卫星资料揭示的春季黑潮海区海洋对大气的影响及其机制研究

采用最新的高分辨率卫星观测资料研究了春季西北太平洋黑潮海区海洋与大气之间的关系, 特别是海洋锋区上海气之间的关系. 资料分析表明, 黑潮海洋锋区上海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 特别是当海洋锋区强并在其上产生明显的海洋波动时, 海温与海表面风速之间的正相关关系表现得更为显著. 这种海温与海表面风速之间的正相关关系与太平洋海盆尺度的海温与海表面风速之间的负相关关系正好相反, 清楚反映了春季黑潮海区海气之间表现为海洋对大气的作用. 随后, 采用一个高分辨率的区域大气模式进一步研究了海洋影响大气的可能机制. 数值模拟表明, 黑潮海区海洋锋区上海温变化可通过影响大气边界层稳定度以及边界层垂直混合来影响海表面的风速, 即海温升高时大气边界层稳定性减弱, 垂直混合增强, 从而把高层较大风速带至海表面, 海表面风速增强; 反之, 海温降低则大气边界层稳定性增强, 垂直混合受到抑制, 海表面风速减少.     

北太平洋副热带西部模态水形成区海洋涡旋对冬季垂直混合过程的影响

利用国际ARGO观测中心2001年2~3月在黑潮再循环环流圈投放的浮标资料, 结合TRMM观测的海表温度资料和T/P-ERS卫星高度计资料, 分析了北太平洋副热带西部模态水形成区海洋涡旋对冬季上混合层的影响. 反气旋式暖涡增强了冬季局地的垂向混合过程, 形成较深的混合层及温度跃层, 有助于北太平洋副热带西部模态水的形成. 发现上世纪90年代, 96~98年对应北太平洋副热带西部模态水形成区的黑潮及黑潮延伸体海区的涡旋活动以气旋式冷涡为主, 较多的气旋式冷涡有效抑制了冬季上层海洋的垂向混合过程; 而93~95年则相反, 较多的反气旋式暖涡加强了冬季上层海洋的垂向混合过程.     

福岛核事故泄漏进入海洋的~(137)Cs对中国近海影响的模拟与预测

2011年3月日本福岛第一核电站遭受海啸侵袭,引起大量放射性物质泄漏进入海洋和大气,进入大气通道的放射性物质大部分沉降于海洋上,其中进入大气中的137Cs(总量约13 PBq)有38.5%沉降于日本东部海域,对海洋造成二次污染.本文在POM环流模式中引入放射性物质在海洋中的输运、沉降和衰变的控制方程,建立了一个准全球放射性物质数值模式,模拟并预测了福岛核事故泄漏的放射性物质137Cs的长期输运情况,分析了该泄漏物质通过海洋途径进入中国近海的过程.结果表明:福岛核事故泄漏的137Cs于2013年开始对中国近海海域造成影响,其浓度和影响范围在未来5~6年将逐渐增加,2018年前后黄东海和南海北部的137Cs浓度达到最高值.南海中南部浓度小于黄东海和南海北部,且最大浓度出现时间滞后于其他海域,所有中国近海海区137Cs浓度达到最大值后在自身衰减的作用下逐渐降低;137Cs在中国近海的浓度小于外海,在黑潮外部海域由于黑潮的强流屏障作用会形成一个137Cs浓度高值区;137Cs在中国近海浅水海域上下混合均匀,在深水区上层水体的137Cs(上400 m)浓度要明显大于下层,在南海200~400 m层水体形成一个高值区.     

