海氣通量的變化、趨勢及其氣候效應(yīng)：觀測與模擬研究

海氣通量的變化、趨勢及其氣候效應(yīng)：觀測與模擬研究海氣界面熱通量對大氣和海洋環(huán)流、大氣-海洋淡水循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。研究其物理機(jī)制和變化形態(tài)對于理解和數(shù)值化模擬動(dòng)態(tài)的大氣-海洋過程有著非常核心的意義。本博士論文使用觀測數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)和氣候模式輸出數(shù)據(jù)研究了包括海表蒸發(fā)、潛熱通量、凈熱通量等海氣通量的變化、趨勢及氣候效應(yīng),并探討了對應(yīng)的模式模擬誤差的可能來源。根據(jù)伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的客觀分析海氣通量項(xiàng)目提供的OAFlux數(shù)據(jù),全球海表蒸發(fā)量在1999-2000年發(fā)生年代際趨勢轉(zhuǎn)變,從上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔荨?000-2013年海表蒸發(fā)量的減少除了由近海表風(fēng)速減弱所導(dǎo)致的非局地影響外,主要是由海表溫度增暖減速導(dǎo)致的海表飽和比濕增速減緩和近海表空氣比濕增速加快所導(dǎo)致的。首先,近海表風(fēng)速的減弱通過直接和間接作用導(dǎo)致全球海表蒸發(fā)的減少。另外,海洋上空的大氣柱總水汽含量總體增加以及海洋上空的降水減少導(dǎo)致余留在空氣中的水分增加,直接導(dǎo)致了近海表空氣比濕的增加。海表蒸發(fā)率的趨勢空間形態(tài)都呈現(xiàn)總體減弱,海洋上的降水總體減少,而沃克環(huán)流的最強(qiáng)上升支區(qū)域則呈現(xiàn)明顯的降水增加趨勢。陸地上的總降水量增加,總蒸發(fā)量上漲。不論是陸地還是海洋,蒸發(fā)和降水的關(guān)系都更接近局地相關(guān)性。這種相關(guān)性使我們更加傾向于認(rèn)為海洋上空的水汽增加是海氣界面本身的水汽收支平衡被打破所致。使用OAFlux數(shù)據(jù)集評估了CMIP5計(jì)劃中14個(gè)耦合氣候模式對熱帶和副熱帶太平洋海表潛熱通量的模擬結(jié)果,并分析了可能的模擬偏差的來源。結(jié)果表明模式模擬的潛熱通量的空間分布形態(tài)與觀測結(jié)果匹配的很好,不過模擬值一般比觀測值偏高達(dá)到20-30Wm-2。模式在空氣比濕和海表溫度氣候態(tài)的模擬上表現(xiàn)較好,近海表風(fēng)速氣候態(tài)的模擬偏差很可能就是模式對潛熱通量氣候態(tài)模擬偏差的來源。使用模式間EOF分析方法表明,模式偏離平均態(tài)的空間一致性主要是由模式對海表溫度的模擬差異造成的。對于潛熱通量氣候態(tài)的季節(jié)變化,模擬結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)吻合地很好,主要的模擬偏差與近海表風(fēng)速季節(jié)變化的模擬偏差有關(guān)。而對潛熱通量線性趨勢的模擬評估顯示,模式對海表溫度和近海表空氣比濕的模擬整體上偏大,由此導(dǎo)致的海氣比濕差△q的趨勢對潛熱通量的反饋?zhàn)饔脤浅Ｎ⑷?同時(shí)模式對近海表風(fēng)速趨勢的模擬偏小許多,兩個(gè)因素可能就共同導(dǎo)致了模式對潛熱通量增加趨勢的模擬值極大地偏低。使用由中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LASG/IAP)研發(fā)的全球海洋-大氣-陸地系統(tǒng)模式FGOALS-g2和FGOALS-s2,對比分析了它們對海氣界面熱收支的模擬結(jié)果。在熱帶印度洋海域,FGOALS兩個(gè)模式對海表凈熱通量都存在大約30Wm-2的海盆尺度的低估,潛熱通量的大幅高估被認(rèn)為是凈熱誤差的最主要來源。兩個(gè)模式共同體現(xiàn)了印度洋偶極子狀的誤差分布。通過分析年際序列,FGOALS-s2對凈熱通量的模擬誤差主要來自于向下的凈短波輻射和向七的潛熱通量的高估,而FGOALS-g2的模擬誤差主要來自于其對湍流熱通量的高估。在觀測數(shù)據(jù)中,凈熱通量在熱帶印度洋中心海域存在極大的降低趨勢,而這個(gè)特征在模式中未能體現(xiàn)。潛熱通量的趨勢主導(dǎo)了凈熱通量的趨勢,因此模式對于凈熱通量趨勢的模擬誤差主要來源于其對潛熱通量的模擬誤差,即低估了潛熱通量的增加趨勢。在太平洋和大西洋海域,總體上對凈熱通量也存在海盆尺度的低估。對特征區(qū)域(西部邊界流如黑潮、墨西哥灣流：赤道太平洋和大西洋冷舌)進(jìn)行單獨(dú)的分析可以知道,雖然在極值區(qū)模擬值偏大,但是模擬值的遞減幅度較大,導(dǎo)致其高值區(qū)域相對較小。模式