近惯性内波破碎混合方案对MOM4模式的影响

风生近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合在海洋内部混合中起重要作用。然而其参数化对海洋模式的模拟影响仍有待进一步认识。本文给出的是在模块化海洋模式（MOM）中海洋表面边界层以下引入一个考虑风驱动近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合参数化方案的研究工作。模拟结果显示，该方案有效改善MOM4模拟的上层1 000 m以上的温盐偏差，特别是在北太平洋和北大西洋的通风地区。数值试验表明，风生近惯性内波破碎有可能是维持海洋通风过程的重要机制之一，它使得海洋通风区的位温变冷，盐度变淡，整层等位密面加深。维持的通风过程使得北太平洋副极地大涡的影响延伸到副热带大涡。从而模拟的北太平洋中层水源头及其副热带大涡东侧的温盐更接近观测实际。同时，模拟的北大西洋经圈翻转环流强度也更为合理。     

LICOM模式中不同混合方案的比较研究

在LICOM模式中,分别使用2种不同的海洋内部垂直混合方案,对气候平均态全球大洋环流进行了数值模拟试验。试验结果的分析比较表明,在添加F方案之后,对全球大洋,尤其是对中高纬度海域的中层水和深层水的温盐状态的模拟有显著的改进;对北冰洋中层水的核心温度及其所在深度的模拟有较大的改进。但是在本文中对于次表层水的模拟在添加F方案后结果欠佳。     

大洋细结构的一种可能的机制Ⅲ.对混合过程动能耗散的估计

继第部分之后研究了惯性内波和近惯性内波由f～的作用所致的剪切不稳定引起的破碎机制。物理上,该机制很象存在由风应力所致薄表面涡旋漂流层时表面波的破碎与饱和过程。惯性内波和近惯性内波的破碎产物与小尺度湍流一起形成了混合块,它与Gregg等人(1986)的持久混合观测结果一致。依据Thorpe(1973)实验的结果作者提出了一个估计湍流动能耗散率和消衰时间的方法。结果表明,在剪切不稳定中近惯性内波在湍动耗散中起了关键作用,而惯性内波引起非常弱的湍动耗散。使用内波能量谱的标准总能量密度估计出的近惯性内波的耗散率和消衰时间与PATCHEX测量结果非常一致。文中还讨论了几个与此破碎机制有关的问题。     

CMIP5地球系统模式溶解氧模拟结果分析

本文基于常用的统计方法,通过与WOA09观测的海洋溶解氧浓度数据进行比较,定量地评估了9个CMIP5地球系统模式在历史排放试验中海洋溶解氧气候态特征的模拟能力。在海表,由于地球系统模式均能很好地模拟海表温度（SST）,模式模拟的海表溶解氧浓度分布与观测一致,模拟结果无论是全球平均浓度偏差还是均方根误差均接近0,空间相关系数与标准偏差接近1。在海洋中层以及深层这些重要水团所在的区域,各模式的模拟能力则差异较大,尤其在溶解氧低值区（OMZs）所在的500m到1000m,各模式均出现全球平均偏差、均方根误差的极大值以及空间相关系数的极小值。在海洋内部,模式偏差的原因比较复杂。经向翻转环流和颗粒有机碳通量均对模式的偏差有贡献。分析结果表明物理场偏差对溶解氧偏差的贡献较大。一些重要水团,比如北大西洋深水,南极底层水以及北太平洋中层水在极大程度上影响了溶解氧在这些海区的分布。需要指出的是,虽然在海洋内部各模式模拟的溶解氧浓度偏差较大,但是多模式平均结果却能表现出与观测较好的一致性。     

北太平洋副热带潜沉率及其变化中海面风的作用

采用中国科学院大气物理研究所的高分辨率逐日风场驱动的全球海洋模式(LICOM1·0)对北太平洋海域的潜沉(Subduction)过程和副热带模态水形成区潜沉率的年际变化进行了数值模拟,并将模拟结果与同化的海洋模式资料(SODA)进行了比较。研究结果表明,该高分辨率的海洋模式对北太平洋的绝大部分海域晚冬混合层底水质点的运动方向和路径的数值模拟结果较好,模式模拟的副热带环流比SODA资料中的副热带环流流速强;模式模拟的混合层深度比SODA资料中的混合层深度深,更接近观测;模式中副热带海域的潜沉率大于SODA资料中的副热带海域的潜沉率。模式结果表明,副热带环流和副极地环流交界处是潜沉过程发生的最主要区,该区气候平均的潜沉率超过100m/a,最大为150m/a,海面风变异引起的海洋平流的年际和年代际变化,是该区潜沉率发生年际和年代际变化的主要原因;在太平洋副热带东部模态水形成区,气候平均的潜沉率超过50m/a,在该区潜沉率的年际变化中,局地风应力旋度决定的Ekman抽吸要比海洋平流效应更加重要。     