浮标基海洋观测系统研究进展

面向海表和海底立体观测与探测的需求,构建了一种新概念的浮标基海洋观测系统,获取时间、空间同步的水文/气象/水质观测数据、海表/海底摄录数据,并实时回传到岸基数据中心.将浮标、海底接驳盒采用光电复合缆连接起来,通过浮标、光电缆为海底观测系统供电;同时,将海底观测信息通过光电缆传输到海表浮标,然后通过卫星通信/无线通信将水面、海底的观测数据传输到岸基,实现了海底、海表观测数据的实时传输.系统在通信、系留、能源等方面进行了全新的设计,并构建了"海底观测(接驳盒)-以太网-光交换机-光电复合缆-光交换机-以太网-卫星(浮标)"的通信链路.为实现浮标系留,采用纤维材料设计了中性的光电复合缆,降低了对浮标储备浮力的要求,并适用于大深度的布放.针对光电缆能源传输方式及海底供电要求,采用风能/太阳光能互补方式供电,采用直流升压/降压等方式解决系留缆直流输电问题.为实现系统在深海的布放,设计了专用绞车.通过绞车依次布放海底节点、缆,避免使用遥控水下机器人安装操作和海底湿插拔技术,降低了系统的成本和试验的风险.通过近海试验,验证了整套通信链路的可靠性,以及系统长期、稳定供电的能力,掌握了系统的布放回收技术.该系统满足了海表、海底实时观测与数据传输的需求,实现了海表、海底的同步观测;并实现了海表/海底摄录数据的实时回传,在深远海声学、地质、地震等方面观测具有重要意义.     

太平洋年代际海洋变率的信号通道

运用复经验正交函数展开和合成分析方法,研究了太平洋上层海洋抛弃式温探计温度观测资料所提示的北大平洋年代际海洋变率的若干个例及其时空演变特征。研究表明,中纬度海气相互作用的信息可以沿温跃层所在的等密面传到副热带海域。     

全球海洋预报与科学大数据

全球海洋预报是当前国内外海洋预报领域的前沿方向之一,与实施海洋强国战略、维护国家海洋权益,以及开发深远海资源等各类海洋活动日益走向深海大洋的迫切需求有着密切的关系.全球海洋预报的突出特点是使用并生成海量的数据,充分体现了大数据的基本特征.本文从论述大数据的起源、概念和本质开始,介绍了全球海洋预报的基本理论,进一步结合数据同化、模式数据和产品分发等3个方面具体阐述了全球海洋预报中使用的观测数据和生成的模式数据等大数据.最后展望了全球海洋预报以及海洋大数据未来发展中面临的挑战和亟需解决的关键科学问题.     

近40年北太平洋亚热带环流区生态系变化的226Ra证据

利用1999年7~10月和2003年10~12月实测的北太平洋亚热带环流区表层水²²⁶Ra含量, 结合文献所报道的历史数据, 发现自20世纪60年代至今, 北太平洋亚热带环流区表层水体²²⁶Ra含量呈下降趋势, 反映出全球变化导致该海域生态系结构的变化. 全球增暖一方面导致了该海域水体层化作用的加强, 进而导致上层水体Ra补充量的减少; 另一方面, 全球增暖导致海域生物生产力的升高, 进而导致Ra迁出量的增加. ²²⁶Ra含量的上述变化与文献报道的该海域叶绿素a、硅酸盐、磷酸盐含量与初级生产力的历史变化趋势相吻合, 确证北太平洋亚热带环流区在全球变化背景下正发生着可观测的生态系统变化. 在上层海洋层化作用加强的情况下, 为维持海域升高的生物生产力, 其“新”氮可能的来源是海洋的固氮作用.     

南印度洋表层副热带环流的漂流示踪

基于历史表层漂流浮标数据,利用轨迹跟踪方法分析了南印度洋表层副热带环流的平均态特性.浮标路径反映出南印度洋海水由高纬向低纬输运的过程大体可分为2种:海水沿南印度洋东边界北上,汇入南赤道流后绕过马达加斯加岛北侧,沿非洲东岸跨越赤道进入北半球;或者由南印度洋中部北上,受南赤道流影响转向,到达马达加斯加岛东部后返回南印度洋构成副热带环流.漂流浮标获得的流速和能量结果表明,部分海区流的空间变率十分显著,如阿古拉斯回流区、马达加斯加北部、南印度洋西部海盆和澳大利亚西侧海区等.特别地,虽然可能受到如季节变化和涡旋扰动等因素的干扰,在漂流浮标拉格朗日式的观测下没有发现显著的副热带逆流,但是可以通过平均动能和涡动能分布观察到逆流的微弱特征.此外,基于浮标示踪,还反推留尼汪岛附近漂流浮标的可能来源,得到其沿南副热带环流的3种移动路径,这对海上搜索具有现实指示意义.     

