北黄海和渤海冬季环流动力学的数值实验

本文通过数值实验,对北黄海和渤海冬季环流的某些基本特征作了初步探讨。结果表明,冬季渤海海峡北进南出的环流配置,主要取决于海峡处北深南浅的水深分布;而与科氏力影响无关,黄海暖流作为本海区冬季环流数值实验的液边界入流条件,只能影响液边界附近区域和北黄海东部区域的环流分布。此外,对于本海区若干中尺度涡形成的机理,以及海底地形对于环流分布的影响,也作了相应的讨论。     

黄海冬季环流的数值模拟

在北黄海和渤海冬季环数值研究的基础上，利用其进一步改进的数值差分格式，对整个黄海的冬季环流进行了数值模拟。数模结果表明，改进的差分格式完全保持了计算海区的总能量和总质量守恒。就环流的总趋势而论，数据模拟结果与由资料所分析的结果几乎完全相同。     

冬季黄海暖流西偏机理数值探讨

利用海洋数值模式(MITgcm)模拟了冬季黄海流场并对冬季黄海暖流西偏的机理进行了探讨。冬季黄海流场模拟试验表明,黄海暖流由济州岛以西约32.5°N,125°E附近进入黄海,然后沿着黄海深槽西侧70 m等深线附近向北偏西运动;海面高度调整对黄海暖流路径具有重要影响,沿着黄海暖流路径的海面高度梯度比周围海区大,由海面高度梯度产生的地转流引起的北向体积输运占总的北向体积输运的78%。狭长海湾地形控制试验表明,单纯的黄海地形分布不足以引起黄海暖流西偏。黄海典型断面试验与渤海、黄海、东海地形控制试验说明,黄海暖流进入黄海的地理位置对流场分布有重要影响,黄海暖流进入黄海的位置恰好位于深槽西侧地形坡度较大区域,在位涡守恒的约束下黄海暖流受地形捕获沿70 m等深线附近向北偏西运动;试验还表明,黄海暖流进入黄海的位置与东海北部环流和地形分布有关,在冬季风的作用下东海北部环流的一部分沿着地形陡坡进入黄海形成黄海暖流。由此认为,黄海、东海环流在其特殊地形的约束下对冬季风的响应和调整,是引起黄海暖流西偏的主要原因。     

渤海—北黄海沉积物黏土矿物特征及其环境意义

基于409个表层沉积物样品黏土组成的分析测试结果,结合周边河流沉积物黏土矿物组成数据,研究了渤海—北黄海底质沉积物中黏土矿物的分布特征、来源和输运趋势。渤海—北黄海底质沉积物中黏土矿物组分质量分数从高到低依次为伊利石(70%)、高岭石(12%)、绿泥石(11%)和蒙皂石(7%)。根据沉积物黏土矿物的组成和分布特征,可以把研究区分为2个区和6个亚区。I区物质来源主要为黄河,分布在黄河口外,向东北延伸至渤海海盆、东南向经莱州湾再向东北延伸至北黄海南部海域;II区物质来源主要为潍河、六股河、滦河和辽河等,还包括海岸侵蚀物质,主要分布在辽东湾、渤海湾北部和北黄海北部等海域。黏土矿物的输运和分布除了受到物源的影响外,主要受渤海环流的控制。     

渤黄海海平面的变化及其与ENSO的关系

利用1992年12月至2007年5月的高度计资料,研究了渤黄海海平面的变化特征。统计分析表明,近14a间渤海及北黄海、中央黄海海平面的平均上升高度分别为45.9mm和34.7mm,各海域的海平面上升速度不完全相同。研究发现,南方涛动指数(SOI)、纬向风应力距平都与渤海及北黄海、中央黄海的SLA呈负相关性,渤黄海海平面显著受SOI、纬向风应力调制,并且,SOI与渤黄海海域的风场之间有良好相关。将坐标系进行旋转后,获得与当地海平面异常相关最大的风应力方向。对SLA与新坐标系下风应力距平u的低频分量分析发现,渤海及北黄海海区、中央黄海对海平面影响最大的风应力距平u方向分别为东偏南20°方向、东偏南8°方向,风应力距平u分量与SLA、SOI的低频分量呈现更好的相关性。ENSO通过大气环流过程对渤黄海海域的风场产生影响,当地风场通过纬向风应力对渤黄海海平面的年际变化产生调制作用。因此,ENSO可以通过风应力对渤黄海海平面产生影响。     

