南大洋风应力变化及其对亚极地海洋的影响

摘要

南大洋西风应力是南极绕极流及南大洋深层水上涌的主要驱动力，南半球表层西风带在过去的四十年显著增强，这一趋势在未来可能还将继续。南大洋风应力的变化以及风应力对海洋的影响不仅要考虑西风带急流低频的变化，还需要考虑更短时间尺度的变化。然而长期以来，南大洋扰动风对风应力变化的影响以及风应力变化对亚极地海洋的影响缺乏系统定量的研究。 本文围绕南大洋风应力的变化及其对亚极地海洋的影响，利用再分析资料和CMIP5模拟结果量化了扰动风对风应力平均态，季节变化及变化趋势的影响。同时利用高分辨率全球海洋—海冰环流模式MITgcm-ECCO2，通过敏感性试验探讨了南半球西风带的变化对南极陆架底层水温的影响机制。 本文首先利用再分析资料研究了1979-2016年扰动风对南大洋风应力的影响。结果显示在计算风应力时包含年内扰动风会使得多年平均及纬向平均的风应力的峰值增加一倍，其中超过70％的增加来源于天气尺度（2-8天）及更高频的扰动风。多年平均及纬向平均的扰动动能有明显的季节循环，冬季最强且夏季最弱，这使得即使在冬季纬向平均风比夏季弱的纬度，冬季纬向平均风应力也比夏季强。扰动风的变化对1979-2016年南大洋年平均风应力增强趋势的贡献在再分析资料中存在很大的差异。NCEP R1和R2中的扰动动能在过去四十年都显著增强，有1/3和1/2年平均风应力的增强是由于扰动风的增强。而在ERA-Interim中扰动动能增强的趋势较小，其风应力的增强主要是由于平均风的增强。 本文随后利用12个CMIP5的模拟结果来研究1960-2005年扰动风对南大洋风应力的影响。12个模式中扰动风都对风应力平均态及季节变化有显著影响。多模式平均的结果表明，在计算风应力时包含年内扰动风会使得多年平均及纬向平均的风应力的峰值增加126％，其中75％的增加来源于高频扰动风（8天以内）。12个模式中多年平均及纬向平均的冬季扰动动能比夏季大，会显著增大冬季的风应力。1960-2005年南大洋年平均风应力的增强趋势只在7个模式中显著且其增强主要是由于平均风的增强。同时只有MRI-ESM1模式的扰动风和GISS-E2-R模式的秋季风应力在1960-2005年有显著的变化趋势。这暗示了CMIP5模式中扰动风以及风应力的模拟存在很大的差异，耦合模式中扰动风的模拟需要进一步提高。 自1970年以来南半球西风带增强并南移，研究表明南半球环状模指数能表征平均风和平均风应力的变化。为了探讨南半球西风带的变化对南极陆架底层水温的影响，本文根据南半球环状模指数，选取了1992年（弱）和1998年（强）西风带年的大气强迫场来驱动模式MITgcm-ECCO2。结果表明强西风带年试验中陆架底层水温在大部分区域变暖，仅在60°-150°W南极沿岸位置的陆架底层水温略有降低，与观测结果基本一致。南极大部分海域陆架底层水变暖是绕极深层水暖核的增温和变浅以及亚极地环流的增强所致，引起更多暖水被输送到南极陆架处。南极半岛西侧沿岸陆架底层水变冷主要是由于强西风带导致了南极半岛西侧沿岸海流增强，增强的沿岸海流带来了更多的威德尔海西北处相对冷的海水。

目录

声明

摘要

第一章前言

1．1南半球西风带和亚极地海洋的概况及研究意义

1．2南大洋风应力变化及其对亚极地海洋影响的研究进展

1．2．1南大洋区域扰动风对风应力影响的研究进展

1．2．2南半球西风带的变化对亚极地海洋影响的研究进展

1．3关键科学问题和研究内容

第二章 资料介绍

2．1再分析数据和测站资料

2．2 CMIP5模式数据

2．3 MITgcm海洋环流数值模式

第三章南大洋区域扰动风对风应力的影响

3．1引言

3．2数据介绍

3．3研究方法

3．4扰动风对平均风应力的影响

3．5扰动风对风应力季节变化的影响

3．6扰动风的变化对南大洋风应力变化趋势的影响

3．7小结与讨论

第四章CMIP5模式中南大洋风应力的模拟评估：扰动风的作用

4．1引言

4．2数据及研究方法介绍

4．2．1 CMIP5模式

4．2．2再分析资料

4．2．3研究方法

4．3模式中扰动风对平均风应力的影响

4．4模式中扰动风对风应力季节变化的影响

4．5模式中扰动风的变化对南大洋风应力变化趋势的影响

4．6小结与讨论

第五章MITgcm模式中南半球西风带的变化对亚极地海洋的影响

5．1引言

5．2数据，模式及方法介绍

5．3 SAM的位相与风应力变化的关系

5．4 MITgcm模式中南半球西风带的变化对南极陆架底层水温的影响

5．5小结与讨论

第六章总结和展望

6．1结论与本文创新点

6．1．1南大洋区域扰动风对风应力影响的主要结论

6．1．2 CMIP5模型中南大洋风应力模拟评估的主要结论

6．1．3 MITgcm模式中南半球西风带的变化对亚极地海洋影响的主要结论

6．1．4本文主要创新点

6．2讨论与展望

参考文献

致谢

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