海洋降水与中国区域夏季降水对全球变暖的响应：模态提取与时空分析

【摘要】：降水是人类生产生活以及社会经济发展不可或缺的重要因素之一,同时,降水也是海-气因子中最难预测的因素之一。加之工业革命后,二氧化碳等温室气体在大气中的浓度逐渐增加,地球的能量平衡因温室效应的加强而改变,全球温度逐渐上升,1981年至2010年,全球平均温度大约上升了0.6℃,全球变暖已成为不争的事实,随之发生的极端降水事件的增多与增强,严重影响了生态环境的平衡与人类的正常生活。虽然目前人们对降水的研究已有丰硕的成果,但是对海洋降水趋势及机制的认识,中国区域降水年代际模态特征及影响因素仍存在分歧。本论文将以研究海洋降水以及中国区域降水对全球变暖的响应为目标,对海洋及中国区域降水进行模态提取及时空分析。本论文围绕这一目标主要做了以下几方面的研究工作：1.建立了卫星遥感反演降水的误差修正模型。八十年代后期以来,以SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager)为代表的星载微波辐射计发射后,卫星遥感在降雨观测中发挥了越来越重要的作用。虽然遥感手段观测降水具有时间连续,空间范围广泛等优点,但同时都受到反演方法的限制,从而产生系统误差。比如,在反演的过程中,较少考虑到风场在降水过程中对水滴产生的飘移作用。针对此问题,本论文利用海表面风速与高度的对数关系、风向与高度的关系,推算出高空的风速、风向及相应风力的关系,建立了风场影响降水飘移距离的误差修正模型,纠正后比纠正前的TRMM卫星降水数据,相对GPCP (Global Precipitation Climatology Project)的误差修正了12%左右,为海洋降水模态的研究奠定了数据基础。2.验证了区域选择会影响经验正交方法(Empirical Orthogonal Function, EOF)的模态提取结果。在提取中国区域降水模态特征时,EOF方法被广泛使用。但是EOF方法有较强的数学性,导致分析的模态结果有时会难以解释。通过将全球分割成不同的区域,研究区域大小选择对EOF模态提取结果的影响。主要将全球进行海、陆分割,经度带、纬度带的条状分割以及36块区域的块状分割。试验结果显示,全局EOF方法进行模态提取时会将局地特征进行高度平滑,导致局地精细模态无法显示或错误显示。因此,在利用EOF方法进行中国区域降水模态提取时,必须选择合适的区域大小,才能达到方法与数据的高效结合。3.计算了全球变暖背景下海洋降水两大主流机制之间关系的阈值。目前在全球变暖背景下,海洋降水的变化主要有两大理论机制,一是Warmer-get-wetter机制,一是Wet-get-wetter机制。但是海洋降水变化并非由某一机制单独决定,而是两个机制联合作用的结果。本论文利用GPCP降水数据集对全球海洋降水在1979-2010年期间的时空特征进行分析,发现在1997-98爆发的强厄尔尼诺事件后,降水与海表面温度(Sea Surface Temperature, SST)在时空分布上存在较好的相关性。同时使用GPCP、纠正后TRMM卫星及GFDL-ESM-2G模式降水数据,ERSST、HadISST1及GFDL-ESM-2G模式SST数据将全球海洋降水划分为七个区域,发现SST变化的信噪比为0.5是区分Warmer-get-wetter与Wet-get-wetter哪个为主控机制决定降水变化的一个重要判据,而SST变化的鲁棒性对海洋降水变化是一个至关重要的影响因子。4.发现了全球变暖背景下影响中国区域夏季降水年代际模态的因子发生改变。本论文制作了一套中国区域夏季干旱频率数据,通过干旱频率数据研究中国区域降水对全球变暖的响应,挖掘单纯使用降水数据所不能发现的年代际模态特征。通过区域EOF分析,发现中国区域夏季干旱频率的年代际主模态受到三个因素的影响,太平洋十年振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)、大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)以及全球变暖。在20世纪90年代末之前,PDO一直是影响中国区域夏季干旱的一个重要因素,但是随着全球变暖的逐渐增强,AMO对中国干旱的影响越来越大,它的影响通过大西洋-欧亚波列传至中国东部,使中国东部呈现一个偶极子的模态特征。该发现表明,在全球变暖的影响下,中国区域甚至亚洲及西太平洋区域的气候变化将受到大西洋的影响,这一发现对上述区域的气候研究有着重要的意义。 【关键词】：海洋降水 中国区域降水 全球变暖 模态提取 时空分析
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P426.6;P732
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-23
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 海洋降水的研究现状14-16
• 1.2.2 中国降水的研究现状16-19
• 1.3 论文的研究内容19-20
• 1.4 论文组织结构和章节安排20-23
• 2 全球降水数据与修正23-39
• 2.1 降水观测方法23-28
• 2.1.1 雨量计观测23
• 2.1.2 地基雷达观测23-24
• 2.1.3 卫星遥感观测24-28
• 2.2 降水数据类型28-32
• 2.3 TRMM卫星数据存在的误差及纠正32-38
• 2.3.1 误差修正模型32-35
• 2.3.2 数据纠正35-38
• 2.4 本章小结38-39
• 3 降水模态提取方法与分析39-58
• 3.1 模态提取方法及影响降水的耦合模态39-44
• 3.1.1 主要模态提取方法对比39-40
• 3.1.2 影响降水的海-气耦合模态—涛动40-42
• 3.1.3 影响降水的海-陆耦合模态—遥相关42-44
• 3.2 区域选择对EOF的影响44-57
• 3.2.1 试验分割方法44-46
• 3.2.2 试验结果分析46-57
• 3.3 本章小结57-58
• 4 全球变暖背景下海洋降水的模态提取与时空分析58-70
• 4.1 全球海洋降水特征58-61
• 4.1.1 时间特征58-59
• 4.1.2 空间特征59-61
• 4.2 机制讨论61-68
• 4.2.1 降水区域的划分61-62
• 4.2.2 阈值的计算62-68
• 4.3 本章小结68-70
• 5 全球变暖背景下中国区域夏季降水的模态提取与时空分析70-84
• 5.1 中国区域夏季干旱时空特征70-75
• 5.1.1 基本时空特征70-71
• 5.1.2 区域EOF分析71-75
• 5.2 全球变暖下AMO对中国区域夏季干旱的影响75-80
• 5.2.1 模态特征75-76
• 5.2.2 数据重构76-78
• 5.2.3 物理机制78-80
• 5.3 PDO对中国区域夏季干旱的影响80-83
• 5.3.1 数据印证80-81
• 5.3.2 物理机制81-83
• 5.4 本章小结83-84
• 6 总结与展望84-87
• 6.1 总结84-86
• 6.2 展望86-87
• 参考文献87-95
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果95-97
• 致谢97

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