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北太平洋副热带模态水及其形成机制研究

作　者: 潘爱军
导　师: 刘秦玉
学　校: 中国海洋大学
专　业: 气象学
关键词: 模态水混合层海洋涡旋位势涡度层结稳定性“豁口”
分类号: P731.16
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

模态水是由它在温度，盐度，位势涡度的垂直均一性所表征的一类特殊类型的水团，它的垂直均一性来源冬季的深对流过程。作为海气相互作用的产物，模态水是影响上层海洋温度层结和环流结构极为重要的因素之一。随着最近人们对于热带和副热带相互作用及气候年代际变化的关注，副热带模态水-由于包含副热带海洋表层海气相互作用的长期记忆，已经引起了全世界科学家的广泛注意。在分析前人研究的基础上，本文提出了有关北太平洋副热带模态水及其形成机制研究中存在的问题；根据对Levitus(1994)、XBT、COADS、NCEP等资料的分析，给出了北太平洋副热带三个模态水(西部副热带模态水、中部副热带模态水和东部副热带模态水)的气候态特征及其水平迁移特征，验证了前人的研究结果。根据模态水是温跃层通风过程的产物，体现了晚冬混合层特征这一基本思想，集中研究了北太平洋副热带三个模态水形成区晚冬混合层深度与温度的特征和形成机制。本文主要的创新成果如下： 1．采用一维TKE湍动能模式定量地揭示了模态水形成区外部大气强迫场(海表热通量、风应力、蒸发-降水)对晚冬深混合层形成的贡献：海表热通量季节循环的增强或减弱(50％)，使得西部和中部副热带模态水形成区晚冬混合层加深或变浅分别超过50％和45％，而对东部副热带模态水形成区晚冬混合层深度的影响不超过5％。同时发现在三个不同模态水形成区冬季海表失热都增加25Wm~2的情况下，中部模态水形成区混合层深度的加深最大(为70m)，东部模态水形成区混合层深度的加深最小(10m)。此外，揭示了局地残余的西部模态水是晚冬局地深混合层形成的“预条件”。 2.根据NCEP海洋资料和海气通量资料，采用一个混合层热平衡方程，发现在三个模态水形成海区秋、冬季混合层温度冷却过程中，海表热通量、垂直夹卷效应为主，其相对贡献分别为67%、19%(西部)，53%、20%(中部)和65%、30%(东部);在东部模态水形成区，艾克曼平流和地转平流皆是暖平流，而在西部和中部副热带模态水形成区，仅有地转平流是暖平流。同时确定了西部副热带模态水形成区冬季混合层温度的年际、年代际变化中有62%是海表热通量的贡献，32%是地转平流的贡献;而在中部副热带模态水形成区艾克曼平流、地转平流和海表热通量共同作用(相对贡献分别为32%、30%和25%)的结果是冬季混合层温度的年际、年代际异常的主要原因;在东部副热带模态水海表热通量的年际、年代际是导致冬季混合层温度异常的最主要因素(相对贡献达67%)。 3.通过分析历史资料，在前人提出北太平洋中部40oN左右存在浮力频率低值区的基础上，发现了9一10月在北太平洋中部40oN左右上层海洋(<125m)170“E一160“w之间存在特殊的的浮力频率低值区一层结稳定性的“豁口”，定量计算结果证实了该区正是上层海温冷却的极值区;海表热通量的纬向分布差异决定了该区的东边界，而其西边界的位置是由海表热通量和平流(Ekman流与地转流)共同作用确定;该层结稳定性“豁口”成为冬季模态水形成的“预条件”，是造成北太平洋中部副热带模态水形成区位于170“E一160“W的直接原因。 4，利用国际ARGO观测中心2001年2月、3月在黑潮再循环环流圈投放的浮标资料，结合TRMM观测的海表温度资料和T/P一ERs卫星高度计资料，分析了海洋涡旋对北太平洋西部副热带模态水形成的影响。研究结果表明:反气旋式的暖涡(涡中心海平面异常为6Ocm)增强了冬季局地的垂向混合过程，使得混合层及温跃层加深约IOOm，将有助于西部副热带模态水的形成;而气旋式的冷涡的作用刚好相反;1996一1998年西部副热带模态水形成区冬季上混合层较浅与大量的气旋式冷涡出现有关;而1993一1995年则相反。以上研究结果为定量地确定北太平洋模态水形成率和揭示北太平洋模态水在气候变化中的作用奠定基础。

