發(fā)布時間：2017-03-29 21:00

  本文關(guān)鍵詞：基于信息論的海氣系統(tǒng)信息傳輸特征研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：海氣相互作用是大氣運動和氣候變化的驅(qū)動力之一。海氣相互作用過程中伴隨著能量和質(zhì)量傳輸,且伴隨發(fā)生相應的信息傳輸。海氣系統(tǒng)的信息傳輸指海氣系統(tǒng)的狀態(tài)信息在海洋與大氣之間的相互傳輸。本文針對海氣系統(tǒng)信息傳輸這個核心問題,基于海表溫度與850hPa位勢高度、75m和700m深度海水溫度,探討海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)目臻g模態(tài)和垂直特征,建立海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)娜謭D像,并討論海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)募竟?jié)和年代際變化特征。在此基礎(chǔ)上,提取信息傳輸?shù)暮１黻P(guān)鍵區(qū),構(gòu)建海表溫度影響大氣的共同作用模型,并基于熱帶中東太平洋與低緯度大氣信息傳輸分析,揭示ENSO信息傳輸?shù)牟粚ΨQ性,從海氣系統(tǒng)信息傳輸這樣一個新的視角探討海氣間相互作用。本文的主要研究結(jié)論如下：(1)海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)目臻g模態(tài)與垂直結(jié)構(gòu)。海表溫度和850hPa位勢高度之間的信息傳輸而言,熱帶海洋是信息源,中緯度海洋處于信息傳輸平衡,中緯度大氣、熱帶東太平洋上空大氣和東亞南部上空大氣是信息匯。海表溫度與75m深度海水溫度之間的信息傳輸而言,熱帶中東太平洋海表是信息源,北半球中緯度海表是信息匯,南半球中緯度海表處于信息傳輸平衡,75m深度熱帶中東太平洋、北大西洋和北美大陸西海岸海域是信息源,60°N以北的北半球高緯度海洋和30°S-60°S的南半球中緯度海洋是信息匯,北半球中緯度海洋處于信息傳輸平衡。海表溫度與700m深度海水溫度之間的信息傳輸而言,熱帶中東太平洋海表是弱信息源,北半球中緯度海表是信息匯,南半球中緯度和熱帶其他海域海表處于信息傳輸平衡,700m深度海水溫度主要呈現(xiàn)信息源特征�？傮w而言,海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)拇怪碧卣髦饕儸F(xiàn)為：位勢高度的輸入信息從低層到高層逐漸衰減且不同緯度上衰減速度不一致,赤道上衰減最快,海水溫度的輸入信息隨著深度的增加呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢,但各緯度的差異并不大,海水溫度的輸出信息隨深度的變化并不明顯但不同緯度上的差異卻比較顯著。(2)海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)娜謭D像。熱帶中東太平洋海表從太陽短波輻射中接收信息之后,一方面通過向熱帶大氣傳輸信息,最終將信息傳輸?shù)街芯暥却髿?另一方面,向下層海洋傳輸信息,再通過西邊界加強流等暖流傳輸?shù)街芯暥群１?從而中緯度海表與中緯度大氣形成信息傳輸平衡,更深層的海洋通過關(guān)鍵洋流對海表形成信息傳輸,或者與海表處于信息傳輸平衡。(3)海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)募竟?jié)變化。海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)募竟?jié)變化集中體現(xiàn)為夏季北半球(冬季南半球)海洋向夏季南半球(冬季北半球)大氣輸出信息。850hPa位勢高度與海表溫度的信息傳輸中,對于海洋而言,夏季北半球海洋輸出信息較多,冬季南半球海洋和熱帶海洋輸出信息較多,而春、秋季則表為熱帶海洋輸出信息較多,即海洋輸出信息分布的中心隨太陽直射點的變化很明顯,這表明了輸出信息強度與海洋吸收的太陽短波輻射能量相關(guān)。