北黄海夏季温盐年际变化时空模态与气候响应

根据北黄海断面1976~2015年历年8月温度、盐度与长岛气候要素资料,采用旋转经验正交函数(REOF)、最大熵谱分析和延迟相关分析等方法,研究了北黄海断面夏季温度、盐度年际变化时空模态与气候响应.断面温度主要有4种时空模态:第一、二模态为海洋因素影响的年际变化分量,渤海断面夏季温度分量和7月太平洋年代际振荡(PDO)指数的线性与非线性作用是主要影响因素.第三、四模态为海洋与大气因素影响的年际变化分量,渤海断面夏季温度分量、断面冬季表层平均温度、7月风驱环流强度和5月PDO指数的线性和非线性作用是主要影响因素.断面盐度主要有4种时空模态:第一模态为海洋与大气因素影响的年际变化分量,渤海夏季盐度、夏季降水量及断面冬季表层盐度是主要影响因素;8月纬向风驱环流是次要影响因素.第二至四模态为大气因素影响的年际变化分量,7、8月风驱环流强度和夏季降水量是主要影响因素.北黄海夏季风驱环流分布是北黄海断面夏季温盐年际平均分布的主要影响因素.断面温盐垂直层结年际变化为准平衡态周期年际变化.北黄海断面冷水团月平均温度和面积为准平衡态周期年际变化,断面温度第三模态、断面冬季表层平均温度是断面冷水团月强度年际变化的主要影响因素,7月PDO指数是非线性影响因素.北黄海断面冷水团月平均盐度为显著线性低盐趋势周期年际变化,断面盐度的第一至三模态以及渤海断面夏季盐度分量的线性和非线性作用是冷水团月平均盐度年际变化的主要影响因素.北黄海断面夏季冷水团中平均温度、盐度的长期变化趋势是不同的,不存在长期稳定的比例关系.     

渤海、北黄海海冰与气候变化的关系

渤海和北黄海的冰情随着历年冬季气候差异而不同.暖冬海冰覆盖范围不足海域的15%,而寒冬可覆盖海域80%以上.概述了海冰监测及资料来源.冰覆盖面积、外缘线位置和冰况等级等被作为反映结冰海域冰情的指标.用大连和营口站的气温表示渤海、北黄海海域的局地气候.用1952～2000年大连的月平均气温描述冰情的变化.给出冰情指数由1952/1953年到1999/2000年随大连站月平均气温变化.影响渤海和北黄海冰情和气候的因子很多,诸如大气环流的演变和太阳活动等.分析了多种因子与冰情的滞后相关,指出20世纪90年代渤海冰情持续偏轻与全球气候变暖趋势相当一致;渤海和北黄海冰情的年际变化与El-Nino现象以及太阳活动周期有关;讨论了海冰季节演变的特征     

渤、黄海冬、夏季节风生流场年际变化时空模态与环流变异

根据1975—2017年冬、夏季节渤、黄海沿岸25个气象站风观测资料,采用二维非线性垂直平均风生流模式、旋转经验正交函数(REOF)等方法,研究了渤、黄海冬、夏季节平均风生流速度势与流函数场年际变化时空模态与环流变异.由于冬、夏季节渤、黄海风应力场强度年际变化显著线性减弱趋势,冬季渤、黄海平均速度势与流函数强度年际变化线性减弱速率大于夏季,黄海冬、夏季平均速度势与流函数强度年际变化线性减弱速率大于渤海.渤、黄海冬、夏季节平均风生流速度势与流函数场年际变化主要有两种时空模态,冬季渤海垂直环流显著线性减弱以及水平环流准平衡态年际变化是主要分量,冬季黄海垂直与水平环流准平衡态年际变化是主要分量.夏季渤海垂直环流显著线性减弱以及水平环流准平衡态年际变化是主要分量,夏季黄海大部分海域垂直环流显著线性减弱与局部垂直环流显著线性增强年际变化是主要分量,夏季黄海水平环流形态此消彼长显著线性增强及减弱年际变化是主要分量.冬季黄海暖流暖水向南黄海西侧以及向渤海中部输送过程是在3～4个环流之间传递形成,并非由单一环流输送形成.冬季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部至渤海海峡的气旋环流、黄海东部辐散下沉反气旋环流是冬季黄海暖流强度与范围的控制环流,夏季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部辐合上升气旋型环流是夏季渤、黄海冷水团强度与范围的控制环流,冬、夏季节渤、黄海控制环流年际变化形态的变换形成冬季黄海暖流与夏季渤、黄海冷水团暖年或冷年的年际变化.     

