中国物理海洋学研究70年:发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团，以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强，研究领域不断拓展，涌现了大量具有广泛影响力的研究成果，其中包括:提出了被国际广泛采用的“普遍风浪谱”和“涌浪谱”，发展了第三代海浪数值模式；提出了“准调和分析方法”和“潮汐潮流永久预报”等潮汐潮流的分析和预报方法；发现并命名了“棉兰老潜流”，揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等，系统描述了太平洋西边界流系；提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流)；不断完善了中国近海陆架环流系统，在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流，以及陆架波方面均取得了深刻的认识；从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结；发展了浅海水团的研究方法，基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制，在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献；阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制，揭示了中尺度涡的三维结构，定量评估了其全球物质与能量输运能力；基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征，提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制；构建了“南海内波潜标观测网”，实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识；发展了湍流的剪切不稳定理论，提出了海流“边缘不稳定”的概念，开发了海洋湍流模式，提出了湍流混合参数化的新方法等；在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识，并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响；研发了全球浪–潮–流耦合模式，推出一系列海洋与气候模式；发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统；建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模 型实验平台；发展了ENSO预报的误差分析方法，建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系，揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应；初步建成了中国近海海洋观测网；持续开展南北极调查研究；建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统，为中国气象减灾提供保障；突破了国外的海洋技术封锁，研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器；建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型，为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示，经过70年的发展，中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍，这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军。     

南海开放共享航次关键科学问题的思考——从多尺度海洋动力学角度出发

南海是西太平洋最大的边缘海, 通过一系列的海峡与西太平洋和印度洋相联通, 其不同时空尺度的海洋环流动力过程及其生态环境效应是南海区域海洋学研究的重要内容。自20世纪50年代末全国第一次海洋普查开始, 我国对海洋调查的支持力度不断加大, 以科学考察船为代表的海洋科学观测平台建设不断加强; 进入新千年以来, 国内海洋科考船依托的各主要研究所和院校本着开放的理念, 先后组织多单位联合进行海上观测。尤其是最近10年, 国家自然科学基金委员会支持实施了船时共享航次计划, 进一步促进了国内海洋界的交流和合作, 南海区域海洋学的相关研究取得了很多重要的成果。从多尺度环流动力学的角度出发, 本文简要回顾了南海海洋观测的发展历程, 并初步总结了近些年来南海关键科学问题的研究进展, 包括南海和西太平洋的水体交换过程、南海中小尺度过程、多尺度相互作用及其生态环境效应等; 并且在现有的研究基础上, 对未来南海的观测和科学问题提出若干思考与展望。     

海洋表面盐度与海洋环流和气候变化的关系

依据Argo的海洋盐度观测及降水、蒸发、海面高度等数据分析了全球海洋表层盐度的平均态和低频变化特征及其与海洋环流和气候变化的关系,并结合前人成果对海洋盐度的研究进行了回顾和展望.蒸发减降水在最低阶上决定了海洋表层盐度的分布,海洋环流动力过程在大部分海域调整了海洋表层盐度的空间结构,并影响了海洋表层盐度的低频变率.全球变暖的情况下,海洋表层盐度表现为盐度高的地方会变得更高、盐度低的地方会变得更低,表征为整个水循环系统的加强.在最近20年全球变暖停滞期,海表盐度变化与全球变暖的趋势不同,更多地体现了对气候系统的年代际及多年代际振荡的响应,此阶段对应着Walker环流加强;西太平洋和东南印度洋海表盐度的反向变化揭示了跨海盆尺度海洋动力过程的重要性,海洋Rossby波和印尼贯穿流的共同作用使得东南印度洋海表盐度显著降低;在东南太平洋和北大西洋更多地体现了全球变暖下的海表盐度单调升高或降低的响应.期待未来的盐度卫星能够提供更高时空分辨率的盐度数据,这将和Argo观测一起,拓展我们在中尺度动力学、区域海洋学以及气候变化等方面的认知.     

黑龙江省草地螟第三暴发周期气候特征及风险概率

1996年以来,黑龙江省草地螟第三暴发周期持续至今,危害日益加重。以1959—2008年黑龙江省28个国家基本站气象资料以及草地螟暴发期等资料为基础,分析了黑龙江省草地第三暴发周期的气候特征及风险概率。结果表明：近50 a来,黑龙江省年平均气温、年平均最低气温呈显著的上升趋势,通过0.001显著性检验,气温在1988年前后出现突变。其他要素如降水量、降水日数、风速和日照时数均呈减少趋势,但只有年日照时数和年平均风速的减少趋势通过了显著性检验。哈尔滨草地螟始发日期与同期平均气温、日最高气温、最低气温、最小相对湿度关系密切,本地越冬虫源春季羽化对气温、相对湿度敏感性较高;同时,始见日期与最大风速的风向相关较为密切,可能是由于外地虫源对风向敏感性较高。通过对黑龙江省草地螟高峰期首日的风险概率分析,得出草地螟高峰期出现在5月最后一个候的风险概率为23.6%;出现在6月上旬的风险概率为36.6%;出现在6月中旬的风险概率为24.0%;出现在6月下旬的风险概率为14.4%。     

ENSO事件对云南及临近地区春末初夏降水的影响

本文采用合成及相关分析的方法,应用55年中国降水资料、美国NOAA海表温度资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了ENSO事件对我国云南及其邻近地区春末初夏降水的影响及物理机理.研究结果表明:(1)在El Ni(n)o (La Ni(n)a)年,云南大部分地区4～5月降水偏少(多),东部地区相关信号尤其明显;(2)...     

