本文關(guān)鍵詞： 中等復(fù)雜程度的海氣耦合模式(ICM) 四維變分資料同化方法 ENSO事件 動力過程分析 ENSO模擬和實時預(yù)測　出處：《中國科學(xué)院研究生院(海洋研究所)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：厄爾尼諾和南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)是熱帶太平洋地區(qū)年際時間尺度上的海氣耦合現(xiàn)象,是地球氣候系統(tǒng)最強的年際變率信號。國際上對ENSO過程、理論、模擬和預(yù)報的研究已取得了巨大進展,其預(yù)報是迄今為止短期氣候預(yù)測領(lǐng)域最為成功的例子。但是,目前關(guān)于ENSO的研究仍面臨許多難題,如對其產(chǎn)生和多樣性等的機理還不完全清楚,仍不能對其發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)換過程等進行準(zhǔn)確、實時的預(yù)報。本文基于一個改進的中等復(fù)雜程度的海氣耦合模式(Intermediate Coupled Model,ICM),進一步開展對ENSO事件過程、模擬和預(yù)報等研究,包括分析ENSO動力過程以加深對ENSO事件發(fā)生和演變的認(rèn)知;構(gòu)建一個基于ICM的四維變分(Four-Dimensional Variational,4D-Var)資料同化系統(tǒng);用所發(fā)展的系統(tǒng)開展最優(yōu)初始化和參數(shù)估計研究,改進了ICM對ENSO模擬和預(yù)報的效果。本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新性結(jié)論如下:(1)揭示了次表層上卷到混合層海水溫度(The temperature of subsurface water entrained in the mixed layer,Te)場在ENSO循環(huán)中的重要作用,提出了ENSO事件起源的一個新機制。與著名的延遲振子理論不同(其一個重要過程是赤道波在熱帶太平洋西邊界地區(qū)的反射),本論文基于ICM給出了El Ni?o事件起源的一個新機制:海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)正年際異�？裳靥窖蟮谋背嗟滥媪�(Northern Equatorial Counter Current,NECC)路徑傳播,當(dāng)傳到中部海區(qū)時可引起熱帶西太平洋地區(qū)相應(yīng)的西風(fēng)異常;此后,SST正異常和西風(fēng)異常系統(tǒng)性的發(fā)展,強度增強并且在空間上擴展至赤道區(qū)域,從而引發(fā)El Ni?o事件的爆發(fā)。以ICM模擬的第3、4年的一個El Ni?o事件為例分析如下。在發(fā)生于第1年的La Ni?a事件后,第2年年初存在一個明顯的西邊界反射信號,并沿赤道向東太平洋傳播,在年中到達(dá)東部海盆。然而,這些沿赤道傳播的反射信號并未直接導(dǎo)致El Ni?o事件的爆發(fā)。相反,在近一年的延滯后,一個顯著的El Ni?o事件在第3年年末開始形成和發(fā)展,但此時并沒有明顯的西邊界反射信號,這表明El Ni?o事件的起源不能直接歸因于西邊界的反射過程。然而,實際引發(fā)第3年年末的El Ni?o事件的海洋開爾文(Kelvin)波是由日界線附近的風(fēng)場異常產(chǎn)生的,而風(fēng)場異常又與首先出現(xiàn)在necc地區(qū)的sst暖異常有關(guān)(這進一步與持續(xù)的熱帶西太平洋赤道外區(qū)域te異常有關(guān),正是這些te異常激發(fā)了日界線附近沿necc區(qū)域的sst暖異常),這樣所引發(fā)的海表風(fēng)場異常和sst進一步耦合,導(dǎo)致第4年elni?o事件的發(fā)生和發(fā)展。這一結(jié)論與許多觀測結(jié)果一致,如1991-92年elni?o事件的發(fā)生和發(fā)展。(2)闡明了大氣風(fēng)場強迫和次表層熱力強迫在2010-12年lani?a事件的二次變冷現(xiàn)象中起同等重要的作用,為改進enso預(yù)報提供理論依據(jù)。對2010-12年lani?a事件的實時預(yù)報表明,國際上不少著名的海氣耦合模式都未能準(zhǔn)確預(yù)報出2011年的二次變冷現(xiàn)象。影響其實時預(yù)報的因子眾多,其中包括具有傳播特性的熱含量異常、局地次表層的熱力強迫(反映在te場)和海表風(fēng)場的動力強迫等。本論文基于icm深入而全面地對2010-12年lani?a事件的二次變冷過程進行分析,結(jié)果表明存在兩個過程對2011年赤道東太平洋sst演變起重要作用:一是來自熱帶西太平洋沿赤道向東傳播的上層海洋熱含量正異常(變暖效應(yīng)),二是與赤道中東太平洋地區(qū)te負(fù)異常相關(guān)的局地變冷效應(yīng)(反映了溫躍層的影響;這進一步與中太平洋的東風(fēng)異常相關(guān))。因此,sst狀態(tài)的演變由這二者的相對大小來決定(可變?yōu)檎蜇?fù)異常)。基于icm的試驗表明,赤道太平洋持續(xù)的te負(fù)異常和東風(fēng)異常的局地變冷效應(yīng)占了主導(dǎo)作用,導(dǎo)致2011年的sst出現(xiàn)二次變冷;并且東風(fēng)異常強迫與溫躍層熱力強迫(用te表示)對sst演變過程同等重要。為了準(zhǔn)確地預(yù)報出二次變冷現(xiàn)象,icm需要充分合理地描述風(fēng)應(yīng)力強迫和溫躍層熱力強迫的強度。