渤海和北黄海水色光谱的特征分析

我国的主要海域包括渤海、黄海、东海的大部分和南海的近岸部分都属于二类水体,这些海域的光学特征极为复杂。针对不同海域的海洋光学特征进行研究,对于反演二类水体叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质的浓度具有非常重要的意义。本文利用渤海和北黄海海域2002年11月至2003年8月的水色调查数据,对调查海区的水色光谱的特征进行了研究和分析。结果显示调查海区的水色光谱类型主要分为4个类型：类型的主要特点是光谱峰值位于570nm,谱峰比较窄,随波长远离谱峰波段,遥感反射率迅速减小,主要分布海域为渤海湾、莱州湾及辽东湾。类型2的光谱峰值位于550nm左右,谱峰比较宽,随波长增大,遥感反射率迅速减小,主要分布在渤海中部海区。类型3光谱峰值位于500—550nm范围内,440nm存在极小值,主要分布在渤海海峡和渤海中北部的一块海域。类型4类似于大洋一类水体的水色光谱,其特点是在可见光波段内,随波长增大,遥感反射率逐渐减小,主要分布在渤海海峡以外、远离海岸的北黄海海域。     

渤海及邻近海区表层沉积物粒度组成及沉积分区

通过渤海及邻域海区表层沉积物粒度实测数据,采用Folk三角图解分类方法,对比已有Shepard分类沉积物类型图对近岸的沉积物类型进行相应补充,编制沉积物类型图,并进行沉积分区。沉积物类型主要为砂质粉砂、粉砂质砂、砂质泥、泥质砂、粉砂和砂。根据沉积物类型分布特征、海洋环流、地形地貌及物质来源(入海河流物质影响程度),划分为4个沉积区,分别是辽东湾混合沉积区、渤海湾-莱州湾及周边泥质沉积区、老铁山水道-辽东-渤中浅滩砂质沉积区和北黄海西部泥质沉积区。渤海表层沉积物的分布受控于近源河流物质和海洋环流变化。渤海的潮流场控制泥沙输运,弱潮流区对应细颗粒沉积物沉降,强潮流控制区发育粗粒级潮流沙脊和沙席沉积。     

渤海夏季潮致-风生-热盐环流的数值诊断计算

基于正交曲线坐标的ECOMSED三维水动力模式,并考虑了潮汐、风和实测温盐场,诊断计算了渤海夏季三维潮致-风生-热盐环流,分析了渤海夏季潮致余流、风生和热盐环流的分布结构。结果显示,在夏季,渤海中部海区明显存在一个顺时针向的涡旋,同时渤海还存在着多个逆时针向的涡旋。通过分析和比较各个分量在总环流中的作用,认为夏季潮致余流是相对弱的;热盐环流在夏季总环流中占主要成分。     

秋季和春季黄渤海黄色物质空间分布特征

利用2013年秋季和2014年春季两个季节黄渤海现场数据对黄色物质的水平分布及垂向分布的变化进行研究,并初步分析了其主要控制因素。垂向黄色物质表现为底部高上层低的特征。其中,秋季混合作用加强导致上层40m黄色物质混合较为均匀;春季北黄海温盐跃层已经形成,黄色物质分布开始出现明显的分层现象,上下层浓度差约为2?g/L。春季南黄海盐度跃层尚未形成,水深小于50m的水层黄色物质垂向分布均匀,近岸和远岸海域浓度分界线明显。水平方向上,黄色物质在秋季和春季分布趋势一致,由渤海、北黄海至南黄海浓度依次降低,且呈现出由近岸向中央海区递减的趋势,但整体上春季浓度较秋季明显偏低。海表盐度与黄色物质浓度两者整体上呈现负相关关系,可以将黄色物质浓度分布作为研究黄海暖流走向、划分水团性质的重要指标。     