全文目录

摘要  5-16
1 前言  16-24
  1.1 研究背景和已有研究成果  18-20
    1.1.1 西部副热带模态水(NPSTMW)  18-19
    1.1.2 中部副热带模态水(NPCMW)  19-20
    1.1.3 东部副热带模态水(ESMW)  20
  1.2 北太平洋西部和中部副热带模态水的年代际变异研究  20-21
  1.3 存在问题  21-22
  1.4 本文拟研究内容  22-24
2 北太平洋副热带模态水的气候特征及其形成过程  24-56
  2.1 资料及研究方法  24-26
    2.1.1 资料  24-25
    2.1.2 研究方法  25-26
  2.2 北太平洋副热带模态水的气候特征  26-28
    2.2.1 三维结构特征  26
    2.2.2 温度、密度、深度特征  26-27
    2.2.3 水平迁移特征  27-28
  2.3 北太平洋外部大气强迫场与混合层季节变化特征  28-30
    2.3.1 北太平洋海表净热通量和风应力季节变化特征  28-29
    2.3.2 北太平洋混合层季节变化特征  29-30
  2.4 局地混合层，净热通量和风速的季节性相关性分析  30-31
  2.5 北太平洋副热带模态水形成过程  31-33
    2.5.1 西部副热带模态水(NPSTMW)  31-32
    2.5.2 中部副热带模态水(CMW)  32-33
    2.5.3 东部副热带模态水(ESMW)  33
  2.6 小结  33-56
3 北太平洋副热带模态水形成机制研究(Ⅰ):局地海气通量与上层海洋层结在模态水形成中的作用  56-83
  3.1 北太平洋副热带模态水的形成区  56-57
  3.2 北太平洋副热带模态水形成区局地大气强迫特征  57-58
  3.3 一维湍动能模式简介  58-62
  3.4 一维TKE模式模拟北太平洋混合层季节循环的可行性分析  62-63
  3.5 数值模拟  63-71
    3.5.1 模态水形成区混合层深度模拟  63-67
      3.5.1.1 西部副热带模态水(STMW)  64-65
      3.5.1.2 中部副热带模态水(CMW)  65-66
      3.5.1.3 东部副热带模态水(ESMW)  66
      3.5.1.4 对同等热通量异常强迫的响应特征  66-67
    3.5.2 沿经向断面上混合层深度的数值模拟  67-71
      3.5.2.1 东部副热带模态水(ESMW-140°W)  68-69
      3.5.2.2 中部副热带模态水(CMW-180°)  69-70
      3.5.2.3 西部副热带模态水(STMW-150°E)  70-71
  3.6 小结  71-83
4 北太平洋副热带模态水形成机制研究(Ⅱ):模态水形成区混合层温度(模态水核心温度)季节和年际变化特征与机制  83-135
  4.1 模态水核心温度的年际、年代际变化  83-87
    4.1.1 西部副热带模态水  84-85
    4.1.2 中部副热带模态水  85-86
    4.1.3 东部副热带模态水  86-87
  4.2 上层海洋热平衡方程  87-91
  4.3 西部副热带模态水形成区混合层温度的变化特征与机制  91-96
    4.3.1 混合层温度的季节变化特征与机制  91-94
    4.3.2 冬季混合层温度的年际和年代际变化特征与机制  94-96
  4.4 中部副热带模态水形成区混合层温度的变化特征与机制  96-100
    4.4.1 混合层温度的季节变化特征  96-98
    4.4.2 冬季混合层温度的年际和年代际变化特征与机制  98-100
  4.5 东部副热带模态水形成区混合层温度的变化特征与机制  100-103
    4.5.1 混合层温度的季节变化特征与机制  100-101
    4.5.2 冬季混合层温度的年际和年代际变化特征与机制  101-103
  4.6 小结  103-135
5 层结稳定性“豁口”与北太平洋中部副热带模态水的形成  135-158
  5.1 数据  135-136
  5.2 中部副热带模态水形成特征-“区域选择性”  136-137
  5.3 海洋层结稳定性“豁口”  137-139
  5.4 海洋层结层结稳定性的“豁口”的形成机制  139-143
  5.5 一维TKE模式模拟  143
  5.6 小结  143-158
6 海洋涡旋对北太平洋西部副热带模态水形成区冬季垂直混合过程的影响  158-170
  6.1 资料  158-160
  6.2 2001年2月底的涡旋对混合层深度的影响  160-161
  6.3 2001年3月的涡旋对混合层深度的影响  161
  6.4 海洋涡旋与冬季垂直混合过程  161-162
  6.5 小结  162-170
7 结论与讨论  170-174
参考文献  174-179

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