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.     

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.     

热带西太平洋环流及其季节变化

利用由GFDL的MOM3海洋环流模式和NODC的XBT数据库生成的全球海洋同化数据,分析了热带西太平洋环流及其季节变化.同化数据所反映的环流结构和平均流速流量与已知观测结果非常吻合.同化数据算得的北赤道流、棉兰老流、黑潮源地以及140°E以西的北赤道逆流等的流量基本上都表现出春强秋弱的季节变化特征,尽管彼此之间还存在少许位相差.由于两个热带流涡季节循环之间存在位相差,北赤道逆流还有半年振荡.与其上游的棉兰老流和新几内亚沿岸流不同的是,印度尼西亚贯通流在夏季东南季风期间较强,表明其季节变化深受季风影响.     

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.     

亚洲夏季风爆发早晚的新前兆信号:冬季南极涛动

亚洲夏季风最早于5月上旬和中旬分别在中南半岛和南海爆发.统计分析的结果显示,其爆发早晚的前兆信号最早可追溯至冬季南半球中、高纬度的大气环流的异常,即南极涛动.冬季南极涛动偏强会造成初春南半球中纬度地区副热带高压带偏强,低纬地区赤道辐合带加深,从而使南半球中纬度和热带地区的气压梯度力加大,促使3～4月份索马里越赤道气流较早建立并偏强.受科氏力作用,索马里急流增强并越过赤道后,赤道印度洋西风也偏强,有利于孟加拉湾和南海地区低层辐合的加强和对流的活跃,并使西太平洋副高偏弱且较早东撤出南海,造成亚洲夏季风爆发偏早.反之,当冬季南极涛动偏弱时,南半球副热带和热带之间的气压梯度力偏小,索马里越赤道气流偏弱,赤道印度洋西风也偏弱,孟加拉湾和南海对流偏弱,南海上空副高偏强且东撤时间偏晚,亚洲夏季风爆发偏晚.这一结果在过去研究成果基础上进一步拓延了基于南半球大气环流信号预测亚洲夏季风的时效,并可作为一个新的前兆信号在业务中应用.     

印度尼西亚贯通流年代际变化及成因分析

基于最新SODA资料研究了印度尼西亚贯通流(Indonesian throughflow, ITF)体积和热量输运的年代际变化, 并对其机制进行了初步探讨. 结果表明: ITF体积输运年代际变化主要产生在714 m以浅, 热量输运的年代际变化主要在450 m以浅. Davao南侧、新几内亚岛北侧和澳洲西北侧海域不同深度以上垂向积分海水压力年代际变化较为一致; 澳洲西北侧与Java岛南侧海域的垂直积分压力差与ITF体积输运在年代际尺度上具有最好的对应关系. 基于绕岛环流理论分析了年代际尺度上太平洋风应力与ITF体积输运的关系, 指出澳大利亚南端纬线上和赤道太平洋的纬向风应力积分是ITF年代际变化的主要贡献者, 赤道太平洋的纬向风应力积分决定了ITF年代际变化的相位. 上述结果说明热带海区的大气强迫和海洋调整过程均对ITF年代际变化有重要的贡献.     

为什么2014年没有发展成强El Nio

利用ICOADS重建的月平均海表温度(SST)、GODAS的月平均次表层海温(SOT)、向外长波辐射(OLR)以及NCEP/NCAR的再分析资料等数据,通过与1997/1998年El Nio的发展对比,分析了2013年下半年至2014年热带太平洋的海气演变特征,探讨了2014年未能发展出强El Nio的原因.主要结论如下:1)2013年9月~2014年2月,暖水在西太平洋暖池堆积,虽然满足了El Nio爆发的热力条件,但由于西风异常爆发较晚,且维持时间较短,并在2014年4月以后转为东风异常,抑制东传暖的Kelvin波,使得暖水缺少进一步东移的条件;2)从西风异常发生发展来看,2013年东亚冬季风较弱并且缺少赤道印度洋西风异常的支持,导致赤道西太平洋西风异常爆发较晚;3)2014年4月以后,缺少南北半球的经向风辐合和质量输送,导致赤道西风异常西退而后转为东风异常.此外,赤道印度洋也有着显著不同.在1997/1998强El Nio发展之前的1996年冬季,IOD位相和太平洋东风异常减弱消失,Walker环流上升支东移,暖水在西风异常的驱动下沿着温跃层向东移动,为El Nio的爆发提供条件.2013/2014年冬季缺乏这个条件.     