黄、渤海表层沉积物中钙质超微化石分布规律与黄海暖流流路

黄、渤海表层沉积物中钙质超微化石有较广泛分布,属种较大洋和开阔海少而单调。黄海南部见有14个种,北黄海及渤海海峡4～5个种,渤海沿岸区2～3个种。钙质超微化石分异度D_H以及主要化石种相对百分含量的高值区的主轴线的走向与现代黄海暖流的流路密切相关。得出黄海暖流由南黄海东南部流入北黄海,通过渤海海峡的北侧进入渤海,在渤海中部呈南北向伸展。     

渤黄海表层沉积物粘土矿物组成及分布特征对物源的指示意义

通过对在渤、黄海海域73个站位的表层沉积物中粘土矿物种类和含量分析,研究了渤、黄海表层沉积物粘土矿物的组合类型、分布特征及其物质来源。研究结果表明,渤、黄表层粘土矿物组合为:伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石,渤海表层粘土粒级沉积物中有方解石存在,黄海表层粘土粒级沉积物中有长石存在。伊利石含量最高,高岭石和绿泥石含量次之,蒙脱石含量最低。伊利石含量在渤海含量高,北黄海含量低,南黄海西高东低;蒙脱石含量在渤海高,在北黄海东高西低,在南黄海西高东低;高岭石含量在渤海低,在黄海高;绿泥石含量分布与蒙脱石相反,在渤海低,在北黄海东低西高,在南黄海西低东高。渤、黄海沉积物主要是入海河流输入的陆源物质,渤海沉积物以黄河物质为主。黄海沉积物主要来自黄海沿岸流携带来的现代黄河物质,老黄河口堆积体受侵蚀而搬运的物质,以及黄海暖流和长江冲淡水带来的长江物质。     

渤海夏季环流和渤海海峡水体输运的数值诊断研究

建立了一个基于POM的涵盖渤、黄、东海的海洋环流诊断模式来研究渤海夏季环流。分别进行了风海流、密度流和总环流的模拟。从模拟结果得出:渤海海峡夏季与北黄海的水交换总的来说表现为北进南出特征,但与冬季相比,其流量较小(约5×103m3s 1)且不能深入渤海。辽东湾基本上受气旋式环流控制,黄河口外至渤海湾受反气旋式环流控制。数值实验表明,渤海夏季主要属密度流性质。在渤海海峡的北岸存在一支明显的上升流,而且北部的海水垂向运动比南部要强许多。在渤海中部的纬向断面上,东部的海水垂直交换要比西部活跃得多;渤海海水的垂向运动亦主要是密度流导致的。     

盐度的分布及变化特征

海水盐度是海水的基本要素之一,其时空分布常是海洋科学研究的重要依据。黄海和东海是位于北太平洋西部的边缘海,与太平洋有着良好的水交换,太平洋高盐水通过黑潮及其分支——台湾暖流、对马暖流以及黄海暖流流入东海和黄海,影响本调查海区(特别是本区东南部)。与此相对应,在本区的西北部则受到由苏北沿岸流和长江冲淡水等所形成的沿岸低盐流系的影响。这两种不同性质流系的相互作用和变化,在很大程度上决定着海区盐度的分布与变化特征。     

