海洋对洋面风应力的动力响应

利用海洋混合层的线性正压模式得出洋面附近风强迫下的洋流和洋面扰动高度的解析表达式。并用1980～1988年九年年平均一月风场和1983年一月月平均风场计算了在这些风应力作用下的定常和非定常情况下的风生洋流和洋面的扰动高度场。1983年一月洋流对实际风场响应的时间尺度主要是10天到50天的慢时间尺度,洋流流函数随时间变化迅速,最迟到第五天已经达到定常状态。洋面扰动高度场表明:太平洋西部和南美西海岸以西洋面有拾升现象。相对多年平均,1983年智利、秘鲁以西的南太平洋有大片海面扰动高度的正距平区,最大值可达40cm,呈东南-西北走向伸到赤道太平洋中部。     

热带太平洋对风应力异常响应的数值试验

本文在建立了一个含约化重力及包括海表温度变化的正压非线性海洋模式的基础上,模拟了在年平均风应力作用下,海表温度及海流场的年平均状况,并做了热带太平洋对风应力突然加强的响应试验.西风增加区域分6.8°N～6.8°S间的整个赤道太平洋和西赤道太平洋二种情况.在这二种情况下,都能产生东太平洋的正海温距平和西太平洋的负海温距平,且正海温距平向东移动,与实际的EI Nino现象相似,并就海洋中Kelvin波和Rossby波的传播作了一些讨论. 此外,本文还试验了减弱的赤道太平洋东风恢复正常后,El Nino的衰减过程.结果表明,模式模拟的EI Nino衰减过程与观测到的现象比较类似.     

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带印度洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度全球热带大气和热带海洋模式的数值试验,模拟分析了热带太平洋和热带印度洋通过风应力桥梁的相互作用过程.利用NCEP再分析的1958～1998年SST强迫大气模式得到的风应力与NCEP再分析的同期热通量共同驱动海洋模式,作为控制试验;和控制试验平行,但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验.比较控制试验与敏感性试验模拟的SST变率,揭示了热带某海盆SST异常通过风应力桥梁作用对其他海盆SST的影响及其过程.数值试验结果表明:热带某海盆SST暖(冷)异常一般总是引起该海盆上空西部西(东)风异常和东部东(西)风异常;热带太平洋SST暖(冷)异常导致年际尺度上印度洋上空东(西)风异常和年代际尺度上热带印度洋风场辐散(合),该风应力导致热带印度洋年际SST暖(冷)异常以及年代际SST冷(暖)异常,但这种异常均较弱;热带印度洋SST暖(冷)异常导致热带太平洋上空东(西)风异常,该风应力异常在年际和年代际尺度上均导致热带太平洋SST冷(暖)异常,但年代际尺度上异常更明显.考虑到热带印度洋SSTA受热带太平洋SSTA影响大,并且热带太平洋SST暖(冷)异常主要通过表面热通量导致热带印度洋SST变暖(冷)的观测事实,文中揭示的热带印度洋SST暖(冷)异常通过风应力桥梁作用导致热带太平洋SST冷(暖)异常的结果表明,热带印度洋SSTA对于热带太平洋SSTA主要起着一种负反馈作用,并且这种负反馈作用在年代际尺度上更为明显.     

热带海洋对风应力异常的响应

针对在南方涛动循环中东太平洋信风变化的特征,用国家海洋环境预报中心的五层太平洋环流模式模拟热带海洋对气候风应力脉动的响应.试验结果表明,当南方涛动处于高指数时,赤道东太平洋海表温度从表层至250m深都会出现负距平,表层距平洋流向西,下层200m深左右距平流向东,即赤道潜流加强,而当南方涛动指数取负值时,热带东太平洋东风应力减弱,热带太平洋海表温度增高,这种增暖自东向西扩展,上层距平洋流向东,下层距平洋流向西,赤道潜流有减弱趋势,这些正是典型的埃尔尼诺特征.计算结果与观测结果基本一致.     

