本文選題：氣候突變過程　切入點(diǎn)：突變變率　出處：《蘭州大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng),其演化并非總是一成不變的,存在突然變化的情況,即由一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)躍變到另一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài),這種突然變化的現(xiàn)象稱之為氣候突變。在以往關(guān)于氣候突變的研究中,通過檢測(cè)某一個(gè)時(shí)刻前后系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)差異來判斷是否發(fā)生突變,這種突變的研究將突變事件簡(jiǎn)單的考慮為一個(gè)“點(diǎn)”。一旦將突變定義為一個(gè)“點(diǎn)”,便失去了突變的動(dòng)力學(xué)演化過程,因此諸多的氣候模式對(duì)于突變的預(yù)測(cè)是無能為力的。實(shí)際的氣候系統(tǒng)發(fā)生突變的時(shí)候是存在一定的持續(xù)過程的,包括系統(tǒng)偏離原來的穩(wěn)定狀態(tài)、在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間的過渡以及到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)。氣候突變過程的研究更突出強(qiáng)調(diào)突變事件自身的屬性,重點(diǎn)分析氣候系統(tǒng)在突變過程中的統(tǒng)計(jì)特征,這區(qū)別于傳統(tǒng)的關(guān)于突變“點(diǎn)”的研究。本文提出氣候突變過程分析方法主要針對(duì)氣候系統(tǒng)在不同穩(wěn)定狀態(tài)之間的過渡過程展開研究,該方法基于一個(gè)非線性生物學(xué)模型從氣候序列中提取出突變過程。突變過程用一系列的參數(shù)進(jìn)行表征,包括氣候系統(tǒng)發(fā)生突變前的“初始狀態(tài)”、發(fā)生突變后的“末狀態(tài)”、反映從初始狀態(tài)到末狀態(tài)之間過渡快慢的“突變變率”,以及表征系統(tǒng)在這個(gè)突變過程中是否穩(wěn)定的“穩(wěn)定性參數(shù)”。其中初始狀態(tài)和末狀態(tài)之間的差值即為“突變幅度”、從初始狀態(tài)到末狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間為“突變持續(xù)時(shí)間”。通過理論推導(dǎo)和實(shí)際氣候序列的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)“突變變率”與“穩(wěn)定性參數(shù)”的一次方、“突變幅度”的二次方之間存在正比例函數(shù)關(guān)系,這一定量關(guān)系解釋了氣候突變發(fā)生時(shí)往往“速度快、幅度大”的現(xiàn)象。分析突變過程中的參數(shù),能夠最大程度的還原氣候突變過程。考慮到近幾十年全球溫度持續(xù)上升,并且溫度場(chǎng)被檢測(cè)到發(fā)生多次突變。因此將氣候突變過程分析方法應(yīng)用于全球大氣、海表溫度的氣候突變研究,考察海氣系統(tǒng)氣候突變的規(guī)律。并考慮到海洋蘊(yùn)藏的巨大熱量可能是推動(dòng)全球性氣候突變事件的主要原因,因此展開對(duì)次表層海水熱含量的分布特征、演化規(guī)律的研究,以探討其對(duì)推動(dòng)氣候突變的可能。最后根據(jù)氣候突變過程的原理,引申出對(duì)時(shí)間序列轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置的預(yù)測(cè)方法,并應(yīng)用于氣候指數(shù)的突變預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下:(1)提出氣候突變過程分析方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)突變過程的還原。氣候突變過程分析方法可以從實(shí)際氣候序列中提取反映氣候突變過程的參數(shù),其中“初始狀態(tài)”和“末狀態(tài)”表示的是氣候系統(tǒng)在突變前后的兩個(gè)狀態(tài)。在突變持續(xù)時(shí)間未知的情況下,只能從實(shí)際序列中截取一段來分析子序列中的“初始狀態(tài)”和“末狀態(tài)”,當(dāng)截取過程由序列開始逐漸推進(jìn)到序列末尾的時(shí)候,可以得到一系列的“初始狀態(tài)”和“末狀態(tài)”。這些突變前后不同的“狀態(tài)”可以繪制在一起構(gòu)造相空間散點(diǎn)圖,稱之為“始-末狀態(tài)”相圖。相圖能夠直觀的展示氣候突變過程,相圖中散點(diǎn)構(gòu)成的連續(xù)的豎線表示系統(tǒng)逐漸脫離原來狀態(tài),連續(xù)的橫線表示系統(tǒng)逐漸到達(dá)新的狀態(tài),而連續(xù)的斜線則表示系統(tǒng)處于突變過程之中。通過將該方法分別應(yīng)用于理想時(shí)間序列和實(shí)際氣候序列的研究,驗(yàn)證了方法的有效性和適用性。(2)研究全球大氣溫度的突變與突變過程。將氣候突變過程分析方法應(yīng)用于全球大氣溫度的研究,當(dāng)檢測(cè)序列為1979-2012年(ncep-2,短時(shí)資料)時(shí),三次突變分別開始于1987-1992年、1997-2000年和2000-2004年;當(dāng)檢測(cè)序列為1948-2012年(ncep-1,長時(shí)資料)時(shí),三次突變分別開始于1950s末、1970s末和1990s末。