

3 李薇,張學洪,金向澤;海洋環(huán)流模式中不同近似假設下的海表高度[J];海洋科學進展;2003年02期

4 李薇,劉海龍,張學洪;一個渦相容的海洋環(huán)流模式模擬的印度尼西亞貫穿流[J];科學通報;2004年19期

5 俞永強;劉海龍;林鵬飛;;一個1/10°渦分辨準全球海洋環(huán)流模式及其初步分析[J];科學通報;2012年25期

6 卞家杰;徐堅定;;海洋環(huán)流之奇[J];航海;1989年02期

7 董偉;《海洋環(huán)流》簡介[J];海洋通報;1991年03期

8 向元珍;七個熱帶海洋環(huán)流模式的比較[J];海洋預報;1995年04期

9 金心,石廣玉;海洋環(huán)流模式模擬自然和核輻射~(14)C的分布[J];大氣科學;2000年03期

10 詹杰民,嚴曉海;基于大渦模擬和局部濾波同化方法的海洋環(huán)流模式[J];海洋學報(中文版);2004年03期

相關會議論文 前10條

1 劉喜迎;劉海龍;李薇;;海洋環(huán)流模式正壓模經(jīng)濟時間積分方案試驗[A];第二十三屆全國水動力學研討會暨第十屆全國水動力學學術會議文集[C];2011年

2 喬方利;楊永增;宋振亞;夏長水;陳顯堯;;海浪對大尺度海洋環(huán)流和海氣耦合系統(tǒng)的作用[A];中國氣象學會2006年年會“氣候系統(tǒng)模式發(fā)展與應用”分會場論文集[C];2006年

3 肖潺;俞永強;宇如聰;;保形平流方案在海洋環(huán)流模式中的應用[A];中國氣象學會2005年年會論文集[C];2005年

4 馬金;周永宏;廖德春;廖新浩;陳劍利;;太平洋、大西洋和印度洋對周年極移的激發(fā)[A];中國地球物理學會第二十三屆年會論文集[C];2007年

5 王飛;黃仕迪;周生啟;夏克青;;水平溫差對流的實驗研究以及底部加熱的影響[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

6 趙其庚;;對印尼穿透流的模擬研究[A];中國海洋湖沼學會水文氣象分會、中國海洋湖沼學會潮汐及海平面專業(yè)委員會、中國海洋湖沼學會計算海洋物理專業(yè)委員會、山東（暨青島市）海洋湖沼學會2007年學術研討會論文摘要集[C];2007年

7 劉秦玉;楊海軍;;南海上層海洋環(huán)流季節(jié)變化的動力機制[A];西部大開發(fā) 科教先行與可持續(xù)發(fā)展——中國科協(xié)2000年學術年會文集[C];2000年

8 俞永強;王斌;劉海龍;包慶;李立娟;林鵬飛;鄭偉鵬;;LASG全球海洋環(huán)流模式LICOM2.0及其耦合模式的基本性能評估[A];第26屆中國氣象學會年會全球和區(qū)域氣候模式及極端天氣氣候事件的模擬研究分會場論文集[C];2009年

9 潘玉球;許建平;詹華平;;1998年南海季風暴發(fā)前后海洋環(huán)流演變及其成因分析[A];中國海洋學文集——南海海流數(shù)值計算及中尺度特征研究[C];2001年

10 湯立群;申錦瑜;劉大濱;;西加勒比海風暴作用下海流溫鹽動力要素變化三維數(shù)值模擬[A];第十四屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集（上冊）[C];2009年

相關重要報紙文章 前6條

1 劉霞;海洋環(huán)流同氣候變暖息息相關[N];科技日報;2008年

2 常麗君;海洋傳輸帶水流模型圖公布[N];科技日報;2010年

3 華凌;海洋環(huán)流也參與調節(jié)氣候變化[N];科技日報;2014年

4 劉秦玉;海洋、大氣界面通量及風驅動下的海洋環(huán)流[N];中國海洋報;2014年

5 劉霞;地球磁場可能源于海洋環(huán)流[N];科技日報;2009年

6 記者 唐少曼;西太平洋科學考察實驗研究共享航次起航[N];中國海洋報;2010年

相關博士學位論文 前5條

1 彭利峰;利用衛(wèi)星測高資料精密定量研究全球海洋環(huán)流及其變化[D];武漢大學;2014年

2 方文東;南海南部海洋環(huán)流的結構與季節(jié)變化[D];中國科學院海洋研究所;2000年

3 張志春;熱帶西北太平洋海洋環(huán)流經(jīng)向輸運[D];中國科學院研究生院（海洋研究所）;2013年

4 梁曦;副熱帶海區(qū)浮游植物對海洋環(huán)流與氣候的影響[D];中國海洋大學;2014年

5 蘇京志;大氣和海洋環(huán)流在熱帶和熱帶外相互影響中的作用[D];中國科學院研究生院（大氣物理研究所）;2006年

相關碩士學位論文 前2條

1 孫善同;氣候變化背景下海洋環(huán)流的變異[D];中國海洋大學;2013年

2 王江偉;南海海洋環(huán)流的診斷計算[D];中國海洋大學;2004年

，

本文編號：1488481