热带太平洋对风应力拖曳系数响应的敏感性试验

为了检验一个准全球的海洋环流模式中热带太平洋对风应力变化的响应,使用NCEP月平均再分析资料计算的强迫场强迫该模式进行控制试验,在(10.5°S～9.5°N,159.75°E～110.25°W)的区域增大或减小风应力拖曳系数进行敏感性试验,并把试验结果与同时段的SODA资料进行分析比较.该模式基本能模拟出海洋环流的基本气候态,但是对一些细节描述还不够准确.试验结果表明,风应力减小时可以改善模式对热带东太平洋冷舌的模拟,而对次表层温度和流场的刻画能力较弱.增大风应力则对次表层温度和流场的模拟有所改善.通过对模式中热量收支的分析可知,平流过程、扩散过程对热带太平洋海表温度的变化起到了重要的作用;海表面热交换可以促使海温距平向相反的方向发展.垂直输送对赤道中东太平洋表层的降温起重要作用,抑制了次表层的增暖,水平平流过程则促进了赤道太平洋次表层的增暖.     

南海的季节与年平均风应力

本文根据1982年中国近海及西北太平洋气候图集的风玫瑰资料计算南海各季与年平均风应力场。初步揭示了南海风应力的分布特征与其季节变化规律。     

北太平洋风应力与流场联合EOF的主模态分析

采用了SODA资料,将海面风应力场与大洋各层流场看作一个整体做了赤道外北太平洋风应力和流场异常的联合EOF分析,此时风应力场与各层流场有相同的时间系数,这样就可揭示海气耦合的结构和演变,这是该方法的特点和优点。得到的主要结论有:诊断得到的主模态的风应力异常体现了北太平洋大气活动中心的异常,两者关系密切;在冬、春、秋三季均表征为阿留申低压的异常,在夏季则表征为副热带高压的异常。该主模态的风应力和流场异常均是PDO模态在其上的体现,且前者处海气相互作用中矛盾的主要方面,后者处次要方面,前者起着主动作用,后者则处被动状态。主模态在四季均有明显的年际变化和年代际变化;对北太平洋风场和上层流场而言,年际变化反映了ENSO的影响,而约20a的年代际变化则反映了太平洋年代际振荡(PDO)的影响。主模态中北太平洋海盆尺度的风应力异常、大洋环流异常和上层海温的动力异常这三者具有紧密的联系,这三者的连锁作用则造成了北太平洋SSTA的PDO模态;而在此大洋环流异常则起着关键中介作用。主模态的风应力异常与黑潮系统流场的异常有紧密联系;对于明显的正(负)异常,冬、夏两季135°E以东的黑潮都偏强(弱),黑潮续流则偏弱(强);对于黑潮以南的回流涡旋,冬季则偏强(弱),夏季则偏弱(强);而ENSO和PDO对黑潮流场系统的异常均有明显影响。     

海洋对热带气旋风应力响应的准平衡解析解

为考察海洋上层各物理量对热带气旋风应力的响应问题,本文利用海洋线性化约化重力方程组开展了解析研究,所得主要结论如下:求解该问题使用跟随热带气旋中心移动的极坐标较为方便,当热带气旋风应力在热带气旋云墙内即热带气旋眼中为静止,在云墙处及之外随该极坐标半径增加而成反比衰减时,可求得该问题在此极坐标系中的定常解析解,该解强度与风应力成正比;解的流场在热带气旋云墙内为静止,在云墙处及之外呈现有向外流出的气旋式涡旋形态,且随极坐标半径增加而衰减。在云墙之外离云墙较近处,解的切向流速大于径向流速,在更远处则反之。解的径向流与热带气旋切向风应力平衡,切向流是梯度流,流动呈水平无辐散状态。在热带气旋眼中以及云墙处,海洋上层的厚度不变,且达到最小值。从云墙向外则厚度值逐渐增加。厚度值的变化反映了密度跃层的变化,在厚度值最小处附近,跃层位置有明显抬升,这会造成跃层附近海水涌升,从而海洋上层的响应涡旋是冷性的。略去海洋上层对热带气旋移动的响应,将此移动极坐标系中的解返回到固定坐标系后,则解的空间分布形态不变,但由定常解转变为非定常解,且随热带气旋一起移动;此解最重要的物理性质是其具有准平衡性,这与非平衡的近惯性振荡与重力惯性内波有本质区别。     