上述兩種不同時(shí)間尺度的序列檢測(cè)到的突變開始時(shí)刻的差異性表明突變的標(biāo)準(zhǔn)是一種相對(duì)量。如1987-1992年的突變(由于程度較小)在短時(shí)資料中被檢測(cè)出來、長時(shí)資料中沒有檢測(cè)到;1997-2000年和2000-2004年的兩次突變?cè)陂L時(shí)資料的檢測(cè)中則認(rèn)為屬于1990s末的一次突變。特別研究了能夠反映大氣變化特征的500hpa溫度場(chǎng)的突變,其中:1986-1994年全球降溫0.33℃;1956-1959、1970-1979和1994-2004年全球增溫,幅度分別為:0.37、0.16和0.23℃。而空間分布上“突變幅度”由高緯度至低緯度呈遞減分布,并且統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明溫度越高“突變幅度”越大。而“穩(wěn)定性參數(shù)”在氣候系統(tǒng)處于突變過程中的時(shí)候異常偏大,這表明系統(tǒng)發(fā)生突變的時(shí)候是不穩(wěn)定的。(3)研究全球海表溫度場(chǎng)的突變與突變過程�；跉夂蛲蛔冞^程分析方法,研究近百年來海表溫度的幾次突變,突變主要開始于1878年、1942年、1976年(三個(gè)時(shí)刻)和1890-1920年、1990-2010年(兩個(gè)時(shí)段)。其中19世紀(jì)的突變主要發(fā)生在印度洋,20世紀(jì)突變主要發(fā)生在太平洋,20世紀(jì)末主要發(fā)生在極地高緯度地區(qū)。突變持續(xù)時(shí)間在1942年之前偏長(5-10年),1942年以后的突變持續(xù)時(shí)間偏短(5年左右,其中1976年的突變持續(xù)時(shí)間約5-8年)。1942年之前的突變以降溫為主,之后以增溫為主。(4)研究全球海水熱量的時(shí)空變化特征,探究可能的突變機(jī)理�；跍囟塞}度資料,計(jì)算得到不同深度的總體海水熱含量,研究發(fā)現(xiàn)表層(0-80米)熱含量低緯度地區(qū)高于中緯度地區(qū),而80米以下,中緯度地區(qū)要高于低緯度地區(qū)。且底層(1500米)印度洋和大西洋的熱含量要高于太平洋地區(qū)。不同時(shí)段來看,總體海洋熱含量趨勢(shì)在1970年之前顯示負(fù)異常,1970年之后顯示正異常。垂直方向上海水熱含量受太陽輻射影響由上至下呈現(xiàn)由高頻到低頻的變化特征,水平方向印度洋、太平洋、大西洋的熱含量由于地形差異也呈現(xiàn)由高頻到低頻的變化特征。水平方向的熱量傳輸,三大洋之間的熱量在80年代存在一次顯著的年代際轉(zhuǎn)折,太平洋和印度洋的熱量向大西洋輸送顯著性增加。垂直方向的熱量傳輸,在1970年左右海洋中下層的熱量向表層輸送,造成1970年以后表層熱量顯著性增加,這有可能是導(dǎo)致70/80年代全球氣候發(fā)生調(diào)整的主要原因。(5)研究熱帶太平洋表層溫度、鹽度在大氣和海洋突變中的指示作用。通過研究海表溫度、海表氣壓、垂直風(fēng)速、水平風(fēng)速以及海表降水,發(fā)現(xiàn)海表溫度偏高的區(qū)域,海表氣壓偏高,垂直上升的風(fēng)速偏大,與之對(duì)應(yīng)的海表降水顯著偏多,而降水偏多引起對(duì)應(yīng)海表區(qū)域鹽度偏少,即海表溫度增加間接導(dǎo)致鹽度減少。溫度、鹽度與熱含量之間呈現(xiàn)正比例函數(shù)關(guān)系,溫度的增加引起熱量的增加、鹽度的減少引起熱含量減少。因此通過溫度、鹽度對(duì)熱量的調(diào)節(jié)作用將形成負(fù)反饋過程,而構(gòu)造的溫度鹽度循環(huán)示意圖則對(duì)這種負(fù)反饋系統(tǒng)產(chǎn)生很好的指示。研究表明循環(huán)持續(xù)時(shí)間約3-8年,并且隨著全球增暖循環(huán)持續(xù)的時(shí)間呈逐漸減少的趨勢(shì)。結(jié)果還顯示在1970s初和1990s末的兩次溫度鹽度循環(huán)與其他時(shí)段相比出現(xiàn)異常,而該時(shí)段恰恰是氣候突變發(fā)生的時(shí)段,這表明溫度鹽度循環(huán)能夠?qū)夂蛲蛔儺a(chǎn)生一定的指示作用。(6)太平洋年代際振蕩指數(shù)序列轉(zhuǎn)折位置預(yù)判。依據(jù)突變過程分析方法中提出的“突變變率”、“穩(wěn)定性參數(shù)”、“突變幅度”之間的定量關(guān)系,引申出氣候突變預(yù)測(cè)方法。該預(yù)測(cè)方法識(shí)別出氣候系統(tǒng)突變前的“開始狀態(tài)”,以及通過氣候系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)提取出“突變變率”,并根據(jù)歷史資料判別系統(tǒng)的“穩(wěn)定性參數(shù)”,從而依據(jù)上述定量關(guān)系判別出系統(tǒng)突變后的“末狀態(tài)”。基于近100年的太平洋年代際振蕩指數(shù)資料,檢測(cè)出在2011年5月開始了一次突變,此次突變正在偏離原來的狀態(tài)。依據(jù)預(yù)測(cè)方法判斷此次增加型的突變有望在2017年之前結(jié)束。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P461.2

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