基于8个准全球模式模拟的南海深层与底层环流特征分析

初步分析了8个准全球高分辨率海洋模式模拟的南海深层和底层环流,总结了模式中南海深层与底层环流的基本特征.温盐误差分析显示深层温度相对偏差一致偏负,而盐度偏差大部分模式基都是为正偏差,表明深层偏冷偏咸.温度的偏差幅度要大于盐度,且温盐在深层存在趋势.吕宋海峡深层1500m以深水交换各模式平均为0.36Sv,与观测相比偏弱.同化过的模式和一个未同化的模式(OCCAM)都显示,吕宋深层水交换在春季达到最小,而在冬季达到最大.大多数模式2400m以深垂直积分流函数显示南海深层在大尺度上为气旋式环流,但流函数的分布与由气候态温盐数据集(GDEMv3)诊断出来的流函数相比存在较大的差异.南海1000m以浅经向翻转结构比较类似,但1500m以深的经向翻转结构空间分布和强度大小存在较大的差异.而2400m以深的经向翻转与气候态温盐数据集(GDEMv3)诊断出来的经向翻转相比偏弱,这表明着模式中深层水垂直混合过程偏弱.在上述分析基础上,详细探讨了初始温盐场、地形、垂向混合方案对南海深海环流的影响,对今后专门构建适合南海深海环流研究的模式提供了必要的参考.     

冬季西北太平洋阿留申低压-南北向海温差-西风急流正反馈过程分析

采用NCEP再分析月平均资料和SODA再分析月平均资料, 对冬季西北太平洋海洋-大气相互作用过程进行了分析. 针对阿留申低压、500 hPa西风急流、南北向海表面温度(SST)差, 分别选择了研究的关键区, 定义了阿留申低压指数、西风指数和黑潮影响区与亲潮影响区的海温差. 通过这些指数序列的相关分析以及对上层海洋动力、热力特征的分析, 得到: 阿留申低压增强时, 其西侧北风增强, 海洋上层的副极地环流圈增强, 上层海洋对低温海水的平流输送增强, 使亲潮影响区SST下降, 加大了南北向海表面温差. 海表面温差的增大, 使位于其上空的西风急流加强, 西风急流的增强使位于急流出口区左侧下方海面上阿留申低压的加强, 形成一个正反馈过程.     

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.     

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     

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.     

日本福岛放射性污染物在北太平洋海水中的输运模拟与预测

针对2011年3月11日地震和海啸引发的日本福岛核电站放射性污染物泄漏事件,利用ROMS海洋模式对北太平洋海洋环流进行了模拟,并在该海洋环流数值模拟结果基础上,对核泄漏物质在海洋中的输运过程进行了10年的中长期模拟和预测.模拟结果显示:放射性污染物通过北太平洋低位涡水的输运通道到达我国近海的时间约为12年;表层放射性污染物随着海流最远输运到140°W后便分为南北两支,南支随着赤道流系向西输运,可以影响到菲律宾以东洋面,北支到达北美西海岸后随沿岸流向南北输运,北向输运可以影响到白令海峡;200m层的放射性污染物进入海洋后的输运分为3个部分:一部分沿深层海水流动向西南输运;一部分随低位涡水团输运影响台湾以东海区;还有一部分随黑潮延伸体向东输运,并分为两支,其中一支会输运到北美西海岸,另外一支向南影响到夏威夷岛周围海域.最后,结合污染物漂移扩散模型估算了放射性污染物在海洋中的浓度扩散趋势:放射性同位素137Cs的浓度高值区逐渐向东移动,2年后可达太平洋海盆中部,8年后可达北美西海岸,虽然影响范围不断扩大,但其极值浓度在不断降低.     

南海南部海区的环流观测研究

以分别代表两个不同季风期考察航次的CTD资料为基础,通过综合分析海水的重力势、温度和盐度等分布,系统地描述了南海南部海区的水平环流结构,提出能概述该海区中、大尺度环流水平结构的上、下二层模式,综合归纳出上层主要流系的分布格局及各自的特征,指出南海南部海区的上层环流主要受季风驱动。此外,还发现并阐述了该海区的两个重要的局部现象——局地涡旋和海洋锋。     

一个气候系统模式中大洋热盐环流对全球增暖的响应

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(IAP/LASG)气候系统模式GOALS, 讨论了全球增暖背景下大西洋热盐环流的变化. 结果表明, 全球增暖令北大西洋高纬热盐环流的下沉区海温升高、海水变淡, 海水密度随之降低、海水下沉减弱, 其与低纬大洋间的经向密度梯度减少. 当大气中CO₂浓度加倍时, 热盐环流减弱8%. 这种变化主要限于北大西洋而非整个输送带的均匀一致减弱, 它带来大西洋中高纬度极向热输送减弱最多达10%.     