小振幅海洋内波的演变、破碎和所致混合

利用基于谱方法和MPI并行运算的数值模式SpectralModel,直接数值模拟了三维小振幅海洋内波的演变、破碎和所致湍流混合,指出导致其不稳定而破碎的为PSI(parametric subharmonic instability)机制;对于内波破碎所致的湍流混合过程,分析了跨等密度面扩散系数kρ、混合效率γ、浮力通量谱、动能谱以及势能谱等统计性质:内波破碎前,kρ和γ保持低值水平,浮力通量谱值为负,且集中在低波数段;内波破碎后,kρ和γ迅速增大,最大值分别约为0.9×103m2/s和0.18,浮力通量谱值在低波数段为负值,在高波数段为正值,这是因为层化湍流中势能向小尺度运动传递和动能向小尺度运动传递相比更为有效。在内波破碎、强湍流混合阶段,势能谱存在一谱段满足kz3律,P(kz)=0.2N2kz3。此外,与二维模拟结果相比较,导致内波不稳定而破碎的均为PSI机制,kρ、浮力通量谱、势能谱变化趋势大体一致;但三维数值实验中,内波破碎时间提前,湍流衰减加快;KE谱在高波数部分下降速度相对减小,更接近于kz3。     

内波的生成、传播、遥感观测及其与海洋结构物相互作用研究进展

内波是层结海洋中普遍存在的一种海洋动力学现象,包含内潮、内孤立波、近惯性内波等多种形式,由于其携带能量巨大,分布范围广,发生频率高,对海洋结构物造成严重威胁。对国内外关于内波生成、传播演化、海遥感观测及其与海洋结构物相互作用方面的研究进展进行综述。总结了关于内波的生成机制、浅水和深水区域内波传播演化特征、实际海洋内波特征的遥感观测以及内波与海洋平台及水下潜器相互作用的研究成果,讨论了数值模拟、模型试验、遥感观测等研究手段在海洋内波研究中的应用以及取得的相应研究成果。最后,在探讨海洋内波研究趋势的基础上对未来关于内波生成机制及其海洋学特征观测相关研究需考虑和解决的问题进行了展望。     

太平洋不同海水层结条件下的内波波致声场起伏研究

基于Argo资料对太平洋海域海水层结进行分类区划,利用内波动力学方法对内波致声起伏进行数值求解,对不同层结状况下的内波致声起伏进行模拟试验。结果表明:垂直方向海水层结的不均匀和跃层的存在,使海洋内波斜压模态受到了歪曲变形。层结峰的个数和深度与声速起伏存在很好的对应关系。有内波的声传播特征总体上与没有内波时的相似。不同层结情况下,声场对内波扰动的响应不一致。     

水下滑翔机在识别水团新结构中的应用

本研究基于中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的水下滑翔机在热带东太平洋观测获取的连续剖面温盐数据,并通过与多套不同数据的比测,证实国产水下滑翔机观测的温盐数据准确可靠,未来可大范围应用于深海大洋。观测结果首次发现该海域北太平洋中央水（NPCW）（50~100 m）的60~80 m层分布着中间层低盐水,分析认为该低盐水来源于水团下方的加利福尼亚流系水（CCS）,中间层低盐水形成的动力机制主要受跃层附近的内波控制,并与内波强度密切相关,同时受上层（20~60 m）障碍层的影响,该中间层低盐水仅仅出现在60~80 m。本研究发现内波与障碍层能够通过影响动能与热能的传输进而促进水团新结构的形成,相关成果丰富了内波与障碍层对上层海洋响应的研究,具有重要的科学价值。     

南海北部上层细尺度流速剪切的时间变化规律研究

基于2011年4月至2012年3月南海北部陆坡区潜标观测的高分辨率流速数据,本文研究了海洋上层细尺度流速剪切的时间变化特征及其演变规律。流速剪切的功率谱分析结果显示,南海北部上层的细尺度流速剪切主要受亚惯性运动、近惯性内波、全日内潮和半日内潮四种过程控制。其中,风生近惯性内波和中尺度涡旋所对应的亚惯性运动是造成上层流速剪切时间变化的主要原因,以往研究强调的全日和半日內潮的贡献则相对较弱。进一步分析发现,冬季中尺度暖涡能够极大地增强海洋上层的亚惯性剪切;夏、秋季南海活跃的台风所激发的近惯性内波能够造成近惯性剪切增强。另外,研究还发现,背景涡度对近惯性剪切具有重要的调制作用,即负涡度相较于正涡度更有利于近惯性剪切增强。该研究所揭示的流速剪切的时间变化规律及调控机制对改进海洋混合的参数化方案具有重要的参考价值。     

海浪搅拌混合对北太平洋海表面温度模拟的影响

利用NCEP再分析风场驱动WAVEWATCH III海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行模拟,利用浮标观测资料对模拟出的海浪要素有效波高进行验证,发现他们之间具有很好的一致性。基于模式输出的有效波高等波浪要素,利用特征波参数化理论,在海洋环流模式中引入海浪搅拌混合作用,分析其对北太平洋海表面温度模拟的影响,初步数值模拟结果表明,sbPOM模式在考虑海浪搅拌混合作用以后,模拟精度进一步提升,这对提供一个准确的大气模式下边界条件具有重要作用。     