风应力拖曳系数选取对风暴潮数值模拟的影响

在风暴潮的形成中风应力起决定性作用 ,风应力拖曳系数决定了大气与海洋间的动量传输率。观测结果表明 ,风应力拖曳系数随风速而变化 ,与海面粗糙度有关。文中采用几种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行数值模拟 ,与将其视为常数情况相比较 ,计算结果的精度均有较明显提高。对比各表达式模拟结果 ,采用 Smith(1980 )风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好     

吕宋冷涡的季节变化特征及其与风应力的关系

利用AVISO提供的1993年1月至2007年5月的多卫星融合海面高度距平（SLA）数据,对研究区域（15°～20°N,113°～121°E）SLA的季节变化特征进行了分析．其结果表明：吕宋冷涡发生在冬、春季,且该冷涡的发生、发展与局地风应力具有较好的相关性;当SLA变化滞后于风应力1个月时,SLA与风应力的负相关系数达-0．78;且当出现西南风时,SLA为正值;而在东北季风期间,S／A为负值．对幽进行主成分分析得到的前2个模态反映了黝的季节变化特性,其中第一模态的贡献率为54．14％,表现为以18．5°N,119．5°E附近为中心的SLA同步涨落,对风应力的响应迟滞1个月,而且此模态与风应力模第一模态的空间分布十分相似;第二模态的贡献率则为14．54％,表现为季风作用下海面高度的Ekman调整．     

Effects of the seasonal variation in chlorophyll concentration on sea surface temperature in the global ocean

The effects of biological heating on the upper-ocean temperature of the global ocean are investigated using two ocean-only experiments forced by prescribed atmospheric fields during 1990–2007, on with fixed constant chlorophyll concentration, and the other with seasonally varying chlorophyll concentration. Although the existence of high chlorophyll concentrations can trap solar radiation in the upper layer and warm the surface, cooling sea surface temperature (SST) can be seen in some regions and seasons. Seventeen regions are selected and classified according to their dynamic processes, and the cooling mechanisms are investigated through heat budget analysis. The chlorophyll-induced SST variation is dependent on the variation in chlorophyll concentration and net surface heat flux and on such dynamic ocean processes as mixing, upwelling and advection. The mixed layer depth is also an important factor determining the effect. The chlorophyll-induced SST warming appears in most regions during the local spring to autumn when the mixed layer is shallow, e.g., low latitudes without upwelling and the mid-latitudes. Chlorophyll-induced SST cooling appears in regions experiencing strong upwelling, e.g., the western Arabian Sea, west coast of North Africa, South Africa and South America, the eastern tropical Pacific Ocean and the Atlantic Ocean, and strong mixing (with deep mixed layer depth), e.g., the mid-latitudes in winter.     

琉球群岛海域海浪数值计算地形处理效应及试验分析

针对琉球群岛海域内多岛屿复杂地形对海浪数值计算的特殊影响,发展一种综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据优化计算网格且引入次网格地形效应的方法,并利用WAVEWATCH-Ⅲ模式进行连续1个月的数值模拟试验。结果表明:采用该方法后,在计算网格分辨率上,充分考虑了海岸和多岛屿地形对海浪传播的作用和多岛屿的次网格效应,数值计算结果有明显改善。     

The impact of ocean data assimilation on seasonal predictions based on the National Climate Center climate system model

An ensemble optimal interpolation (EnOI) data assimilation method is applied in the BCC_CSM1.1 to investigate the impact of ocean data assimilations on seasonal forecasts in an idealized twin experiment framework. Pseudo-observations of sea surface temperature (SST), sea surface height (SSH), sea surface salinity (SSS), temperature and salinity (T/S) profiles were first generated in a free model run. Then, a series of sensitivity tests initialized with predefined bias were conducted for a one-year period; this involved a free run (CTR) and seven assimilation runs. These tests allowed us to check the analysis field accuracy against the “truth”. As expected, data assimilation improved all investigated quantities; the joint assimilation of all variables gave more improved results than assimilating them separately. One-year predictions initialized from the seven runs and CTR were then conducted and compared. The forecasts initialized from joint assimilation of surface data produced comparable SST root mean square errors to that from assimilation of T/S profiles, but the assimilation of T/S profiles is crucial to reduce subsurface deficiencies. The ocean surface currents in the tropics were better predicted when initial conditions produced by assimilating T/S profiles, while surface data assimilation became more important at higher latitudes, particularly near the western boundary currents. The predictions of ocean heat content and mixed layer depth are significantly improved initialized from the joint assimilation of all the variables. Finally, a central Pacific El Ni?o was well predicted from the joint assimilation of surface data, indicating the importance of joint assimilation of SST, SSH, and SSS for ENSO predictions.     

