论文部分内容阅读
区域气候变化是全球气候变化的重要研究方向,热带太平洋海温作为区域气候的关键影响因子,其在全球变暖下的增暖型对热带降水和环流的变化以及全球其他区域的气候变化具有重要的影响。然而,当前的海气耦合模式预估的热带太平洋增暖型相互间存在明显的差异,严重影响了模式预估区域气候变化的可信度。本文利用32个第五次全球耦合模式比较计划(CMIP5)的模式资料,系统性地评估了热带太平洋增暖型的形成机制,并进一步归因模式间预估热带太平洋增暖型的不确定性因子,重点提出各模式模拟的云-辐射反馈过程和海洋动力效应是导致模式间热带太平洋增暖型预估差异的两个主要因子,最后基于“观测约束”的思想根据再分析的云-辐射反馈和海洋热输送资料对多模式集合平均下(MME)的热带太平洋增暖型进行了校订。本论文的主要结论如下: (1)热带太平洋增暖型的形成机制。评估了32个CMIP5模式MME预估的热带太平洋SST增暖(TPSW)型形成机制。结果表明:对于纬向El Ni(n)o-like型而言,气候态潜热蒸发起主要作用,云-短波辐射-SST反馈及Walker环流的减弱也有一定的正贡献,但相对较小。而“海洋动力恒温器效应”则起主要的抑制El Ni(n)o-like型形成的作用,这一负贡献与气候态蒸发的正贡献强度相当。另外,气候态潜热蒸发和云-短波辐射-SST反馈在经向上的作用范围比Walker环流的减弱以及海洋动力恒温器效应更广。对于经向赤道峰值增暖(EPW)型而言,起主要正贡献的项同样是气候态潜热蒸发。与前人的研究结果有所不同的是,由Walker环流减弱所导致的海洋纬向热输送的变化对EPW型的形成有较大的正贡献,以及海表面风速的变化主要影响到赤道外南北半球的非对称增暖而对EPW型形成的贡献不大。 (2)云-辐射反馈对预估热带太平洋增暖型不确定性的影响。研究首先利用模式历史气候模拟中海温和净短波辐射的年际异常关系定义了一个云-辐射反馈强度指数。模式中云-辐射反馈的模式间偏差可以解释24%的TPSW型模式间方差。全球变暖下,中太平洋正的云-辐射负反馈偏差可以导致中西太平洋出现SST暖偏差以及东太平洋出现SST冷偏差,其影响过程为:中太平洋上,若一个模式的云-辐射负反馈相对于MME下的云-辐射负反馈较弱(存在正偏差),则该模式中的云-辐射负反馈便不能有效地抑制温室气体所导致的SST增暖,使得该模式中的SST增暖较MME大。这一SST暖偏差在中太平洋将强迫出一个低层辐合而在西(东)太平洋产生西(东)风偏差,这将减弱(增强)西(东)太平洋的气候态东风以及海表面蒸发,同时低层辐合可以通过改变海表面风应力使得西(东)太平洋海洋冷平流减弱(加强)。在这两者的共同作用下,由初始的云辐射反馈偏差所造成的SST暖偏差将从中太平洋西移至中西太平洋,从而形成一个La Nina-like型的海温偏差分布。 (3)海洋动力效应对预估热带太平洋增暖型不确定性的影响。海洋动力效应对模式间TPSW型不确定性的影响主要由气候态纬向—垂直翻转环流的模式间偏差所贡献。全球变暖下,海洋表层的增温比次表层大,导致海洋垂直温度梯度增加。在某一模式中,若其模拟的气候态纬向—垂直翻转环流相对于MME偏强,那么就可以在增强的海洋垂直分层下产生偏强的海洋动力恒温器效应,从而导致该模式模拟的东太平洋SST增温相对于MME偏小。这一海洋动力恒温器效应模式间偏差的最大值存在于东太平洋的次表层。同时,MME的气候态纬向—垂直翻转环流可以将这种偏强的海洋动力恒温器效应从次表层输送至东太平洋海表面附近,进一步影响SST的变化。总体而言,某个模式若其模拟的气候态纬向—垂直翻转环流较MME偏强,则可以导致其模拟的东太平洋SST增暖相对MME偏弱。另一方面,模式模拟的纬向—垂直翻转环流的变化在各模式间差异也较明显,但是这种模式间偏差主要顺着气候态海温的等温线,无法形成较强的海洋热输送变化的模式间偏差,因此对模式间TPSW型不确定性的贡献不大。此外,气候态纬向—垂直翻转环流的模式间偏差与气候态SST的模式间偏差同样密切相关。若某模式模拟的气候态纬向—垂直翻转环流相对于MME偏强,则可以导致该模式中气候态冷舌也相对于MME较强。这一结果证实了之前模式间模拟的气候态冷舌和预估的未来海温变化之间的统计关系。 (4)校订MME下的热带太平洋增暖型。利用六套再分析的云-辐射反馈资料和一套再分析的海洋热输送资料同模式模拟的结果相对比。结果表明:与再分析资料相比,绝大多数模式的云-辐射负反馈总体偏弱;由第三章的机制可知,总体偏弱的云-辐射负反馈会造成La Ni(n)a-like型的总体模拟偏差。另一方面,绝大多数模式模拟的冷舌以及赤道太平洋附近的纬向—垂直翻转环流相比于再分析资料均偏强,因此绝大多数CMIP5模式预估的TPSW型存在La Ni(n)a-like型的总体模拟偏差。进一步基于“观测约束”的思想,并利用再分析资料的云-辐射反馈和海洋三维热输送资料对MME的TPSW型进行校订,结果表明经过校订后的TPSW呈现更加显著的El Ni(n)o-like型。