全新世太阳活动驱动的太平洋上层热力结构的瞬变演化

在中等复杂程度地球系统模式(UViC-ESCM)中, 受过去7千年来瞬变太阳活动驱动, 北半球冬季太平洋上层水体热力结构表现出百年尺度变化特征, 西太平洋暖池(WPWP)的三维热力响应被大幅度增强. 太阳活动最大值期, 热带西太平洋表层海水温度变化幅度比Niño3区域大30%左右, 而次表层海水温度变化幅度在副热带北太平洋比赤道西太平洋大40%; 太平洋纬向表层海温梯度(西-东)和经向次表层海温梯度(北-南)同时增强, 且在百年尺度周期上线性响应于太阳活动驱动. 表层海温梯度的208 a周期最为显著, 而次表层海温梯度在大于208 a的周期上更为显著. 此外, 表层海温梯度在百年尺度周期上的相位滞后(响应时间)要比次表水海温略小, 表层海温梯度中出现的148和102 a周期并未见于次表层海温梯度. 上述模拟结果初步指示WPWP古海洋记录中的全新世百年尺度波动可能来源于太阳活动变化.     

渤海1958年和2000年夏季温盐场及环流结构的比较

渤海沿岸葫芦岛、秦皇岛、塘沽及渤海海峡北部北隍城4个海洋站35年(1961~1996)盐度观测资料显示上述4站的盐度分别升高了1.1, 1.6, 1.9和0.4. 盐度观测资料还显示, 过去35年中, 渤海至少发生了5次较大盐度变化过程. 比较1958年8月和2000年8月渤海大面观测资料, 渤海的盐度分布结构也发生了较显著的变化. 1958年8月老黄河口外海表层的低盐区已由高盐区替代, 盐度变化最大值达10.0以上, 且2000年8月从表层到底层盐度量值及分布结构基本一致. 比较两年全渤海的盐度可知, 渤海大部分海区盐度升高了2.0以上. 渤海温盐度场结构的变化导致了渤海环流变化. 数值模拟研究结果显示, 2000年8月渤海环流和1958年同期环流相比其结构发生了大的变化. 环流变化最显著区是渤海湾、莱州湾及其邻近的渤海中部海区. 1958年夏季存在的渤海湾外侧的顺时针流环和莱州湾外侧的逆时针流环在2000年夏季已消失, 渤海湾逆时针流环位置明显外移, 莱州湾内流动方向发生了180°的转向. 与渤海环流变化相应, 渤海和黄海的水交换量也随之发生了变化, 2000年8月较1958年8月渤海与黄海的月平均水交换量减少了0.7×10⁴ m³/s.     

两种再分析资料的Hadley环流比较

用叠加计算方案求得了ECMWF, NCEP/NCAR两种再分析资料的平均经圈环流质量流函数. 比较表明: ECMWF资料较NCEP/NCAR资料的Hadley环流公共上升支强而窄, 平均位置更偏于赤道以北; 且ECMWF资料存在明显的Hadley环流双层结构. 因此, 两种客观分析资料给出的Hadley环流存在明显差异.     

基于卫星高度计的南极绕极流强度年际变异规律

利用20年的卫星高度计绝对动力地形数据在流函数坐标中研究了南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current,ACC)强度的年际变异规律.流函数坐标投影方法能够把ACC从副热带和副极地环流中分离出来,考虑了其纬向不对称性而不是简单地将其作为一支纬向流.研究表明ACC强度具有很强的年际变化,其在2000和2009年前后增强.这种年际信号主要出现在印度洋和太平洋扇区,而最强信号位于澳大利亚以南.西风在1998和2008年的增强可能通过斜压动力过程导致了ACC在2000和2009年前后的增强.     

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.     