對于大氣而言,夏季南半球大氣輸入信息較多,冬季北半球大氣輸入信息較多,春、秋季大氣輸入信息的分布大致關(guān)于赤道對稱,表明位于冬季北半球(夏季南半球)的大氣輸入較多信息,這與位于冬季北半球(夏季南半球)的低緯度海洋釋放更多的潛熱一致。75m深度海水溫度與海表溫度的信息傳輸中,對于海表而言,夏季北半球海表輸入信息較多,冬季南半球海表輸入信息較多,春、秋季均為北半球海表輸入信息較多,表明北半球的北太平洋和北大西洋在維持全球氣候系統(tǒng)能量平衡中重要作用。對于75m深度海溫而言,夏、秋季北半球海洋輸出信息較多,冬、春季南半球海洋輸出信息較多。表明75m深度海洋輸出信息強度與海洋吸收太陽短波輻射能量多少的關(guān)系明顯。700m深度海水溫度與海表溫度的信息傳輸中,海水溫度輸出信息主要分布在熱帶低緯地區(qū),海表溫度輸入信息分布的中心隨太陽直射點變化的特征比較明顯。海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)募竟?jié)變化幅度在850hPa位勢高度上最顯著,75m深度海水溫度次之,700m深度海水溫度最弱,中緯度850hPa位勢高度、海表溫度、75m和700m深度海水溫度的季節(jié)變率在垂直方向上的強弱變化能解釋這這個特征。(4)ENSO信息傳輸?shù)牟粚ΨQ性。El Nino、La Nina 及 Neutral位相下均是以海洋輸出信息、大氣輸入信息為主要特征,且海洋和大氣輸入和輸出信息的空間分布型較類似。相對Neutral狀態(tài)而言,El Nino和La Nina狀態(tài)下,海洋和大氣輸入和輸出的信息均較強；La Nina狀態(tài)相比El Nino狀態(tài),海洋與大氣輸入和輸出的信息要稍強。通過重排滑動隨機抽樣方法分析了熱帶中東太平洋與其上空大氣信息傳輸強度與海溫異常的關(guān)系,重點分析了熱帶中東太平洋與其上空大氣信息傳輸?shù)牟粚ΨQ性。揭示了海洋對大氣的信息傳輸隨海溫距平的變化可以分為類La Nina、類Neutral及類El Nino三個階段：類La Nina階段,隨著冷海溫的減弱信息傳輸逐漸減弱；類Neutral,冷海溫向暖海溫的過渡過程,信息傳輸并不存在顯著的變化趨勢；類El Nino,隨著暖海溫的增強信息傳輸逐漸增強。熱帶中東太平洋與其上空大氣信息傳輸?shù)牟粚ΨQ性更表現(xiàn)為類La Nina和類El Nino階段信息傳輸與海溫異常之間建立線性關(guān)系的閾值和線性趨勢程度的不對稱。此外,大氣對海洋的信息傳輸隨海溫的變化與海洋對大氣的信息傳輸隨海溫的變化類似,即海洋對大氣信息傳輸較強時,大氣對海洋的信息傳輸同樣較強,反之亦然,并且大氣對海洋的信息傳輸隨海溫的變化同樣存在不對稱性。(5)海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)哪甏H變化。1979/1980年前后,冬季熱帶中東太平洋赤道附近海域、熱帶東南印度洋和熱帶西北印度以及熱帶北大西洋信息傳輸增強,熱帶中東太平洋赤道外海域、熱帶東北印度洋到熱帶西南印度洋以及熱帶南大西洋信息傳輸減弱。夏季,熱帶中東太平洋赤道附近海域信息傳輸增強,赤道外海域信息傳輸減弱,但10°S以南分布著一個輸出信息增強的正值中心,赤道東印度洋和熱帶西北印度洋信息傳輸增強,熱帶東北印度洋和熱帶南印度洋信息傳輸減弱,熱帶大西洋信息傳輸?shù)淖兓c夏季相同。20世紀70年代后,冬季和夏季大氣信息傳輸?shù)淖兓尸F(xiàn)出不一致性,南半球在冬季和夏季均以信息傳輸增強為主要特征,而北半球只有歐亞大陸信息傳輸冬季和夏季均減弱,而其他區(qū)域表現(xiàn)出冬季信息傳輸減弱,夏季信息傳輸增強的特征。信息傳輸?shù)哪甏H變化與標準差(年際變率)的變化之間存在較好的對應關(guān)系,并且這種關(guān)系在海洋與大氣,冬半年與夏半年之間均得到很好的維持。海氣系統(tǒng)自身的年代際變化表現(xiàn)為：1979/1980年以前,PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代際振蕩)為負位相,之后轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌?并且1979/1980年以后,海洋上層顯著性增暖；20世紀70年代后,熱帶地區(qū)位勢高度場顯著增強,這與高度場對全球變暖的響應有關(guān),但同時冬半年阿留申低壓顯著增強是另一個顯著特征；對于發(fā)生在海氣界面的通量過程而言,湍流熱通量(主要是潛熱通量)在北太平洋顯著增大,全球其他海域以減小為主。不僅海氣系統(tǒng)的氣候態(tài)發(fā)生顯著變化,海氣系統(tǒng)年際變率的變化也很顯著：海洋年際變率在1979/1980年以后顯著增強,但熱帶中東太平洋部分地區(qū)變率減弱,并沿赤道呈對稱分布,這可能是1970s后ENSO影響減弱的重要因素；大氣年際變率的變化主要體現(xiàn)為冬季北半球年際變率減弱,南半球年際變率增強,夏季全球尺度變率顯著增強,歐亞大陸例外。(6)海表關(guān)鍵區(qū)的共同作用。在海氣系統(tǒng)信息傳輸特征研究的基礎(chǔ)上,提取海表層信息傳輸較強的十三個海表關(guān)鍵區(qū),基于海表關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)對全球850hPa高度場的信息傳輸,提取大氣關(guān)鍵區(qū)——熱帶東印度洋。利用信息傳輸和線性回歸分別挑選對熱帶東印度洋高度場影響較大的海表關(guān)鍵區(qū),利用冬季海溫指數(shù)與同期、后期的全球海溫、850hPa高度場的相關(guān),建立海表關(guān)鍵區(qū)的共同作用模型,提出了冬季全球海溫一個可能的配置模態(tài)：當PDO正(負)位相時,與其匹配的SPDO為正(負)位相,赤道中東太平洋年代際尺度為暖(冷)海溫,易于出現(xiàn)El Nino(La Nina)事件,熱帶印度洋偏暖(冷),南印度洋易出現(xiàn)SIOD正(負)位相,北大西洋偏冷(暖),次年全球氣候被El Nino(La Nina)所主導,海洋大陸到熱帶北印度洋上空東風異常偏強(熱帶印度洋到中國東部上空南風異常偏強)。
【關(guān)鍵詞】：海氣相互作用 信息傳輸 傳遞熵 信息源(匯) 熱帶海洋 中緯度 全局圖像 季節(jié)變化 潛熱通量 季節(jié)變率 年代際變化 年際變率 ENSO 不對稱性 共同作用
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P732.6
【目錄】：

• 中文摘要3-7
• Abstract7-15
• 第一章 緒論15-27
• 1.1 海氣相互作用的研究進展15-17
• 1.2 信息論與信息科學17-21
• 1.2.1 信息論的基本概念18-21
• 1.2.2 信息科學21
• 1.3 信息論與氣象學21-24
• 1.4 問題的提出24-25
• 1.5 研究內(nèi)容和章節(jié)安排25-26
• 1.6 論文的創(chuàng)新性26-27
• 第二章 資料和方法27-33
• 2.1 資料27-28
• 2.2 方法28-30
• 2.2.1 傳遞熵28-29
• 2.2.2 信息源特征度、信息匯特征度分布以及傳輸平衡特征度29-30
• 2.2.3 信息傳輸30
• 2.3 關(guān)于全文中數(shù)據(jù)處理的說明30-33
• 第三章 海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)娜謭D像33-51
• 3.1 前言33
• 3.2 海氣系統(tǒng)信息源匯的空間模態(tài)33-43
• 3.2.1 海表溫度和850hPa位勢高度34-37
• 3.2.2 海表溫度和75m深度海水溫度37-40
• 3.2.3 海表溫度和700m深度海水溫度40-43
• 3.3 海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)拇怪苯Y(jié)構(gòu)43-45
• 3.4 海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)娜謭D像45-46
• 3.5 對一些技術(shù)問題的討論46-48
• 3.5.1 特征度的概率密度函數(shù)46-47