1986年南海季风海-气界面热量交换

为探索南海与季风相互作用, 用观测资料, 计算了1986年南海季风海气界面热量交换值. 结果: 南海夏季风爆发及其控制南海时, 位于(20.49°N, 114.14°E)附近海域, 在热带辐合带和热带气旋系统内, 海气界面热量交换强烈, 潜热迅速跃升, 1986年5月23日在台风系统内, 感热出现正值, 海洋向大气输送热量是主要现象, 主要贡献来自潜热. 夏季风控制南海天气晴好时, 海面温度虽然较高, 感热却出现负值, 大气向海洋输送热量是主要现象, 主要贡献来自海面吸收的短波辐射和感热, 结果与闫俊岳等的不同. 夏季风结束后, 南海受东北季风控制时, 海气界面热量交换非常强烈, 南海对大气加热是主要现象, 主要贡献来自潜热, 冷空气到达海面时, 感热量值迅速跃升均为正值. 结论: 南海海气界面热量交换的变化与海面温度变化趋势不一致, 季风控制南海时, 南海对夏季风响应为主.     

“透明海洋”立体观测网构建

海洋观测是海洋科学研究的基础,也是全球海洋科技竞争的重要发力点.本文以当前海洋科学前沿问题为出发点,探讨"透明海洋"立体观测网构建的若干途径,展望未来海洋观测和探测技术发展趋势,为提出国际海洋大科学问题、引领海洋技术创新、有效推进我国构建海洋科学国际协同创新网络提供新的思考.     

台湾岛东南准稳态兰屿冷涡的初次记录

对卫星跟踪表层漂流浮标、卫星高度计和遥感SST图像资料的分析均发现, 1996年3月前后在台湾岛东南、恒春半岛与兰屿之间有一个大型的气旋型黑潮锋面冷涡. 该冷涡的水平尺度在纬向和经 向分别可以达到70和100 km左右, 并伴随有黑潮在兰屿附近相应的离岸蛇形. 冷涡与常见的黑潮锋面涡不同, 在兰屿一带呈准稳态滞留, 时间达两个月以上. 有证据表明, 冷涡滞留期间, 黑潮可能呈套状侵入南海，而且类似的涡旋在同一位置不时发生. 对比此前墨西哥湾的相关研究, 兰屿锋面涡应是美国佛罗里达半岛南端Tortugas涡的南海版本. 蛇行的黑潮在离开南海时所发生的超射和位涡守恒是冷涡形成的可能原因.     

黑潮主流轴近两万年来的位移

根据冲绳海槽南部２５５柱状样的沉积速度,粒度,有孔虫黑潮标志种等的高分辨率记录,追踪近两万年来黑潮主流轴的位移。研究表明,末次盛冰期黑主流轴曾东移出冲绳海槽。至全新世距全的６５００ａ前黑潮才经台湾东部海域再次进入冲绳海槽,使得该柱状样的沉积速度突然增大,粒度明显变粗,有孔虫黑示标志种含量也显著增多。     

