【摘要】：海氣耦合模式是氣候研究和預(yù)測(cè)的重要工具,但是,當(dāng)前非通量調(diào)整的海氣耦合模式都存在顯著的熱帶偏差問(wèn)題。改進(jìn)海氣耦合模式所包含的物理過(guò)程才能從本質(zhì)上改善海氣耦合模式的模擬能力。研究表明,在現(xiàn)有的海氣耦合模式基礎(chǔ)上,考慮海浪的攪拌混合作用后建立的全球大氣—海浪—海洋環(huán)流耦合模式能夠有效的改進(jìn)海氣耦合模式的熱帶偏差,這對(duì)于提高全球氣候的準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)有著重要的意義,但是影響機(jī)制仍不清晰,本工作的目的就是圍繞此內(nèi)容,利用海氣耦合模式CCSM3及基于CCSM3建立的大氣—海浪—海洋環(huán)流耦合模式,開(kāi)展波致混合對(duì)赤道太平洋SST影響過(guò)程的深入研究,力圖找出波致混合對(duì)赤道太平洋氣候態(tài)模擬的影響及機(jī)制。大氣-海浪-海洋環(huán)流耦合模式的結(jié)果表明： (1)大氣-海浪-海洋環(huán)流耦合模式能夠解決當(dāng)前海氣耦合模式的一些共性問(wèn)題：該模式能夠?qū)Τ嗟捞窖蟮貐^(qū)模擬的冷舌偏冷并過(guò)于西伸這一共性問(wèn)題有所改善；該模式對(duì)大西洋赤道SST梯度反向這一共性問(wèn)題有所抑制；該模式能夠修正耦合模式模擬的東太平洋錯(cuò)誤的半年周期；該模式對(duì)ENSO的模擬也更加合理,由原來(lái)模擬的單一準(zhǔn)2年周期改善為準(zhǔn)兩年和5—7年周期； (2)基于建立的大氣-海浪-海洋環(huán)流耦合數(shù)值模式,改進(jìn)了氣候模式的Nudging同化方法,基于衛(wèi)星觀測(cè)SST資料進(jìn)行了上混合層的同化,改進(jìn)模式的初始場(chǎng)；然后對(duì)2005、2006、2007和2008年的ENSO進(jìn)行了集合預(yù)測(cè),并將預(yù)測(cè)結(jié)果與衛(wèi)星觀測(cè)進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn),以此驗(yàn)證、分析改進(jìn)后耦合模式的預(yù)測(cè)能力：與原模式相比,大氣-海浪-海洋環(huán)流耦合模式對(duì)ENSO有較好的預(yù)測(cè)能力。另外,一方面從同化結(jié)果可以看出,引入波致混合后能夠改進(jìn)耦合模式的同化效果,得到較好的初始場(chǎng)；另一方面在海氣耦合模式中引入波致混合作用后,通過(guò)改善垂直混合,能夠改善海氣耦合模式的氣候模擬效果。在氣候預(yù)測(cè)中,改進(jìn)預(yù)報(bào)模式的初值和模式本身都可能能夠改善預(yù)報(bào)性能,因此這兩方面的改進(jìn)使得海氣耦合模式的預(yù)報(bào)性能有所改善。 (3)大氣-海浪-海洋耦合模式對(duì)赤道東太平洋SST季節(jié)循環(huán)的模擬有顯著改善,成功消除了赤道東太平洋SST虛假半年周期。該模式模擬的SST最高值在4月,最低值在8月,與觀測(cè)一致。與原CCSM3模式相比,考慮波致混合作用使模擬結(jié)果和觀測(cè)的相關(guān)性從0.66提高到0.93,但SST振幅模擬偏弱。通過(guò)分析海表熱量收支表明,波浪混合對(duì)改善模擬結(jié)果起了關(guān)鍵作用；CCSM3對(duì)赤道東太平洋SST周期模擬存在顯著偏差可能是由于模式對(duì)海洋上層混合缺乏正確的描述。 (4)考慮波致混合后,在洋盆尺度上赤道地區(qū)SST的變化呈現(xiàn)了“西升東降”的現(xiàn)象,即大洋的西部SST出現(xiàn)了升溫而東部SST出現(xiàn)了降溫。針對(duì)赤道SST變化呈現(xiàn)“西升東降”的現(xiàn)象,通過(guò)波致混合對(duì)耦合模式和單獨(dú)海洋模式影響的對(duì)比試驗(yàn),探討并提出了波致混合對(duì)氣候系統(tǒng)中赤道SST的影響機(jī)制,過(guò)程分析表明：在大洋東側(cè)波浪大或者混合層淺,因而波浪的作用大,由于波致混合的直接作用,SST出現(xiàn)降溫出現(xiàn)冷異常,在海洋動(dòng)力過(guò)程的影響下會(huì)出現(xiàn)冷暖異常,冷暖異常在海氣相互作用的影響下會(huì)被放大,其中正反饋是Bjerknes反饋,負(fù)反饋是"SST-NetHeat"反饋,在正負(fù)反饋的綜合作用下,冷暖異常信號(hào)放大,在赤道地區(qū)SST的變化就出現(xiàn)了“西升東降”的現(xiàn)象。 (5)在海氣耦合模式CCSM3移植的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)計(jì)算截?cái)嗾`差可以導(dǎo)致模擬結(jié)果有較大的不確定性,針對(duì)并行計(jì)算導(dǎo)致的截?cái)嗾`差引起的海氣耦合模式的不確定性問(wèn)題,基于海氣耦合模式CCSM3,設(shè)計(jì)了不同CPU分配方案引起的并行誤差對(duì)模擬結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)方案,分析了并行計(jì)算誤差對(duì)SST的影響,結(jié)果表明：在做時(shí)間演變分析的時(shí)候,并行計(jì)算誤差引起的模擬不確定性是不可忽略的,需要分析和確定積分序列的可信度,尤其是對(duì)序列中的躍變現(xiàn)象,利用集合平均的方法可以減小并行計(jì)算誤差的影響,當(dāng)15個(gè)以上集合成員進(jìn)行平均時(shí)影響可以忽略；在分析氣候態(tài)平均時(shí),并行計(jì)算誤差對(duì)模擬結(jié)果的分析有影響,但30年以上平均時(shí)影響可以忽略,因此在做氣候態(tài)平均時(shí)要使用盡可能多的年數(shù)做氣候態(tài)平均；在對(duì)氣候變率的模擬中,各實(shí)驗(yàn)個(gè)例都能夠抓住氣候模式所能刻畫(huà)的顯著性周期現(xiàn)象,并行計(jì)算誤差對(duì)模擬結(jié)果分析的影響可以忽略。
【圖文】：

