气候过程中的海洋—大气相互作用研究——小尺度的海—气通量过程和大尺度的热带海—气相互作用过程

【摘要】：气候变化作为一个全球性的环境问题受到广泛重视,成为海洋和大气科学研究的重点之一。海洋、大气作为气候系统的两个最重要的组成分量,它们在不同的时间和空间尺度上存在着相互作用。一般来讲,可以把海洋-大气的相互作用大致分为小尺度和大尺度两类。在小尺度上,海-气相互作用过程主要影响着两者之间的通量交换过程;在大尺度上,海-气相互作用过程决定了气候系统的低频变化,最显著的表现为以ENSO为代表的热带年际气候变化。本文的工作主要针对上述两种过程开展。 第一方面,本文试图通过对小尺度海-气相互作用过程的显式刻画来改进耦合气候模式中的通量计算方案。目前利用海-气-冰-陆耦合数值模式来模拟气候变化过程以及人类活动对于气候的影响已成为气候变化研究的一个重要而活跃的领域。但是,耦合气候模式的气候模拟试验揭示了一个目前模式中普遍存在的问题:当耦合模式系统中的各个分量联立在一起,而且每个模式分量不再使用给定的边界强迫条件时,所模拟气候的统计状态将会逐渐偏离初始状态(也通常偏离观测到的气候状态),这种现象被称为气候漂移(Climate Drift)。这种气候漂移通常认为来自两种可能:第一,各个组成模式的初始条件之间存在不平衡;第二,各个组成模式间的通量交换不相容。为了克服这种模式缺陷,在实际的气候模拟中往往采用所谓的通量调整(Flux Correction)。目前的大气-海洋耦合模式中,气-海之间的动量、热量、水汽交换过程被简单地采用某种经验参数化方案(如Bulk formula)解决,而且各种通量的交换系数采用一个普遍适用的常数,这种处理方法值得置疑。过去二十年间,许多海上观测试验揭示了这样一个事实:海―气之间的动量通量强烈地依赖于海面状态,海浪这种小尺度过程对于交换过程具有重要意义,进而可能对大尺度现象具有影响。基于此Hasselmann(1991)提出了建立大气-海浪-大洋耦合模式的设想,本文第一部分工作实际上是发展这种大气-海浪-大洋耦合模式的一种努力,利用法国国家科研中心动力气象实验室(LMD/CNRS)所发展的LMD大气环流模式和德国MPI发展的WAM第三代海浪模式,实现了大气-海浪的耦合,探索了利用海浪模式改进传统的通量计算对于气候模拟的影响,结果表明耦合模式能够得到更好的气候模拟效果。同时,在耦合模式中发现了另外一种非常有价值的现 WP=6 象,即大气环流对于由海面粗糙度引起的机械强迫过程(mechanical forcing)呈现非常显著的响应。对比耦合模式和非耦合模式的气候模拟差异时发现,大气环流对这种机械强迫的响应在热带和中高纬度呈现不同的特征,在热带大气表现为斜压响应,而在中高纬度表现为相当正压(equivalent baratropical)响应。这种响应特性与大气对海表面温度强迫的响应特征类似,它在气候系统中的重要性值得进一步探讨。 第二方面,与ENSO相关的热带大尺度海-气相互作用已被公认是影响全球气候年际变化的主要过程之一,ENSO的研究也被看作是上个世纪中海洋科学一个里程碑式的进展,但是关于ENSO的一些基本问题仍然有待于进一步认识。本文利用海洋、大气观测和再分析资料,把大气环流分解为无旋分量和无辐散分量两部分,阐明了它们在太平洋的EL Ni?o/La Ni?a和印度洋的偶极子过程中的主要变化特征,特别是讨论了其中的海-气正负反馈过程,以及太平洋和印度洋的海-气相互作用事件之间的区别与联系。