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《中国海洋大学》 2012年
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全球气候变化对美国东海岸区域气候变化和风暴潮活动影响的研究

姚志刚  
【摘要】:全球变暖背景下,冰川融化、海水热膨胀以及大尺度环流系统如大西洋子午翻转流AMOC的调整等的共同作用将引起的海平面的快速上升,这将进一步加重沿海区域在应对风暴潮等灾害时的“脆弱性”,因此开展对沿海区域未来气候变化及其对风暴潮等灾害影响的研究具有十分现实和迫切的意义。 IPCC海气耦合模型CGCM所提供的数据由于水平分辨率过粗(大气~2.5°,海洋~1°)缺乏对近海中小尺度过程的刻画能力无法直接应用于区域海洋,因而对区域海洋气候变化研究之前必须提高CGCMs输出的分辨率-即“降尺度“。本文即利用2000-2009年间的高分辨率海表面风场CCMP(Predictand)以及NCEP/NCAR再分析数据集(Predictor),通过多元线性回归方法,建立了基于Predictor-Predictand空间EOF模态及主成分PC之间的统计降尺度模型。模型验证表明,模型结果在美国东海岸以及墨西哥湾内与观测之间具有比较好的符合程度,两者之间的相关系数基本高于0.9,在大部分区域内模型结果可以解释观测数据方差贡献的80%,模式/观测之间的误差RMSE变化范围约为2.0~3.0m/s;与浮标数据的对比表明模型结果无论位相还是振幅均与观测有着较好的符合;此外交叉验证的结果也表明统计模型的表现不依赖于模型构建时所选取数据的年份。统计模型成功重现了美国东海岸区域风场的主要空间分布特征以及变化趋势,可以用于对该区域气候变化背景下海表面风场变化的研究。 本文分别选取PI(控制场景)与A1FI (气候变化)场景下GFDL CM2.1模型数据,基于统计降尺度模型分别构建了PI场景下40年(0141-0180)以及A1FI场景下100年(2001-2100)的高精度、区域海表面风场数据集,并对温室气体增加所导致的美国东海岸及墨西哥湾区域风场等的变化趋势以及特征进行了分析,结果表明:在冬季,平均风速在32°N-40°N之间的大西洋区域内存在明显减弱较,最大降幅超过了-0.56m/s,而在墨西哥湾存在较弱的风速的增强;最大风速在缅因湾至佛罗里达半岛的整个美国东海岸区域内呈现显著降低,半岛西侧的最大降幅超过了-5m/s;风速P95呈现出自南新英格兰沿岸至大洋内区的西北-东南走向的的显著降低,而墨西哥湾及佛罗里达半岛附近则存在风速P95的微弱增加。在夏季,A1FI场景下平均风速较之PI明显减弱,最大变化区域呈现自东北向西南逐渐较弱的趋势,核心位于68°W并且其最大振幅也达到了约-0.86m/s,并且绝大部分沿海区域均可以看到平均风速的减弱趋势;此外沿美国东海岸呈现出东北-西南走向的最大风速显著减弱,变化幅度均接近或超过了-4m/s;而风速P95减小的趋势相对较弱,约为0.5-1.5m/s,核心位于64°W,32°N附近。 对风能变化的分析则表明:在冬季,平均风能主要在32°N以北区域存在较为显著的降低,降幅可以达到-178W/m~2;最大风能则存在整体性的减弱,其降幅基本超过了-1500W/m~2,但在墨西哥湾西北却存在最大风能的增加,增幅达到1000W/m~2。在32°N-42°之间,风能P95自科德角呈现西北-东南直至大洋内区的减弱,降幅范围约为300-600W/m~2,最大降幅达到-759W/m~2。在夏季,平均风能的减弱主要位于64°W,38°N附近,降幅范围约为-50W/m~2,最大降幅达到了-77W/m~2;最大风能沿整个美国东海岸呈现出整体减弱,降幅超过了-800W/m~2;风能P95的显著减小则位于64°W,38°N附近,减弱幅度约100-250W/m~2,最大降幅达到-272W/m~2。 为对气候变化对近海风暴潮活动的影响进行研究,本文随后基于ROMS海洋模式并考虑大尺度环流以及潮汐的作用,构建了适用于美国东海岸的三维风暴潮模型,并利用统计降尺度统计形成的高精度风场与气压场驱动,对研究区域内风暴潮活动的变化进行研究。 对潮高99百分位值P99的分析表明:在整个MAB地区内风暴潮高P99存在显著降低,降幅基本大于15%,最大值甚至接近40%,并且呈现出在MAB海区中部向其两端降幅逐渐减弱的分布趋势。类似的分布趋势也可以在SAB区域中发现,但其振幅要略小。在墨西哥湾内P99则略有增加,但增幅基本上低于6%。 对最大潮高的分析表明: MAB海区最大风暴潮高存在非常显著的降低,降幅基本大于30%,最大降幅达到60%,并呈现出与P99类似的空间分布趋势; SAB区域最大风暴潮高有所增加,增幅约为20%-30%;而在其他区域内变化并不显著。 对潮高统计直方图的分析表明:MAB地区风暴潮增水事件的振幅与频率表现出显著降低,尤其在增水的高值区最为显著,潮高的分布表现出向负值方向的偏移。SAB海区的空间分布较为复杂。而墨西哥湾西部则表现出较明显的风暴潮增水振幅以及频率的增加。在其他区域潮高分布形态的变化相对较弱。 对极值累计概率密度曲线的分析表明:MAB区域极值概率曲线的高度存在显著降低,降幅基本上超过10cm,而在墨西哥湾西北部极值概率曲线的高度较控制试验存在显著的升高,其他区域内两者之间的差异并不明显。 对风暴潮极值增水的Wilcoxton秩和检验计算表明:MAB海域以及墨西哥湾西北部附近区域,统计检验的P值均小于或等于0.03,其相对控制试验的变化在统计意义下是显著的;而其他区域风暴潮极值增水的变化在统计意义下并不显著。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P732

【参考文献】
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