本文關(guān)鍵詞：ENSO對熱帶太平洋時間平均態(tài)的整流效應(yīng)

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【摘要】：自1976年以來,熱帶東太平洋海表溫度SST (Sea Surface Temperature)表現(xiàn)出顯著增暖的現(xiàn)象,而同時期ENSO (El Nino-Southern Oscillation)事件活動也明顯增強了。這兩者之間的因果關(guān)系近年來已成為國際上研究的熱點和前沿問題。針對以上問題,本文使用了一個低階非線性ENSO理論模型來模擬熱帶海氣耦合系統(tǒng),通過對比系統(tǒng)的時間平均態(tài)和對應(yīng)的平衡態(tài)之間的差別,研究了ENSO對熱帶太平洋時間平均態(tài)的影響。借用物理學(xué)上“整流”的概念,我們把ENSO(年際變率)對熱帶太平洋時間平均態(tài)(年代際變率)的這種影響稱為“整流效應(yīng)”。本文所用的低階理論模式很好地反映了熱帶大氣海洋耦合系統(tǒng)的基本特征,也包含了ENSO的基本物理機制。在試驗過程中,我們使用解析的方法求得了系統(tǒng)的平衡解,通過開展數(shù)值試驗得到了系統(tǒng)的時間平均解。結(jié)果顯示,數(shù)值模擬得到的ENSO循環(huán)特征與觀測較為一致,且體現(xiàn)了ENSO的多樣性和復(fù)雜性。通過觀察平衡態(tài)隨外強迫增加的變化,我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在著一個ENSO的振蕩區(qū)間。在這個振蕩區(qū)間內(nèi),ENSO振幅對于外強迫增加的響應(yīng)表現(xiàn)出先增大、后減小的特征。與此同時,系統(tǒng)的時間平均態(tài)和平衡態(tài)出現(xiàn)明顯差異,且差異的大小與ENSO振幅大小之間成正比關(guān)系。時間平均態(tài)和平衡態(tài)之間的差異在海洋表面表現(xiàn)為海表溫度SST的時間平均溫度始終高于對應(yīng)的平衡態(tài)溫度；特別是在熱帶東太平洋,時間平均的SST增暖現(xiàn)象更加顯著。海表SST緯向梯度的時間平均值對于外強迫增強的敏感度低于相應(yīng)的平衡態(tài),也是由于ENSO對熱帶東太平洋SST時間平均態(tài)的增暖作用導(dǎo)致的。次表層海水溫度的時間平均態(tài)和平衡態(tài)之間的差異情況與東太平洋海表SST的情況類似,但差異更加顯著。東太平洋上升流的時間平均強度弱于對應(yīng)的平衡態(tài)強度；東太平洋溫躍層時間平均深度比其平衡態(tài)深度更深；西太平洋溫躍層時間平均深度則較其平衡態(tài)深度變淺。進一步分析顯示,ENSO對熱帶太平洋時間平均態(tài)的整流效應(yīng),并不依賴于模式參數(shù)的選擇,也和ENSO循環(huán)特征的多樣性沒有關(guān)系,屬于振蕩系統(tǒng)自身的一種“固有屬性”。ENSO的整流效應(yīng)本質(zhì)上是由系統(tǒng)中的非線性作用引起的。而模式的非線性作用來源于兩種情況：一是次表層海溫的非線性參數(shù)化過程,二是熱量平衡方程中的非線性平流項。通過引入次表層海溫的線性參數(shù)化方案,并和對應(yīng)的非線性參數(shù)化方案作比較,我們發(fā)現(xiàn)ENSO的整流效應(yīng)和第一種情況沒有關(guān)系。而通過數(shù)學(xué)物理方程的推導(dǎo)演示,我們發(fā)現(xiàn)東太平洋海表SST的時間平均態(tài)溫度和平衡態(tài)溫度之差,可以表示為一項非線性加熱項(大小恒為正數(shù)),且它的數(shù)值正比于ENSO振幅的方差。數(shù)學(xué)公式推演的結(jié)果直接證明了正是非線性平流項的加熱作用導(dǎo)致了ENSO對時間平均態(tài)的增暖效應(yīng)。ENSO對時間平均態(tài)的整流效應(yīng)還體現(xiàn)在ENSO冷、暖兩種位相的非對稱性上。研究發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)振蕩較規(guī)則的時期,非對稱性主要表現(xiàn)為ENSO暖事件和冷事件持續(xù)時間的不同：而在振蕩不規(guī)則的時期,非對稱性主要表現(xiàn)為ENSO暖事件和冷事件振幅的差異。ENSO振蕩系統(tǒng)更多地停留在較暖的位相的一側(cè)(對應(yīng)了一個更暖的熱帶東太平洋和一個減弱的SST緯向梯度的情況),可能是因為在暖事件這一側(cè),耦合系統(tǒng)所感受到的“熱壓力”更小、系統(tǒng)更加穩(wěn)定。理論模式的結(jié)果揭示了ENSO對熱帶太平洋時間平均態(tài)的整流效應(yīng),闡明了ENSO事件在熱帶太平洋氣候平均態(tài)的形成過程中的角色。我們由此指出,最近幾十年來熱帶東太平洋年代際增暖的現(xiàn)象可能更多的是同時期ENSO事件活動增強導(dǎo)致的結(jié)果,而不是導(dǎo)致后者出現(xiàn)的原因。同時關(guān)于實際觀測中很難檢測到人類活動強迫導(dǎo)致的海表SST緯向梯度的變化趨勢的情況,也是由于ENSO事件對熱帶東太平洋海表SST的增暖作用導(dǎo)致的。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P732

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