南黄海中部泥质区ZY2 孔6200 年以来的海表温度记录及黄海暖流变化的影响

利用长链烯酮不饱和比值(U₃₇^K′)重建了黄海暖流途经的南黄海中部泥质区ZY2 孔6.2 cal ka BP 以来的海水表层温度(SST). SST 变化范围为14.1~16.5℃, 平均15.6℃, 分为3 个阶 段: 6.2~5.9 cal ka BP 较高, 5.9~2.3 cal ka BP 较低且波动大, 2.3 cal ka BP 以来较高且较稳定. SST 的记录与黑潮强弱的变化相似, 对全球气候变冷事件有良好响应, 但各阶段的响应幅度 差异显著: 黑潮影响强盛期SST 对全球变冷事件响应弱, 黑潮影响衰弱期响应强. 响应幅度 差异与黄海暖流作为黑潮陆架支流和冬季风诱导的补偿流的调节机制有关, 黄海暖流带来的 暖水将缓冲气候变冷所引起的SST 降低, 黑潮和东亚冬季风二者均起重要作用. SST 的波动具有1482 a 的周期, 该周期在黑潮波动中以及格陵兰冰芯、北大西洋和阿拉伯海沉积物中同样存在, 显示了南黄海中部SST 变化与黑潮的对应性及中国东部陆架海洋环境对全球海洋环境变化的响应.     

印度尼西亚海道关闭对气候的影响:一个数值模拟研究

利用一个全球海洋环流模式及其对应的海气耦合模式,分别采用现代、6和14Ma以前的海底地形进行数值试验,研究澳大利亚北移对热带海洋环流特别是赤道西太平洋暖池形成的作用.使用现代气候强迫的单独海洋模式模拟结果表明,随着澳大利亚板块向北移动,印尼海道关闭可以导致热带太平洋海温增加,热带印度洋变冷;并且可以引起通过印度尼西亚贯穿流的海水来源的变化,即在14 Ma以前流入印度洋的水主要来自南赤道流,而在现代则主要来自北赤道流.海气耦合模式的结果在定性上与单独海洋模式结果基本一致.     

一个1/10°涡分辨准全球海洋环流模式及其初步分析

在中国科学院大气物理研究所气候系统海洋环流模式最新版本(LICOM2.0)基础上,将模式水平分辨率提高到均匀的1/10°,垂直分辨率增加到55层,建立了一个不含北冰洋区域的准全球涡分辨(eddy-resolving)海洋环流模式.利用再分析和观测的海表强迫将该模式积分了20年,其中最后8年使用2000~2007年QuikSCAT卫星反演的风应力和再分析热通量强迫.本文利用最后8年模式输出结果,初步评估了该模式对海洋环流的基本模拟能力.相对于低分辨率的海洋环流模式,发现涡分辨率海洋模式不仅可以更好地模拟海洋中尺度涡旋的时间和空间特征,而且还能较好地模拟出西边界流的路径和位置,特别是能够重现黑潮大弯曲现象及其年际变化.另一方面,当模式的水平和垂直分辨率提高之后,模式也能够更好地模拟赤道太平洋环流和中国近海环流的复杂结构.     

当科幻成为现实:数字地球

<正>建立数字地球是人类向解决复杂系统问题迈出的一大步。在科幻小说《云球》中,科学家在计算机中模拟出了一个和地球几乎完全一样的数字地球。今天,数字地球已经完全成为现实。数字海洋工程在古希腊神话中,伊阿宋和一众英雄前往黑海沿岸地区,寻找稀世宝物“金羊毛”,他们乘坐的是传奇船工阿尔戈打造的“阿尔戈号”。2007年11月,由3000个浮标组成的全球海洋观测网全面建成,这个由30多个国家共同参与的海洋监测项目被命名为“阿尔戈计划”,其正式名称为“地转海洋学实时观测阵”。就像地面上由天文台和地震监测站分别组成的天文观测网和地震台网一样,阿尔戈计划建立的是一个覆盖海洋的监测网络。     

1998年夏季南海环流

基于１９９８年夏季的温盐深（ＣＴＤ）和气象观测资料,采用改进逆方法计算了南海海流的流速和流量,并结合声学Ｄｏｐｐｌｅｒ测流（ＡＤＣＰ）资料分析了南海环流特征。结果如下：（１）南海东北部环流最重要的特征是黑潮有一个分支入侵南海,但流量不大。该分支作反气旋式弯曲通过巴士海峡流向台湾以南海域,而没有入侵南海内部;（２）南海北部海区主要受气旋式五流系统所支配,并伴随有两个冷涡;（３）南海中部、西南部海区主     

