面向全球变化的太平洋遥感多参数关联分析

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hensun01
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太平洋是对全球变化响应的敏感区域,海洋生态参数和动力参数是研究太平洋响应气候变化的重要因子。借助卫星遥感提供的长时间序列海洋参数数据集,可以有效监测全球变化背景下海洋生态和动力环境的变化。目前关于海洋生态-动力参数的时空变化及对气候变化的响应研究已引起广泛重视,然而目前大部分研究仅限于太平洋局部海区或较短的时间范围,尚缺乏对太平洋进行多参数、多尺度的时空变化及关联关系的系统性研究。本文综合利用1997-2012年间的卫星遥感资料、再分析资料等长时间序列数据,系统研究了太平洋生态参数(叶绿素a浓度)和动力参数(海表温度、海面高度异常、海表风场、海面降雨等)的多尺度时空变化及时空关联关系,并分析了对气候变化的响应规律。本文首先针对整个太平洋,研究了海洋生态-动力参数的气候态平均分布和时空关联特征;在此基础上选取时空关联强度较大、且对太平洋气候变异响应较为敏感的典型海区(即西北太平洋、西太平洋、热带太平洋),进而重点探讨典型海区内生态-动力参数的多尺度时空变化和关联特征、以及对太平洋气候变异的响应规律。  首先,通过分析1997-2012年间太平洋生态-动力参数的气候态分布和时空关联特征,发现生态-动力时空关联模态对应着厄尔尼诺南方涛动(ENSO)、太平洋十年涛动(PDO)、北太平洋环流振荡(NPGO)等太平洋气候变异型。ENSO型表现为:在El Ni(n)o年,赤道中(东)太平洋海表温度和海面高度为正异常;西太平洋海表温度和海面高度为负异常;赤道中太平洋风速为负异常且风向转为西风距平,赤道西太平洋暖池和赤道东太平洋风速为正异常;此时对应着赤道中东太平洋海区叶绿素a浓度下降,西太平洋暖池西部海区叶绿素a浓度升高。PDO型表现为:在PDO正位相,北太平洋中西部特别是北太平洋洋流区海表温度为负异常,北美西海岸海表温度为正异常;东北太平洋中部海面高度为负异常,北美西海岸海面高度为正异常;黑潮延伸体和东北太平洋环流区风速为正距平;对应着在黑潮及其延伸体、北太平洋洋流区的叶绿素a浓度升高,而北美西海岸的叶绿素a浓度下降。NPGO型表现为:在NPGO正位相,阿拉斯加流涡区的海表温度和海面高度为负异常,在北太平洋副热带流涡区的海表温度和海面高度为正异常;对应着阿拉斯加流涡区和加利福尼亚流区的叶绿素a浓度升高,而副热带流涡和阿拉斯加沿岸流区的叶绿素a浓度下降。  对于西北太平洋,应用季节-经验正交函数分解(SEOF)方法,分析了1998-2010年间叶绿素a浓度的年际变化主模态的季节演变特征、以及与ENSO、PDO、NPGO等太平洋气候变异因子的时滞相关关系。发现西北太平洋叶绿素a浓度SEOF第一模态对应着赤道中太平洋La Ni(n)a的发展过程;第二模态比第一模态在时间上滞后一年,对应着从赤道东太平洋La Ni(n)a到中太平洋El Ni(n)o的转变过程;且叶绿素a浓度的SEOF第一、第二模态均对应着太平洋十年涛动的冷位相。通过分析西北太平洋叶绿素a浓度与海洋动力参数之间的相关性,发现在15°N-35°N之间的海域,混合层深度(营养物质)是造成叶绿素a浓度变异的主要原因;而在35°N-50°N的海域,短波辐射(光照)是造成叶绿素a浓度变异的主要原因。  对于赤道西太平洋,应用经验正交函数分解、奇异值分解、傅里叶变换和小波变换等方法,研究了1998-2010年间西太平洋叶绿素a浓度和海洋动力参数在季节和年际尺度上的时空变化和关联特征。发现在季节和年际尺度上,西太平洋叶绿素a浓度与海洋动力参数存在时滞相关:叶绿素a浓度与海表温度呈同期负相关变化;叶绿素a浓度超前海面高度异常约1个月,且二者呈负相关变化;叶绿素a浓度滞后风场约1个月,且二者在大洋海域呈正相关变化。在以155°E为界的东部中营养海区和西部贫营养海区,叶绿素a浓度呈相反的年际变化:ElNi(n)o(La Ni(n)a)年,东部海区叶绿素a浓度降低(升高),对应于海表温度升高(降低)、海平面升高(降低)、东风负(正)异常;而西部海区叶绿素a浓度升高(降低),对应于海表温度降低(升高)、海平面降低(升高)、西风正(负)异常。此外,叶绿素a浓度、海表温度、海面高度异常的主成分时间序列、与ENSO指数在变异周期及时频结构上存在一致性,年际变化主周期为28个月和18个月,次周期为45个月和13个月。  对于热带太平洋,应用Hilbert-黄变换(HHT)等方法,分解出叶绿素a浓度和动力参数在1997-2012年间的季节、年际、年代际振荡模态以及变化趋势项。季节尺度上,叶绿素a浓度与SST、东风强度均呈正相关。年际尺度上,叶绿素a浓度变化的主周期为2年、4年,海表温度变化的主周期为3.4年和5.2年,海面高度异常变化的主周期为2.2年和3.9年,降雨变化的主周期为2.5年和4.4年,风场U分量变化的主周期为3.1年;其中叶绿素a浓度的4年周期振荡与海表温度、海面高度异常、降雨和风场U分量在整体上呈负相关;但在ENSO循环的不同时期,叶绿素a浓度与动力参数的关系会由负相关转变为正相关。年代际尺度上,热带太平洋叶绿素a浓度9年周期的年代际尺度振荡特征与海表温度、海面高度异常以及风场U分量的年代际振荡存在显著负相关。此外,从各参数的变化趋势项发现1997年10月-2007年12月期间热带太平洋叶绿素a浓度大约增加了0.02 mg/m3;1997年10月-2012年12月期间热带太平洋海平面升高了大约3 cm,赤道东风有加强的趋势。
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