赤道印度洋中部断面东西水交换的季节变化及其区域差异

采用海洋再分析资料和实测资料研究了热带印度洋中部东西水交换特征。结果表明存在两个相互独立的过程,即北印度洋过程(4°~6°N)和赤道过程(2°S-2°N)。北印度洋过程受季风影响显著,11月至翌年3月冬季风期间表现出很强的低盐水向西输送,5-9月夏季风期间则为高盐水向东输送;由于冬季风期间的输送较强,年平均表现为低盐水向西输送。赤道过程分为表层过程和次表层过程。表层赤道过程受局地风场驱动,有明显的半年周期;4-5月和10-11月的东向流将赤道西印度洋的高盐水向东输送,其余月份相反;向东的输送较强,年平均表现为净高盐水向东输送。在次表层赤道过程没有明显的季节变化,海流全年一致向东,将海盆西部的高盐水向东输送。     

2009-2010年冬季南海东北部中尺度过程观测

根据南海北部陆架陆坡海域2009-2010年冬季航次的CTD调查资料,发现西北太平洋水在上层通过吕宋海峡入侵南海,其对南海东北部上层水体温盐性质的影响自东向西呈减弱趋势,影响范围可达114°E附近。入侵过程中受东北部海域反 气旋式涡旋(观测期间,其中心位于20.75°N,118°E附近) 的影响,海水的垂向和水平结构发生了很大变化,特别是涡旋中心区域,上层暖水深厚,混合层和盐度极大值层显著深于周边海域。该暖涡在地转流场、航载ADCP观测海流及卫星高度计资料中均得到了证实。暖涡的存在还显著影响了海水化学要素的空间分布,暖涡引起的海水辐聚将上层溶解氧含量较高的水体向下输运,使次表层的暖涡中心呈现高溶解氧的分布特征。     

黑龙江省草地螟第三暴发周期气候特征及风险概率

1996年以来黑龙江省草地螟第三暴发周期持续至今,危害日益加重。以1959-2008年黑龙江省28个国家基本站的气象资料以及草地螟暴发期等资料为基础,分析了黑龙江省草地第三暴发周期的气候特征及风险概率。结果表明：近50 a来,黑龙江省年平均气温、年平均最低气温呈显著的上升趋势,通过0.001显著性检验,气温在1988年前后出现突变。其它要素,如降水量、降水日数、风速、日照时数均呈减少趋势,但只有年日照时数和年平均风速的减少趋势通过了显著性检验。哈尔滨草地螟始发日期与同期平均气温、日最高气温、最低气温、最小相对湿度关系密切,应该是本地越冬虫源春季羽化对气温、相对湿度敏感性较高;同时始见日期与最大风速的风向相关较为密切,可能是由于外地虫源对风向敏感性较高。通过对黑龙江省草地螟高峰期首日的风险概率分析,得到黑龙江省草地螟高峰期出现在5月最后一个候的风险概率为23.6%;出现在6月上旬的风险概率为36.6%;出现在6月中旬的风险概率为24%;出现在6月下旬的风险概率为14.4%。     

Response of upper ocean currents to typhoons at two ADCP moorings west of the Luzon Strait

We deployed two ADCP mooring systems west of the Luzon Strait in August 2008, and measured the upper ocean currents at high frequency. Two typhoons passed over the moorings during approximately one-month observation period. Using ADCP observations, satellite wind and heat flux measurements, and high-resolution model assimilation products, we studied the response of the upper ocean to typhoons. The first typhoon, Nuri, passed over one of the moorings, resulting in strong Ekman divergence and significant surface cooling. The cooling of surface water lagged the typhoon wind forcing about one day and lasted about five days. The second typhoon, Sinlaku, moved northward east of the Luzon Strait, and did not directly impact currents near the observation regions. Sinlaku increased anomalous surface water transport exchange across the Luzon Strait, which modulated the surface layer current of the Kuroshio.     

Pathways of mesoscale variability in the South China Sea

The propagation of oceanic mesoscale signals in the South China Sea (SCS) is mapped from satellite altimetric observations and an eddy-resolving global ocean model by using the maximum cross-correlation (MCC) method. Significant mesoscale signals propagate along two major bands of high variability. The northern band is located west of the Luzon Strait, characterized by southwestward eddy propagation. Although eddies are the most active in winter, their southwestward migrations, steered by bathymetry, occur throughout the year. Advection by the mean flow plays a secondary role in modulating the propagating speed. The southern eddy band lies in the southwest part of the SCS deep basin and is oriented in an approximately meridional direction. Mesoscale variability propagates southward along the band in autumn. This southward eddy pathway could not be explained by mean flow advection and is likely related to eddy detachments from the western boundary current due to nonlinear effects. Our mapping of eddy propagation velocities provides important information for further understanding eddy dynamics in the SCS.