大亚湾石珊瑚群落近25年的变化及其对2008年极端低温事件的响应

在气候变暖、ENSO加剧等导致全球珊瑚礁生态系统严重退化的背景下, 相对高纬度海域的石珊瑚群落被认为是石珊瑚物种延续的最后保留地, 但相对高纬度海域周期性的冬季低温是妨碍其发育的最重要因子之一. 南海北部相对高纬度的大亚湾海区(22°31′~22°50′N)近40年来持续变暖, 珊瑚群落发育但未成礁. 2008年初经历了近50年来罕见的极端低温事件, 持续32 d, 大亚湾海区2008年2月平均SST低于14℃, 连续多天最低SST为12.3℃左右, 低于传统认为的使珊瑚“致命”的温度(13℃), 日最低气温则低达6.6℃. 该海域的石珊瑚群落生态调查显示: (1) 近25年来大亚湾石珊瑚覆盖度从76.6%下降到15.3%, 退化达80%; (2) 石珊瑚群落优势种由霜鹿角珊瑚变成秘密角蜂巢珊瑚; (3) 2008年低温事件对本区石珊瑚群落没有造成明显影响, 活珊瑚覆盖度没有发生明显变化. 总体结果显示, 相对高纬度的大亚湾海区的珊瑚种类已经总体上适应了极端低温的环境, 具有进一步发育的潜力, 可望在全球变暖背景下成为石珊瑚物种的避难所.     

马航MH370残骸漂移轨迹分析和预测

2014年3月8日,马航MH370航班在从吉隆坡飞往北京的途中失联.2015年7月29日,位于南印度洋西侧的法属留尼汪岛发现疑似属于该航班的残骸,后经法国检方证实该残骸来自失联的MH370航班.首先从观测数据入手,对印度洋表面漂流浮标数据进行分析,发现有11个经过南印度洋疑似坠机海域的表面漂流浮标最终经过留尼汪岛海域,其中有2个向西北方向漂移的浮标耗时500 d左右,与残骸实际漂移时间相近,从观测事实的角度证实了飞机残骸漂移至留尼汪岛的可能性.基于Leeway海上漂移理论和蒙特卡洛方法,建立了南印度洋海上目标漂移轨迹预测模式.分析处理了南印度洋的再分析风场、流场数据作为动力强迫场,在疑似坠机海域设置大量的漂移目标,设置相隔5 d不同初始时刻的3组实验,每组实验包括风漂系数为1.2%,1.5%和1.8%三种情况,对目标进行500 d的漂移轨迹预测,预测结果与表面漂流浮标轨迹分析结果基本一致,说明漂移轨迹预测模式性能是可靠的.结果显示,不同初始时刻3组实验的目标大部分最终位于印度洋10°~35°S之间,且都有一定数量的目标能够漂移到留尼汪岛海域,平均概率为16‰.这些漂移到留尼汪岛海域的浮标轨迹类型可分成三类:第一类是先向东北漂移,到达澳大利亚西部海域时再向西北漂移,在15°S附近受南赤道流的影响再向西漂移;第二类为先向北再向西漂移;第三类为向西北漂移.这也从侧面验证了之前相关部门推算的MH370航班在南印度洋的坠落区域及搜寻区域大致正确.     

未来100年近20%大型海洋生物命运堪忧

<正>科学家声称,海洋大型生物受气候变化的威胁最大,预计到2120年全球20%大型海洋生物将灭绝。通常海洋大型生物是指体重超过45千克,包括鲨鱼、鲸鱼、北极熊、海龟、帝企鹅等,它们在海洋生态系统中扮演着重要角色,主要捕食较小的生物,通过排泄粪便和尸体食化过程向海洋生态系统传输营养物质。同时,一些大型海洋生物会远程迁徙,对于均衡海域生态系统发挥一定作用。