• 3.5.2 閡值的選擇對結(jié)果的影響47-48
• 3.5.3 水平分辨率48
• 3.6 本章小結(jié)48-51
• 第四章 海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)募竟?jié)變化51-71
• 4.1 引言51-52
• 4.2 海氣系統(tǒng)信息傳輸?shù)募竟?jié)變化52-64
• 4.2.1 海表溫度和850hPa位勢高度52-57
• 4.2.2 海表溫度和75m深度海水溫度57-61
• 4.2.3 海表溫度和700m深度海水溫度61-64
• 4.3 湍流熱通量的季節(jié)變化64-67
• 4.4 垂直方向上季節(jié)變率的變化67-68
• 4.5 本章小結(jié)68-71
• 第五章 基于海表關(guān)鍵區(qū)的信息傳輸年代際特征71-91
• 5.1 前言71
• 5.2 1979/1980年前后關(guān)鍵氣候要素的對比71-80
• 5.2.1 海表溫度72-73
• 5.2.2 75m深度海水溫度73-75
• 5.2.3 850hPa位勢高度75-77
• 5.2.4 湍流熱通量77-80
• 5.2.5 小結(jié)80
• 5.3 信息傳輸?shù)哪甏H變化80-87
• 5.3.1 熱帶中東太平洋81-84
• 5.3.1.1 冬季81-82
• 5.3.1.2 夏季82-84
• 5.3.2 熱帶印度洋84-85
• 5.3.3 熱帶大西洋85-87
• 5.4 信息傳輸年代際變化與氣候系統(tǒng)年代際變化的聯(lián)系87-88
• 5.5 本章小結(jié)88-91
• 第六章 ENSO信息傳輸不對稱性91-101
• 6.1 引言91-92
• 6.2 數(shù)據(jù)和方法92-93
• 6.3 不同ENSO位相下信息傳輸?shù)目臻g特征93-95
• 6.4 信息傳輸?shù)牟粚ΨQ關(guān)系95-100
• 6.4.1 海洋對大氣信息傳輸?shù)牟粚ΨQ性96-99
• 6.4.2 大氣對海洋信息傳輸?shù)牟粚ΨQ性99-100
• 6.5 本章小結(jié)100-101
• 第七章 海表關(guān)鍵區(qū)的共同作用101-125
• 7.1 引言101
• 7.2 基于信息傳輸?shù)暮１黻P(guān)鍵區(qū)與大氣關(guān)鍵區(qū)的初定101-103
• 7.3 基于共同作用的海表關(guān)鍵區(qū)進一步選擇103-110
• 7.3.1 基于信息傳輸?shù)暮１黻P(guān)鍵區(qū)選擇104-106
• 7.3.1.1 單個海表關(guān)鍵區(qū)對熱帶東印度洋高度場的信息傳輸104-105
• 7.2.1.2 兩個海溫關(guān)鍵區(qū)對熱帶東印度洋高度場的信息傳輸105-106
• 7.3.2 基于線性回歸的海溫關(guān)鍵區(qū)選擇106-110
• 7.3.2.1 單個海表關(guān)鍵區(qū)海溫對熱帶東印度洋高度場的回歸106-108
• 7.3.2.2 多海表關(guān)鍵區(qū)海溫對熱帶東印度洋高度場的回歸108-110
• 7.3.3 基于信息傳輸和線性回歸海表關(guān)鍵區(qū)選擇的對比110
• 7.4 共同作用模型的建立及對其機制的解釋110-123
• 7.4.1 線性回歸模型的建立110-112
• 7.4.2 共同作用模型的建立與概念模型112-123
• 7.4.2.1 南太平洋和赤道中太平洋的共同作用112-118
• 7.4.2.2 南印度洋偶極子與赤道印度洋118-121
• 7.4.2.3 北大西洋Ⅲ121-123
• 7.4.3 概念模型123
• 7.5 本章小結(jié)123-125
• 第八章 總結(jié)、討論和展望125-131
• 8.1 總結(jié)125-128
• 8.2 討論和展望128-131
• 參考文獻131-145
• 在學期間的研究成果145-147
• 致謝147-148

【參考文獻】

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本文編號：275375