内潮混合对海洋热吸收的数值模拟研究

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在模式中,海洋热吸收是影响全球变暖预测不确定性的重要来源。内潮是驱动海洋内部跨密度面混合的重要机械能来源之一,对大尺度热盐环流、海洋热吸收和气候敏感性等具有重要影响。开展内潮混合对海洋热吸收的影响研究工作不仅对揭示海洋热吸收变化以及预测未来气候变化幅度具有重要意义,而且对了解海洋环流模式内部物理过程也有重要的启示作用。本文利用LICOM3海洋环流模式以及FGOALS-g3气候系统耦合模式,较为系统的探究了内潮混合对海洋热吸收的影响。
  本文得到的主要结论如下:
  (1)提出了一种可以直观定量分析模式中物理过程或参数化方案改动所造成的直接影响和间接影响的分析方法一被动示踪物分离方法,并借此定量研究了内潮混合对海洋热吸收的影响。从全球平均来看,海表热通量的增加是导致海洋热吸收增强的主要原因,使全球平均海温增温上升了43%。在水平方向上(上层1000m),主要是环流变化对海洋热含量进行重新分配,把印太海区和大西洋中低纬获得的盈余热量向南大洋输送。在垂直方向上,主要通过跨密度面的扩散作用将热量(66%)输送至深层海洋(主要发生在印太海区)。
  (2)利用在线收支分析方法,将影响海温预报方程演变的各物理过程在线输出,直观定量的对海洋热通量平衡建立过程进行分析,发现引入内潮混合后,对全球而言,由于海表热通量增加,使海洋热含量进一步增加了约20%。在水平方向上,主要是海表热通量变化和欧拉平流输送在热平衡的建立过程中起到决定性作用:在低纬热带海区,海洋通过海表吸收热量,在中高纬海区,海洋向大气释放热量,通过欧拉平流输送,将中低纬多余的热量向中高纬输送,维持高低纬度之间的辐射能量平衡。在垂直方向上,在中深层海洋,海洋热收支的变化以及热通量平衡的建立主要是由欧拉平流输送、中尺度涡参数化,垂直扩散以及对流过程决定的。对于全球而言,中深层海洋热通量的平衡主要是建立在欧拉平流输送和垂直扩散的增暖效应以及中尺度涡参数化过程和深对流的冷却效应之间的。引入内潮混合后,主要使垂直扩散效应增强,使中深层海洋进一步增温,而其他过程在大多数深度上都使海洋出现变冷异常。
  (3)本论文对比分析了单独海洋模式和耦合模式内潮混合对海洋热吸收的影响,发现单独海洋模式与耦合模式中海洋热吸收差异主要来自海表热通量加热的水平分布差异以及大西洋热量的垂直输送减弱。在耦合模式中具有更加强烈的海气反馈过程,使总体海洋热吸收较少,引入内潮混合后全球海洋热吸收仅增加了约6%,而在单独海洋模式中可达20%。与单独海洋模式结果的差异主要体现在垂直方向上,引入内潮混合后,在耦合模式中海洋上层900m明显变冷,而900m以下海洋热吸收增加。究其原因,主要是在耦合模式中,垂直扩散、欧拉平流和中尺度涡参数化过程都呈现出不同程度的冷却作用,从而导致海洋变冷。
  (4)在工业革命前辐射强迫条件下,引入内潮混合后,可以更快的使耦合模式达到准平衡态,减小模式模拟的北半球海表面温度的冷偏差,并在垂直方向上减小模式模拟的海洋温、盐与观测的偏差,改善温盐结构;此外,通过对气候平均态的分析,可以发现内潮混合对北大西洋中高纬海域的影响最为显著,特别是在拉布拉多海等区域,海表温度和盐度明显升高,混合层加深,海冰覆盖减少,海洋向大气失热增强,成为内潮混合影响海洋的“关键区”。本论文对比分析了全球变暖和工业革命前条件下内潮混合对海洋热吸收的影响,发现二者海洋热吸收的差异主要在于工业革命前试验中大西洋经圈翻转环流增强导致经向热输送增强,同时海冰覆盖减少,海洋向大气失热增加。
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