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区域海温异常事件,如太平洋的:ENSO事件、北大西洋的Tripole异常事件和印度洋的Dipole异常事件等,常会引发全球多地出现短期气候异常和极端天气事件。本研究利用格点的表层OISST V2、次表层的GODAS以及海洋表层大气的NCEP/NCAR资料,对1982-2011年全球表层和次表层海温变化及演变进行了系统性分析,所用方法为海洋变量的物理分解。首先分析了全球海洋表层、次表层温度物理分解的变化特征,并详细分析了ENSO事件过程中海洋表层、次表层的相互关系,又分析了海洋表层大气的海-气耦合对海洋表层温度分布变化的作用,最后采用旋转经验正交函数(REOF)展开的方法对太平洋、大西洋以及印度洋的区域瞬变温度扰动进行了分析研究。主要结论如下: (1)分析了全球海洋表层温度物理分解后的时空变化。发现海洋表层气候纬圈平均温度随时间呈反“S”状,这反映了太阳直射点在地球上的运动轨迹;北半球在中高纬度海域的纬圈平均温度具有明显的季节变化,并且中纬度特别是40°N附近具有较强的温度梯度。全球海洋表层气候纬圈距平温度显示了全球海洋中某些海域的区域海温中心为常年永久性冷暖中心,而某些海域的区域海温中心为季节性冷暖中心;通常中低纬度太平洋区域海温中心的分布是东冷西暖,而中高纬度的北太平洋转变为东暖西冷的海温中心分布,南太平洋则受横穿整个洋盆的相对暖水控制;北大西洋的气候区域海温中心分布呈现“三极子”分布,而南大西洋的区域海温中心分布基本呈西暖东冷状态;印度洋的热带海域呈现季节性的东暖西冷“Dipole”型态,阿拉伯海及孟加拉湾呈现季节性的北暖南冷的“Dipole”型态,南印度洋副热带海域的气候区域海温中心为西暖东冷的“Dipole”型态分布,而南极洲外围大西洋至印度洋经度范围内的高纬度大片海域受气候区域冷水影响。在中低纬度的全球海洋表层行星尺度瞬变温度扰动中可发现ENSO扰动信号,一般当ENSO信号出现后,ENSO信号会逐渐由赤道向中纬度传播,而中高纬度的异常冷暖信号多反映当地海域的异常变化,信号变化随机性强,传播性不强。 (2)分析了全球次表层海洋温度的物理分解特征。分析次表层的气候纬圈距平温度发现,一般在次表层100m深处附近气候纬圈距平温度呈现出最大值中心。次表层100m处的全球气候纬圈距平温度表明海洋次表层中的区域海温中心分布大多与海洋表层的常年永久性区域冷暖中心性质一致,而有些海温中心的冷暖性质与表层相反。次表层行星尺度瞬变温度扰动的变化特征中发现赤道次表层的偏暖信号在赤道与10°N或10°S之间循环传播,每当偏暖信号从10°N或10°S附近回传到赤道地区,在经过大概3-6个月的发展期后便在中东太平洋出现一次E1 Nino事件;而赤道附近偏冷信号的传播与赤道中东太平洋La Nina事件对应关系不好。 (3)全球海洋表层、次表层的相互关系。1982-2011年海洋表层及次表层的温度序列分析发现,近30年来南北半球的中纬度海域及赤道中东太平洋海区的温度变化幅度相对较大,并且在西太平洋次表层30°N-50°N附近存在类似大气中“锋面”结构的等值线密集面,而温度距平的变化幅度主要在赤道中东太平洋海区较大,在南北半球的中纬度区域相对较小,次表层海温及海温距平变化的最大值中心都位于温跃层20°C线附近。以表层海温物理分解3、4项之和(=SSTA)表示全球海洋表层温度的异常变化,以次表层最大海温物理分解3、4项之和(=MSTA)表示全球海洋次表层温度的异常变化,分析SSTA与MSTA的相互关系发现,全球海洋中大部分海域SSTA与MSTA显著正相关,特别是在赤道中东太平洋区域。分析1982-2011年MSTA与Nino3.4区SSTA的超前滞后相关,发现次表层的MSTA信号在ENSO事件过程前后沿10°WN→0°W→0°E→10°EN→10°WN(下标W、E表示西太平洋和东太平洋海域)逆时针传播,每当次表层MSTA信号到达赤道中东太平洋时便出现一次ENSO事件;而到达东太平洋10°S附近的MSTA信号并无向西太平洋的回传信号。但在Nino3.4区SSTA与全球海洋表层SSTA做超前滞后相关分析时,却未发现ENSO信号的传播特征。对1980年以来发生的9次E1 Nino事件及7次LaNina事件期间太平洋区域的温度距平场进行了以事件发生的强盛峰值期为基准的超前滞后合成分析,从另一个角度进一步证实了上述ENSO事件次表层信号的传播途径。 (4)分析全球海洋表层大气温度、风场物理分解后的分布和变化特征,研究海-气耦合的相互作用。海洋表层大气气候纬圈平均温度随时间的变化呈“Ω”型分布,其热带地区28°C线的范围比海洋中更大,但主要分布在赤道以北,大气中纬度区域的等温线分布要比海洋中的均匀,而北半球中高纬地区的纬圈平均温度相比海洋具有更明显的季节变化。海洋表层大气气候纬圈距平温度的空间分布变化表明大气中物理分解第2项除了反映海陆、地形的差异,也反映不同海区海水热力性质的差异;同时显示出北半球冬季欧亚大陆的变冷首先是从日本东北部沿岸开始的,逐渐自东向西传播到整个欧亚大陆,北美洲的变冷是自西向东扩展到全大陆;而夏季欧亚大陆的变暖则首先是由北欧大西洋沿岸开始的,逐渐自西向东传播至整个欧亚大陆,北美洲的变暖则是自美国东南佛罗里达半岛向西北扩展进而扩展到全大陆;当南半球从夏季向冬季转换时,非洲南部和南美洲是自西向东变冷,而大洋洲则是自南向北变冷的;当南半球从冬季向夏季转换时,非洲南部和南美洲的变暖则是从东部开始的,进而自东向西传播的,而大洋洲的变暖则是自北向南传播的。分析全球海表上层大气和海洋表层的行星尺度瞬变温度扰动发现中低纬度的海-气耦合作用较强,其中发生在赤道太平洋附近的ENSO扰动在大气中的行星尺度瞬变温度扰动中有所反映;而中高纬的海-气耦合作用则较弱,海洋、大气的行星尺度瞬变温度扰动具有独立性。对海表上层气候纬圈距平风场分析发现,海表上层大气的气候纬圈距平风与海洋表层气候区域海温中心的分布具有较好的对应,当海表上层出现由两极吹向赤道的气候纬圈距平风的海域多受区域冷水控制,出现由赤道吹向两极的气候纬圈距平风的海域多受区域暖水影响;但有些海域的区域冷暖中心分布却与海水中的上翻和下沉作用相关,一般有次表层冷水上翻的海域受冷水影响,而有表层暖水汇聚的海域则受暖水控制。 (5)研究了太平洋、大西洋和印度洋三大洋区域瞬变温度扰动在REOF分析中各模态与时间系数的特征。通过对三大洋上区域瞬变温度扰动EOF分析的前4个模态做旋转,结果除了清楚地呈现出现今各大洋己发现的海温异常事件,如太平洋的ENSO、Modoki事件,北大西洋的三极子异常,印度洋的热带、副热带Dipole现象,还发现整个太平洋存在十几年时间尺度东冷西暖Dipole的低频异常变化;而且太平洋经度范围内的南北极地海域也出现10-16年波动周期的彼此东西分布相反的Dipole异常;整个大西洋存在2-7年左右的南北以赤道为对称的“+-+-+”五极子异常变化;整个印度洋存在十几年时间尺度自西南向东北的“-+-”三极子异常变化。