理想海底地形的南海海洋经向翻转数值模拟

利用一个z坐标刚盖近似海洋环流模式, 分别在吕宋-台湾以东的闭边界和开边界两种情况下, 模拟了理想海底地形(1000 m平底)南海冬季和夏季上层环流的经向翻转(meridional overturning), 目的是为了分析黑潮入侵南海的可能影响范围及其对南海上层环流经向翻转的改变, 并比较这种影响的季节性差异. 模式采用气候平均的海面风场驱动, 热盐强迫采用基于向Levitus气候海面温度和盐度张弛的边界条件. 从模拟结果来看, 黑潮影响南海上层经向翻转的范围可达到10°N左右, 从而驱动南海上层海洋形成一个不闭合的经向翻转. 在冬季(1月份), 海水从大约400 ~ 500 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部; 在夏季(6月份), 也有类似的情形, 海水从大约150 ~ 200 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部. 该经向翻转描述了南海中、上层水的运动路径, 为研究南海风生-热盐环流动力学提供了理想化的参考依据.     

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.     

两类El Nio的发生与赤道太平洋次表层海温异常

通过资料分析,对比了东太平洋型El Nio(EP-El Nio)和中太平洋型El Nio(CP-El Nio)的生消演变与赤道太平洋次表层海温异常的关系.其结果表明:两类El Nio与赤道西太平洋次表层海温异常都有明显的负相关,但在不同相位阶段相关性的变化明显不同;两类El Nio的发生与赤道温跃层结构的变化密切相关,但其生消演变过程中温跃层东西向的梯度和显著变化的区域以及温跃层振荡的幅度和时间都有显著差异;两类El Nio生消过程中,赤道次表层海温异常的传播演变均起到了重要作用,但在暖SOTA的聚集时间、强度、持续时间以及位相反转等方面存在较大差异.此外,两类El Nio事件中,次表层海温异常的传播有着明显不同的路径:东太平洋型主要的传播回路在赤道及其北侧,在赤道以南虽有SOTA的传播,但没有形成显著的回路;而中太平洋型主要的传播路径在赤道及其南侧,在赤道以北其传播路径则远不如赤道以南清晰.本文还初步讨论了两类El Nio与赤道纬向风异常关系的异同,结果表明EP-El Nio更多是对赤道中西太平洋大范围异常西风的响应;而CP-El Nio则更多是对赤道西太平洋地区异常西风的响应,并且一定程度上需要赤道东太平洋区域异常东风的配合.     

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.     

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     

春季北极涛动对南海气候的影响

利用1979~2013年月降水量和NCEP再分析大气环流资料,分析了春季(3~5月)北极涛动对南海气候变率的可能影响.结果表明,春季南海多气候要素主导模态的时间系数与同期北极涛动指数相关系数达?0.4,超过95%的信度水平,二者反位相的特征在年际尺度上更加明显.当北极涛动指数为正异常时,西太平洋副热带高压减弱,热带西太平洋有异常气旋式环流,南海地区偏南风减弱,南海大部分地区降水增多,北部到华南地区降水减少,北极涛动指数为负异常时情况则相反.北极涛动可由两条途径影响南海地区气候,一是通过青藏高原南侧西风急流的波列,二是通过北太平洋西风急流区南北侧的偶极型环流异常.南海地区环流和气候的异常与这两条途径的相对强弱和配置有关,当高原南侧波列异常偏强同时北太平洋偶极型异常偏弱时,二者共同作用可增强西太平洋副热带高压和南海地区异常反气旋环流,导致降水的显著减少.当北极涛动指数为正异常时,北太平洋偶极型南支的气旋还可触发热带地区海气相互作用间接影响南海气候.     

行星尺度纬圈平均风扰动的传播与南北极涛动

全球大气变量可以物理分解为纬圈和时间平均的气候对称部分、时间平均的气候非对称部分、行星尺度纬圈平均的瞬时对称扰动和天气尺度瞬时非对称扰动.本文分析了对流层顶行星尺度经、纬向风扰动在季节内和年际尺度上的变化,及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)之间的关系.结果表明,来自热带对流层顶的年际行星尺度纬向风扰动与赤道ENSO循环有联系,并通过异常的经圈环流传播到副热带、中纬度和极锋对流层顶.来自热带对流层顶的季节内(40~60 d)行星尺度纬向风扰动也可以通过异常的经圈环流向赤道外传播到副热带和中纬度.来自两半球极地对流层顶的大气季节内行星尺度纬向风扰动可以向高纬度传播.AO和AAO是这些行星尺度环流扰动在中高纬度传播与叠加的结果.     

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.