全球海域风能资源在不同季节的等级区划

在资源危机愈演愈烈的时代背景下,积极开发利用可再生能源将会对缓解能源危机、环境危机做出有益贡献,同时也必将成为“21世纪海上丝绸之路”建设的新亮点。利用来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim风场资料,本文制作了全球海域风能资源的年等级区划、季节等级区划。结果表明：从多年平均状态来看,全球海上风能资源的潜力巨大,南北半球西风带海域的风能等级为7级（最优等级）;中低纬大部分海域也比较乐观,多在4级以上;北冰洋的风能资源为4级,比传统估值乐观。北半球西风带7级风能资源的范围具有较大的季节性差异：1月最广,4月和10月次之,7月最小;南半球西风带的季节性差异则相对较小：7月相对最大,其余月份略小于7月。7月,阿拉伯海和孟加拉湾的风能资源都属于7级,明显比其余代表月丰富。4月和10月,北印度洋的风能资源整体贫乏,大部分区域为1级（最贫乏）。     

全球海洋碳循环三维数值模拟研究

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO₂为283×10-6条件下,积分3 100 a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO₂浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO₂的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO₂的源区。在1980s海洋吸收CO₂速率(以C计)为1.38 Pg/a,1990s为1.55 Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000 m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。     

全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951−2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

粤西陆架温度锋三维结构与季节变化机制分析

基于2018–2019年现场高分辨率温度观测和1993–2021年的CMEMS再分析海表温度（SST）和风场数据,分析粤西陆架海温盐锋的三维结构、季节变化和影响机制。多年SST数据显示,海表温度锋冬季最强、出现概率和覆盖宽度最大,量值分别为0.049℃/km、75%和66 km。春季和夏季次之,而秋季则几乎完全消失。冬季锋面平均离岸50 km,夏季则向岸靠近为23.1 km。2018年春季、夏季和2019年夏季的现场观测进一步给出锋面在次表层的三维结构,结果显示春、夏季20 m等深线以浅处均有锋面存在,该锋面是沿岸高温海水与离岸低温海水辐聚而成,随着深度的增加锋面强度减小,覆盖范围向岸收缩。20 m以深水域锋面在次表层中强于表层,随深度增加而增强并向岸偏移。相关性和信息流分析发现,海表面风应力旋度和沿岸风是影响粤西陆架海表温度锋面的重要因素。该温度锋存在年际变化,PDO负位相时的La Niña年锋面强度出现极大值,而PDO正位相时的El Niño年则对应极小值。     

包含温度因子的海水地球物理模型函数建模研究

以SeaWinds散射计为例,利用其L2A卫星测量数据和相应的海面浮标测量数据,以温度作为独立变量,借助人工神经网络首次尝试建立了包含温度因子的海水地球物理模型函数。建模实验结果表明,在3—15m.s-1风速范围内,对于两种极化方式,后向散射系数先随温度的升高而增大,当风速大于某一数值后,又随温度的升高而减小,但两种极化方式的转折风速存在差异。该研究结果为海面微波散射机理认识的进一步深入和模型函数精度的进一步提高展示了潜在的可能途径。     

Study on short-range numerical forecasting of ocean current in the East China Sea-Ⅲ Three-dimensional baroclinic anomaly forecasting model and its application

Ｓｔｕｄｙｏｎｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｏｆｏｃｅａｎｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｈｅＥａｓｔＣｈｉｎａＳｅａ－ⅢＴｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂａｒｏｃｌｉｎｉｃａｎｏｍａｌｙｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｍｏｄｅｌａｎｄｉ...