本文關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星測(cè)高 衛(wèi)星重力 海洋環(huán)流 穩(wěn)態(tài)海面地形 渦動(dòng)能 中國南海 黑潮 黑潮延伸體 氣候變化　出處：《武漢大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)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(xué)要素以及熱鹽等狀況得以保持長期相對(duì)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(gè)分支之間的關(guān)系受到了科學(xué)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(yùn)動(dòng)變化規(guī)律,對(duì)于氣象學(xué)和物理海洋學(xué)以及其他相關(guān)地球科學(xué)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(xué)手段對(duì)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(shí)現(xiàn)全球均勻覆蓋,無法滿足精細(xì)和長時(shí)間尺度變化特征研究的需求。在過去20多年,衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟,使我們對(duì)海洋有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。它革命性地改變了傳統(tǒng)海洋測(cè)量模式,極大地豐富了海洋觀測(cè)數(shù)據(jù),使得全球海洋環(huán)流研究有了重大進(jìn)展。 本文聯(lián)合多源衛(wèi)星測(cè)高資料確定的全球平均海面高模型和海平面異常變化時(shí)間序列以及新一代地球重力場(chǎng)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(guān)系。主要研究工作和成果包括： (1)從動(dòng)力學(xué)角度闡述了海流的基礎(chǔ)理論,包括海流運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程和邊界條件,推導(dǎo)了地轉(zhuǎn)流基本方程,總結(jié)了穩(wěn)態(tài)海面地形計(jì)算中的兩種基本方法,并對(duì)其計(jì)算過程中的基準(zhǔn)統(tǒng)一、永久潮汐改正和噪聲濾波等細(xì)節(jié)問題進(jìn)行了探討,為進(jìn)一步利用多源衛(wèi)星測(cè)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(chǎng)模型分別計(jì)算穩(wěn)態(tài)海面地形模型及相應(yīng)海洋環(huán)流模式,并與國際常用模型CLS09和DTU10進(jìn)行比較分析,驗(yàn)證了GOCE重力場(chǎng)高階部分在提高海洋環(huán)流確定精度中的極大貢獻(xiàn),同時(shí)經(jīng)逐階次比較發(fā)現(xiàn)GOCE重力場(chǎng)的中低階部分也同樣表現(xiàn)出不可忽視的推進(jìn)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(chǎng)模型EIGEN-6C3stat,提出了最優(yōu)噪聲濾波半徑的判別標(biāo)準(zhǔn),建立了全球6’×6’穩(wěn)態(tài)海面地形模型WHU2014MDT及相應(yīng)海洋環(huán)流模式,與國際常用模型、/M08-HR和DTU13MDT的差值結(jié)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(jié)果分別與DAC實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果,特別是在海流特征最為復(fù)雜的巴馬交匯海域,本文結(jié)果均優(yōu)于VM08-HR和DTU13。 (4)聯(lián)合多源衛(wèi)星測(cè)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(shí)間序列,兩者均具有微弱的線性減弱趨勢(shì),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(qiáng)的季節(jié)性信號(hào)及較弱的年代際變化特征,其中U方向的季節(jié)性信號(hào)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(qiáng)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(hào)較弱,僅在阿拉伯海及灣流等大尺度強(qiáng)流附近存在較強(qiáng)的信號(hào)。將噪聲平滑后的U、V分量速度異常變化時(shí)間序列與表征厄爾尼諾／拉尼娜現(xiàn)象的南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)兩者與SOI指數(shù)具有很好的負(fù)相關(guān)性,相關(guān)指數(shù)分別為-0.65和-0.62。 (5)在(4)研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提取了全球海洋環(huán)流渦動(dòng)能(EKE)的變化時(shí)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(qiáng)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(shí)間范圍內(nèi),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(shì)為-1.04cm2/s2,年際變化速度為-0.05(cm2/s2)/a。對(duì)全球EKE變化時(shí)間序列進(jìn)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(zhǔn)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(dòng)能EKE和穩(wěn)態(tài)動(dòng)能MKE之間的關(guān)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(jié)論。 (6)將中國南海作為典型區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)研究,分析了南海渦動(dòng)能(EKE)的時(shí)空變化特征。南海EKE整體上具有明顯的下降趨勢(shì),線性變化趨勢(shì)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(fù)雜的結(jié)果,具有兩個(gè)能量高值中心,分別位于越南東部海域和臺(tái)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(hào)受越南東部海域的季節(jié)性變化所控制,同時(shí)該區(qū)域EKE的季節(jié)性變化主要受局部地區(qū)風(fēng)應(yīng)力旋度季節(jié)性變化的影響。臺(tái)灣西南海域的季節(jié)性信號(hào)較弱,其年際內(nèi)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(guān)性分析發(fā)現(xiàn),厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)南海EKE具有一定的影響,兩者相關(guān)系數(shù)為0.38。 (7)研究了利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)提取黑潮主軸的準(zhǔn)則,并進(jìn)一步計(jì)算分析了黑潮主軸的變化特征。黑潮主軸相對(duì)穩(wěn)定,具有微弱的北向偏移趨勢(shì),且季節(jié)性信號(hào)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(duì)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(tái)灣東部黑潮滯后4-6個(gè)月、東海黑潮滯后10-12個(gè)月、日本南部黑潮滯后10-11個(gè)月。 (8)研究發(fā)現(xiàn)了黑潮延伸體存在兩個(gè)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(duì)于黑潮主軸,黑潮延伸體主軸位置變化更為強(qiáng)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(zhǔn)10a的年代際振蕩,此外還有較強(qiáng)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(guān)系,其強(qiáng)度變化與黑潮延伸體上游強(qiáng)度變化相關(guān)性較強(qiáng),去除高頻信號(hào)之后相關(guān)系數(shù)達(dá)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(qiáng)的相關(guān)性,去除高頻信號(hào)之后相關(guān)系數(shù)達(dá)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(fù)相關(guān)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(guān)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(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P228.3;P731.27

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