北太平洋副热带环流的经向输送与Sverdrup输送关系研究

基于再分析资料, 比较了应用流速资料直接计算的和基于Sverdrup关系应用风应力资料估算的北太平洋副热带环流的经向体积输送的差异. 结果表明在海洋内区气候平均状态下, Sverdrup输运与实际的北太平洋副热带环流的经向体积输送相差甚小. 对于北太平洋副热带环流的经向体积输送的10 年际变化特征, 由于海洋环流对风应力变化的响应只有当第一模态斜压Rossby波到达西边界后才能完成, 所以当应用该延迟时间修正了Sverdrup输运函数后, 修正后的Sverdrup输运与实际的经向输送的十年际变化趋势就有了很好的相关性, 特别是在西边界附近. 结果表明Sverdrup平衡不仅在气候平均意义下是副热带内区环流很好的近似, 而且当考虑了第一斜压模态Rossby波的传播时间后, Sverdrup平衡也可以很好地估计海洋环流随时间变化的特征.     

末次冰期南海表层环流的数值模拟及其验证

边缘海在冰期旋回的环境变迁中,可以产生“放大效应”.如南海北部的冬季表层水温,间冰期可比冰期高6～9℃,远远超出太平洋同纬度区的温差.我们曾经推测:南海这种“放大效应”,应与冰期时表层环流的根本改组有关,但这种推测有待论证.数值模拟就是可以采用的一种方法.     

冬季澳大利亚东侧海温与长江流域夏季降水的联系及可能物理机制

通过对观测资料的分析, 初步探讨了冬季澳大利亚东侧海温和夏季长江流域降水的关系及可能物理机制. 研究表明, 澳大利亚东侧冬季海温与我国长江流域夏季降水之间具有同位相变化关系. 当冬季澳大利亚东侧海温变暖时, 随后夏季西太平洋副热带高压和东亚西风急流位置往往偏南, 我国大陆沿岸低层盛行异常的西南风, 有利于长江流域降水增多, 反之亦然. 冬季澳大利亚东侧海温对后期夏季东亚大气环流的影响通过两种途径来实现: (ⅰ) 冬季澳大利亚东侧海温异常信号由于自身的持续性可维持到夏季, 并通过南北半球遥相关影响东亚夏季大气环流的变化; (ⅱ) 冬季澳大利亚东侧海温偏高时,同期西南印度洋海温也易于偏高. 在海气相互作用下, 这种异常信号逐渐向东发展, 并造成夏季海洋大陆附近海温升高. 海洋大陆海温的升高反过来影响对流活动进而导致东亚夏季大气环流异常.     

夏季西北太平洋等位势密度面上的副热带逆流

用P-矢量诊断方法对西北太平洋等位势密度面上的地转环流进行了研究;所用的资料是美国海军0.5°× 0.5°水平分辨率的月平均温度和盐度资料,该资料源自美国海军收集的 1930～1997年期间的实测数据.计算结果不仅显现出西北太平洋等位势密度（σθ）面上的主要流系,如北赤道流、黑潮和黑潮逆流等,而且还特别清楚地揭示出副热带逆流.主要讨论夏季（6月份）副热带逆流的分布特征.6月份,副热带逆流弯弯曲曲连续地自西向东流动;在较浅的σθ面上,副热带逆流的源地向西可以一直追溯到巴士海峡以东大约122°E左右;随着σθ的增加,副热带逆流的源头和流核均向北向东迁移,但主要部分仍位于18°～23.5°N,即北回归线附近.在海面至σθ=25.8 kg/m3之间均存在副热带逆流.位势涡度分布清楚地表明,副热带逆流流核位于副热带模态水南边界的上面.     

