全球海-气湍流热通量协同估算与变化归因
文献类型：学位论文
| 作者 | 王一喆 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 唐荣林 |
| 关键词 | 海-气湍流热通量 潜热通量 感热通量 波文比 变化归因 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 海洋-大气（海-气）湍流热通量作为海-气相互作用研究中的关键物理量，由感热通量（Sensible Heat Flux, SHF）和潜热通量（Latent Heat Flux, LHF）组成；它也是海洋与大气之间能量交换的关键组分，它的比值——波文比（Bowen ratio，β = SHF/LHF）可以直观反映湍流能量的分配特征；此外，LHF 也是海洋与大气之间水量交换的重要组成部分，这使得海-气湍流热通量同时对海洋与大气间的水量和能量收支平衡起到调制作用。同时，海-气湍流热通量的变化还会影响到区域和全球天气系统的演变，并与海洋极端温度事件（如海洋热浪/冷浪事件）存在复杂的双向作用机制。因此，精确地估算海-气湍流热通量，并深入揭示其长期变化特征和驱动机制，以及它对于海洋热浪/冷浪事件的响应机制，不仅有助于深化我们对海-气相互作用机制的理解，而且对掌握海洋与大气间的水量和能量收支状况，改善极端气候事件以及未来气候变化的预测能力都具有重要的研究意义。 鉴于此，本文围绕海-气湍流热通量估算和变化归因展开，主要研究内容和研究成果如下： （1）基于全球197 个浮标站点的观测数据，对七套主流的海-气湍流热通量产品进行了系统性评估。结果表明，不同产品的SHF、LHF 和β 的估算精度存在显著差异。值得注意的是，虽然部分产品对SHF 和LHF 的估算表现出较高的准确性，但其β 估算却受到异常值的影响，精度相对较差。具体而言，七套产品β 估算的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）和相对RMSE（relativeRMSE，rRMSE）均分别超过0.87 和1077.39%，而相关系数（Correlation Coefficient，r）则均低于0.45。进一步分析发现，相较于SHF 和LHF，各产品β 的多年均值空间分布格局也表现出更低的一致性。 （2）通过引入β 物理约束，本研究创新地提出了波文比约束下的海-气湍流热通量协同估算（BrTHF）模型，实现了SHF、LHF 和β 的协同高精度估算，并成功研制了1993 至2017 年逐日0.25°分辨率的全球海-气湍流热通量产品。模型验证结果表明，BrTHF 模型在全球、区域及不同纬度带尺度均表现出优异的估算性能，其精度显著高于神经网络对照模型和七种主流产品。具体而言，在与197 个浮标的观测数据对比中，SHF、LHF 和β 的平均偏差误差（Mean Bias Error，MBE）分别为0.09 W/m2，0.14 W/m2 和-0.01，RMSE 分别为6.05 W/m2，23.67 W/m2和0.22，r 分别为0.93，0.91 和0.25，rRMSE 分别为62.12%，19.98%和220.86%。值得注意的是，与同样基于机器学习方法开发的OHF 产品相比，BrTHF 产品在多年均值空间分布特征上与基于物理模型开发的ERA5 和SeaFlux 产品表现出更高的一致性。 （3）基于BrTHF 产品，研究定量分析了1993 至2017 年全球海-气湍流热通量的长期变化特征及驱动机制。分析结果表明，SHF 和LHF 整体呈显著上升趋势，年增长率分别为0.04 W/（m2·year）和0.33 W/（m2·year）；β 变化微弱，增长率接近于零。对SHF 的长期变化影响较大的环境变量依次是海表温度（Seasurface temperature，Ts），空气温度（Sea surface air temperature，Ta），感热传输系数（Sensible heat transfer coefficient，CH）和风速（Wind speed，U），它们对于全球SHF 变化的相对贡献分别为52%，40.8%，4.8%和2.4%；海表比湿度（Sea surface specific humidity，Qs），空气比湿度（Sea surface air specific humidity，Qa），U 和潜热传输系数（Latent heat transfer coefficient，CE）对全球LHF 变化的影响依次减弱，相对贡献分别为64.7%，25.4%，5.2%和4.7%；SHF 和LHF对于β 变化的影响依次减弱，相对贡献分别为54.5%和45.5%。 （4）基于BrTHF 产品，研究定量分析了1993 至2017 年全球海-气湍流热通量对于海洋热浪/冷浪事件的响应特征及驱动机制。分析结果表明，受海洋热浪/冷浪事件影响，全球SHF，LHF 和β 均呈现增长/减弱，增长/减弱总量分别为2.63 W/m2/4.17 W/m2，5.66 W/m2/10.37 W/m2 和0.05/0.08。Ts 是引起全球SHF 变化的主要因素，其对于全球SHF 变化的相对贡献为55.3%/61.9%，Ta，U 和CH对于SHF 造成的影响依次减弱；Qs 是引起全球LHF 变化的主要因素，其对于全球LHF 变化的相对贡献为51.7%/61.0%，Qa，U 和CE 对于LHF 造成的影响依次减弱；SHF 是引起全球β 变化的主要因素，其对于全球β 变化的相对贡献为76.1%/87.1%。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 135 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217331]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王一喆. 全球海-气湍流热通量协同估算与变化归因[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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