需要研究大氣、海洋、陸面、冰雪和生物圈的運(yùn)動(dòng)和變化，特別是它們之間的相互作用。因此常把由地球上相互鄰接的大氣圈、水圈、冰雪圈、陸地圈和生物圈構(gòu)成的相互作用的綜合系統(tǒng)稱作氣候系統(tǒng)(圖1一l)。氣候系統(tǒng)是現(xiàn)代氣候科學(xué)研究的主要對(duì)象。圖1一l氣候系統(tǒng)及其子系統(tǒng)示意圖(工 PCCAR4)氣候系統(tǒng)作為總體，，從能量來(lái)說(shuō)是非絕緣系統(tǒng)，而從外層空間物質(zhì)交換來(lái)說(shuō)則是個(gè)閉合系統(tǒng)。大氣、陸地、水、冰雪和生物等各個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)復(fù)雜的物理過(guò)程，包括穿過(guò)它們之間邊界的能量、動(dòng)量和物質(zhì)通量及產(chǎn)生的許多反饋機(jī)制，聯(lián)系在一起。氣候系統(tǒng)的各子系統(tǒng)性質(zhì)各異，可以用它們的化學(xué)構(gòu)成、熱力學(xué)和力學(xué)狀態(tài)來(lái)表示其特征，表示熱力學(xué)狀態(tài)的主要有溫度、壓力、比濕、比能、密度和鹽度等，表示力學(xué)狀態(tài)的主要是描寫(xiě)運(yùn)動(dòng)的力和速度等。

陰影:SST偏差;等值線:降雨偏差設(shè)計(jì)一個(gè)好的海氣藕合模式，主要挑戰(zhàn)之一就是把藕合模式氣候控制試驗(yàn)的氣候漂移減到最小。雖然AGCM和OGCM各自能成功地模擬出大尺度大氣和海洋環(huán)流的諸多特征，但當(dāng)二者藕合后，由于取消或削弱了各自的強(qiáng)負(fù)反饋機(jī)制(觀測(cè)氣候值強(qiáng)迫)并引進(jìn)了新的正反饋相互作用，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果的海氣相互作用的不穩(wěn)定性。因此，氣候漂移主要來(lái)自兩個(gè)方面的原因:(l)大氣和海洋分量模式的系統(tǒng)性誤差，這種誤差是穩(wěn)定誤差，是模式缺陷所致;(2)大氣和海洋模式在藕合界面的熱量通量和水汽通量不平衡。我們知道，通常大氣模式和海洋模式在禍合之前都要在固定或給定的邊界條件下進(jìn)行調(diào)試，使之能夠模擬出目前的氣候狀態(tài)來(lái)·對(duì)于大‘一見(jiàn)模式而言，在給定的海表溫度!計(jì)十算得到的熱通量H‘，和水汽通量互，維持模式氣候態(tài)與觀測(cè)氣候態(tài)基本一致。對(duì)于海洋模式而言，熱量通
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：P732

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2612178