西太平洋-南海中尺度水位波动的耦合传播特征

通过对沿21°N和南海北部陆坡一线卫星高度计沿轨海面高度波动的时间序列分析, 研究西太平洋和南海之间中尺度水位波动的耦合传播特性, 以探讨西传的太平洋中尺度波动经吕宋海峡进入南海的可能性. 分析显示, 西太平洋中尺度波动对南海的影响有限, 除45 d频带之外吕宋海峡两侧不存在统计意义上显著的波动传播. 迹象表明45 d波动很可能是黑潮自身的属性, 来自其低纬度源地. 分析还认为, 西传的自由Rossby波在遭遇吕宋海峡黑潮这一动力学壁垒后将变形解体, 黑潮进而以自己的方式影响南海. 就中尺度波动的耦合传播而言南海是一个相对独立的系统.     

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.     

依据海洋环流模式和大地水准测量获取的中国近海平均海面高度分布

依据嵌套于全球海洋环流模式中的1/6高分辨率中国近海环流模式模拟结果和海平面气压分 布, 获得了渤海、黄海、东海和南海平均海面高度(海面地形)分布. 结果表明, 中国1985国家高程基准在全球平均海面之上24.7 cm, 中国沿岸海面南高北低. 与由大地水准测量得出的沿岸28个验潮站平均海面高度相比较, 标准偏差为4.8 cm, 拟合系数达95.3%, 通过线性回归订正, 标准偏差可减至4.5 cm, 表明模式结果已达到实际应用要求的准确度. 依据模式结果给出了中国近海1/6分辨率的平均海面高度值, 由此并可将大陆与岛屿高程相联系, 给出中国台湾、东沙、西沙和南沙的平均海面高度.     

未来厄尔尼诺-南方涛动变率影响南大洋及南极陆架水增暖

<正>南大洋包含复杂的海洋和大气过程,是全球最重要的热量存储地,可吸收约70%的由温室气体引发的额外热量^[1,2].中高纬南大洋强劲的西风引发了广泛的海洋上升流,海表面以下2～3公里的海水可沿着陡峭的等密面涌升至海表面,之后分为两支路径^[3,4].一支在大约60°S以北,海洋次表层温度较低,海水涌升后在西风驱动的北向Ekman流作用下向北输运,途中从大气吸收大量的热量、淡水和碳,     

海流的环球之旅

占地球面积70%的是海洋。在那里,巨大的海水构成生机勃勃流动的海流。到底是什么致使海水流动？在海洋中海流又是怎样环球旅行的？日本近海黑潮的部分海水几乎巡游世界,它在北大西洋沉入深海,上千年后再次返回太平洋。为了揭开海流之谜,我们追随海流作一次环绕地球的宏伟之旅吧。     

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.     

20世纪90年代末中国东部夏季降水和环流的年代际变化特征及其内动力成因

观测资料分析表明, 中国东部夏季降水在20世纪90年代末发生了年代际突变, 在1999～2010年期间降水异常从以往的经向三极子型分布变成了经向偶极子分布, 形成了“南涝北旱”(除长江沿岸地区)的特征; 中国东部这次降水的年代际突变与东亚上空对流层环流及散度、垂直运动以及整层水汽输送散度的经向偶极子型年代际异常分布相对应. 并且, 本文还从大气内动力和热力过程讨论了1999～2010年期间东亚地区上空夏季对流层中、上层纬向气流和经向气流异常对中国东部夏季降水年代际突变的影响, 其结果表明, 由于在此时期东亚上空副热带急流北移减弱, 使得东亚上空纬向气流异常形成经向偶极子型. 这一方面使得东亚对流层上层沿副热带急流传播的“丝绸之路(Silk Road)”型、沿东亚经向传播的东亚/太平洋(EAP)型和沿极锋急流传播的欧亚(EU)型遥相关波列发生异常, 从而引起中国北方为下沉运动异常, 而南方为上升运动异常; 另一方面造成了中国东部对流层中层北方有冷平流异常, 而南方有暖平流异常, 这也引起了中国北方有下沉运动异常, 而南方有上升运动异常, 因而在1999～2010年期间夏季中国形成南涝北旱的降水异常.     

中国及周边海海温资料同化系统

在一个嵌套的海洋环流模式基础上,采用基于变分原理的最优插值方法,初步建立了一个中国及周边海海温资料同化系统.利用1998世界大洋数据集(WOD98)中的海温垂直剖面资料和欧洲中心再分析风应力资料进行了连续12年的同化试验,初步结果表明,同化方案是有效可行的,与未同化前相比,资料同化提高了模式计算的真实性,对中国及周边海海洋环流状况的描述有了很大改善.如所揭示的黑潮的强度、流幅、夏季黄海冷水团及其对应的水平环流、晚夏早秋南海的偶极子涡及其中间的东向急流等都更接近于观测结果.