(3)基于icm對2015-16年elni?o事件進行實時預(yù)報。這次elni?o事件的一個顯著特征是:熱帶西太平洋sst暖異常在2014到2015年年初緩慢發(fā)展;隨后,相關(guān)的海氣異常在2015年春季耦合并增大,于2015年春末快速發(fā)展成一個暖事件。icm很好地預(yù)報出2014-16年間sst的變暖和變冷趨勢。例如,其相關(guān)熱含量正異常于2014年在西太平洋堆積,并在2015年年初沿赤道向東傳播,于2015年春季到達(dá)東部海盆區(qū)域,對赤道中東太平洋次表層溫度產(chǎn)生影響,并造成sst顯著變暖;sst暖異常狀態(tài)于2015年春初出現(xiàn)在赤道中東太平洋,并在西側(cè)伴有西風(fēng)異常;sst和表層風(fēng)場異常通過耦合作用進一步增大,導(dǎo)致2015年春末sst暖異常的快速增大;隨后,熱帶太平洋海氣系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒發(fā)展成暖事件;預(yù)報顯示較大的SST正異常于2015年夏季在赤道中東太平洋出現(xiàn),這表明El Ni?o事件已經(jīng)形成;這一SST異常進一步加強,在2015年年末達(dá)到成熟階段。隨后,一些相關(guān)的負(fù)反饋過程也開始發(fā)揮作用,如熱含量負(fù)異常在熱帶西太平洋出現(xiàn)并沿赤道向東傳播,可于2016年初到達(dá)東部海盆,對SST產(chǎn)生變冷的影響,預(yù)計SST會轉(zhuǎn)換為正常態(tài)并將在2016年年中或年末轉(zhuǎn)變?yōu)槔洚惓顟B(tài)。(4)建立了一個基于ICM的四維變分資料同化系統(tǒng)。ICM對ENSO的模擬和預(yù)報具有良好的性能,本文將4D-Var方法引入到ICM中,開發(fā)了與ICM相應(yīng)的切線性模式和伴隨模式,并設(shè)計了最優(yōu)化方案;此外,對伴隨模式和最優(yōu)化方案的精確性進行了嚴(yán)格檢驗;最終成功建立了一個基于ICM的4D-Var資料同化系統(tǒng),并通過一系列敏感性試驗,完成對該模式和4D-Var而言最佳的同化參數(shù)設(shè)置、組合等調(diào)試工作。(5)進行了基于ICM的4D-Var同化系統(tǒng)的最優(yōu)初始化和參數(shù)估計試驗。在基于4D-Var的最優(yōu)初始化的研究中,將SST異常資料同化到模式中,與未同化的模式模擬相比表明,同化模擬的結(jié)果與真實場更為一致;在基于4D-Var的參數(shù)估計的研究中,除了將觀測的SST異常資料同化到模式中外,還對模式參數(shù)αTe(表征次表層對表層熱力強迫強度的可調(diào)參數(shù))進行優(yōu)化,當(dāng)同時改善了模式的初始條件和參數(shù)設(shè)置時,可更有效地改進對ENSO的模擬和預(yù)報效果。這樣,基于ICM所成功建立的4D-Var資料同化系統(tǒng)為ICM實時預(yù)報水平的提高提供模式工具和理論指導(dǎo),為未來ENSO分析和預(yù)報等研究打造了一個創(chuàng)新的模式平臺。
[Abstract]:El Ni ? o - Southern Oscillation , which is the strongest annual variability signal in the tropical Pacific region , has made great progress in the study of the process , theory , simulation and forecast of the tropical Pacific region . In this paper , the occurrence and development of El Ni ? o events occur at the beginning of the second year . The results show that the El Ni ? o event is not directly attributable to the occurrence and development of the El Ni ? o event . The evolution of the sst state is determined by the relative sizes of the two ( which can be positive or negative ) . Based on the experiments of icm , it is shown that the tropical western Pacific sst warming anomaly has taken a dominant role in the early spring of 2015 . ( 5 ) The optimal initialization and parameter estimation test of the 4D - Var assimilation system based on the ICM is carried out . In the study of the optimal initialization based on 4D - Var , the SST anomaly data is assimilated into the mode . Compared with the unassimilated mode simulation , the simulation results and the real field are optimized .