2000年夏末和翌年初冬渤海水文特征

利用2000年夏季和2001年冬季渤海两次CTD资料,系统分析了渤海冬、夏季温盐密度的分布特征,并揭示了渤海现有的水文特征与以往研究结果相比存在一些新现象,表现在:夏季在渤海海峡、辽东湾口和渤海湾口中部中、下层存在3个低温中心,在渤海中部则出现1个上下均匀一致的高温中心;冬季等温线以渤海海峡暖中心向西和向北两个方向伸入渤海,而从秦皇岛外海有一冷水舌向东南方向伸展,在渤海中部海域形成"马鞍状"等温线结构.冬、夏季渤海盐度比以往有显著升高,并明显高于北黄海西部,盐度分布势态表现为渤海湾高盐,渤海海峡低盐特征.密度分布表明:夏季渤海的密度流较强,并在中部可能存在多个密度流涡环;冬季渤海"马鞍状"温盐结构反映其环流结构要比以往研究结果复杂得多,黄海暖流(余脉)在渤海存在分支现象.利用模式对其进行密度流的诊断模拟,结果和实测温盐场符合较好.     

黄渤海水体交换、悬沙特征及其对渤海海峡沉积的影响

根据渤海潮流、环流和悬沙浓度特征，黄海水体由渤海海峡北部输入渤海，在渤海循环后，经由渤海海峡南部输出到北黄海。输出水体的悬沙浓度达到0.01kg/m^3的量级，远高于输入水体。因此，黄、渤海水体交换的结果是悬沙向北黄海输出。渤海海峡南部是高悬沙浓度区，又是渤海水体输往北黄海的通道，因而渤海海峡楔状堆积体似乎是截留部分悬沙并发生堆积的结果。但是，渤海海峡水动力条件和沉积物分布特征均不支持这个假说。楔状堆积体的主体部分可能是在全新世高海面以前就形成了，而其物质可能是来源于海面上升过程中的海底物质改造和局部的海岸侵蚀。要弄清渤海海峡楔状堆积体的成因和物质来源，还需深入研究堆积体的表层沉积速率、泥碳的年龄、泥质沉积区的动水沉降通量、以及浅地层剖面层序。     

中国的内海——渤海

中国近海包括渤海、黄海、东海、南海和台湾省以东太平洋一隅等5个海区。渤海位于中国近海的最北部，它虽没有中国近海其他海区那么宽广，但是渤海带给中国东北部的影响却是巨大的，     

渤海、黄海和东海的潮余流特征及其与近岸环流输送的关系

渤海、黄海和东海是西北太平洋陆缘海,有宽广的大陆架,太平洋潮波长驱直入,在大陆架海域形成显著的潮汐运动,由此而产生的潮余流输送在许多地区显示出重要作用。已有很多学者(方国洪等,1985;黄祖柯,1992)用数值方法计算过渤海的潮波运动,并给出了那里的潮余流分布。渤海的潮余流计算大体上有两种方法:(1)用二维或三维潮波运动方程组计算潮汐和潮流,然后再计算欧拉潮余流(方国洪、杨景飞,1985;于克俊、张法高,1987;黄祖柯,1992);(2)以弱非线性三维拉格朗日平均流理论为基础,计算拉格朗日潮余流,它不仅包括最基本的欧拉余流,而且还包括在浅水比较显著(与欧拉余流同量级)的斯托克斯漂移速度和高阶的拉格朗日漂移速度订正值(郑连远,1992;王辉等，1993)。上述两种方法理应给出大体相近的潮余流分布,但从现有的计算结果来看,这两种方法在渤海给出了几乎完全相反的潮余流输送。 汤毓祥(1990)曾计算过南黄海和东海大陆架区的M2分潮余流,并考虑了斯托克斯速度漂移对它的影响,所得结果和已知的南黄海环流概况颇有相似之处,但由于计算边界取在东海大陆架外缘,那里的潮余流可能失真较大。Chio (1980) 也曾给出过渤海、黄海和东海大陆架区的欧拉潮余流分布,但由于他的开边界也取在东海大陆架外缘,面且他给出的潮汐、潮流数值在靠近中国大陆一侧,误差较大,因此所得潮余流也不能令人满意。 最近,我们完成了包括渤海、黄海和东海全海区的潮汐、潮流二维数值计算工作(Zhao et al,1993),与实测资料相比,其结果达到的准确程度,无论在潮位还是在潮流方面都比较好。本文以这一数值计算结果为基础,给出了渤海、黄海和东海全海区的潮余流分布，同时还讨论了潮余流与近岸环流的关系。