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(海洋研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P732

【參考文獻(xiàn)】

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2 吳新榮;王喜冬;李威;韓桂軍;張學(xué)峰;付紅麗;李冬;;海洋數(shù)據(jù)同化與數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用綜述[J];海洋技術(shù)學(xué)報;2015年03期

3 Mu Mu;Wansuo Duan;Dake Chen;Weidong Yu;;Target observations for improving initialization of high-impact ocean-atmospheric environmental events forecasting[J];National Science Review;2015年02期

4 KANG Xianbiao;HUANG Ronghui;WANG Zhanggui;ZHANG Rong-Hua;;Sensitivity of ENSO Variability to Pacific Freshwater Flux Adjustment in the Community Earth System Model[J];Advances in Atmospheric Sciences;2014年05期

5 高川;陳錦年;王宏娜;汪洋;;2011/2012年我國冷冬與中部型La Nia事件的聯(lián)系[J];海洋科學(xué)進展;2014年03期

6 穆穆;;目標(biāo)觀測的方法、現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J];中國科學(xué):地球科學(xué);2013年11期

7 王凡;胡敦欣;穆穆;王啟;何金海;朱江;劉志宇;;熱帶太平洋海洋環(huán)流與暖池的結(jié)構(gòu)特征、變異機理和氣候效應(yīng)[J];地球科學(xué)進展;2012年06期

8 李冬;王喜冬;張學(xué)峰;吳新榮;李威;韓桂軍;;基于擴散濾波的多尺度三維變分研究[J];海洋通報;2011年02期

9 穆穆;陳博宇;周菲凡;余堰山;;氣象預(yù)報的方法與不確定性[J];氣象;2011年01期

10 陳錦年;王宏娜;;西太平洋暖池?zé)釥顩r變化特征及其東傳過程[J];海洋與湖沼;2009年06期

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本文編號：1522245