太平洋海表温度异常数值模拟试验

本文用中国科学院大气物理研究所二层全球大气环流模式和四层太平洋环流模式所组成的海气耦合模式(CGCM)以及它们各自独立数值积分时所形成的模式气候场,以观测到的大气环流资料和海表温度为初条件,采用逐月海气耦合方案;同时对海气相互作用各项进行修正,以消除模式气候场的系统性偏差,模拟1988—1989年太平洋海表温度异常(SSTA)。试验结果表明,虽然CGCM中大气部分和海洋部分各自独立的数值模拟都存在着系统性误差,但对海气相互作用项进行修正,则可有效地改进模拟结果;采用这一修正方案,模式模拟出观测到的1988年9月、10月太平洋SSTA的基本特征。例如150°E以东整个赤道太平洋的负海温距平,赤道西太平洋地区和北太平洋副热带地区以及几乎整个南太平洋地区的正海温距平。进一步数值积分表明,模式不仅对太平洋SSTA及其季节演变,而且对年际变化(例如1989年5月以后赤道太平洋La Nino事件的终止过程等)也有一定的模拟能力。另外,文中还分析讨论了试验过程中所存在的问题及进一步所要开展的工作。     

利用遥感SST反演上层海洋三维温度场

通过统计相关分析验证了一个简单的温度参数模型在太平洋海域的较好适用性。基于Argo观测资料及WOA09气候态温度数据,采用最大角度法求得此模型的相关参数,并利用高分辨率卫星遥感海表温度反演了太平洋上层海域空间分辨率为1°×1°的气候态月平均三维温度场。与实测资料的比较分析表明反演结果是较为真实可靠的,并可作为海洋数值模式积分的初猜场,为实现现场观测(如:Argo)与卫星观测的优势互补,构建太平洋海域完整的三维温度分析场提供一种新途径。     

印尼贯穿流源区马鲁古海和哈马黑拉海水团来源的气候态分析

本文利用World Ocean Atlas 2013（WOA2013）气候态的温盐资料和the Simple Ocean Data Assimilation （SODA v3.3.1）流场数据，分析印尼贯穿流东部源区马鲁古海和哈马黑拉海的水团垂向分布特征及其来源，特别是次表层、中层及深层水的来源和路径。结果表明，气候态下，马鲁古海次表层的高温高盐水来自于北太平洋，与北太平洋热带水性质接近，哈马黑拉海次表层主要是来自南太平洋热带水；中层水以低温低盐为特征，马鲁古海的中层水来自南太平洋，受南极中层水控制，哈马黑拉海的中层水可能是从马鲁古海而来的南太平洋水；对于次表层和中层之间的过渡层，马鲁古海与哈马黑拉海的水源为南、北太平洋的混合水，且两个海域之间也存在着水团交换；在深层，马鲁古海的水源更倾向于班达海北部及塞兰海，而与太平洋水无关，哈马黑拉海由于地形阻挡也难以与太平洋直接发生水团交换。     

应用Argo资料分析西北太平洋冬、夏季水团

应用Argo剖面浮标观测的温、盐度资料,分析了西北太平洋海域冬、夏季的温、盐度分布、水团结构及其分布。首先采用T-S点聚图法分析了该海域水团分布的基本情况,由点聚分析结果可知,该海域至少存在6种以上水团;再用模糊聚类软化法对水团作进一步划分,分别计算了该海域6至11类水团的F和△F值,结果表明,冬、夏季的△F值都以划分为8类时为最大,这与大洋水团的稳定性是一致的,因此,该海域冬、夏季水团以划分为8类最佳,它们分别是北太平洋热带表层水、北太平洋次表层水、北太平洋中层水、北太平洋副热带模态水、北太平洋深层水和赤道表层水,以及南太平洋次表层水和南太平洋中层水。     

GFDL模式不同类型试验模拟海洋中CFC-11分布结果的评估

为了评估美国地球物理流体动力学实验室(GFDL)模式模拟海洋通风的能力,利用GFDL的物理气候系统模式和地球系统模式(GFDL-ESM2G、GFDL-ESM2M、GFDL-CM3)模拟海洋中CFC-11(一氟三氯甲烷,CCl3F)的资料,对CFC-11的海面浓度分布、单位面积水柱总量、全球总物质的量、最大穿透深度以及在大西洋、太平洋、南大洋的垂直剖面的特征进行了分析。本文将GFDL模拟结果与盐度、海温、CFC-11的观测资料比较,得到了如下重要结论:GFDL模式模拟的CFC-11海面高值中心集中在高纬度,如北大西洋、西北太平洋,但是在南大洋罗斯海、威德尔海模拟结果比观测值低了1.5 pmol·kg~(-1),这是CFC-11的溶解度与海面温度成负相关造成的,即随海面温度升高,CFC-11的溶解度降低; GFDL模拟的全球海洋中CFC-11总物质的量都比观测值高,尤其是CM3的模拟结果比观测高22.9%,GFDL模式平均值高于观测15.6%。通过对北太平洋46°N、北大西洋24°N和南大洋65°S的纬向断面的分析表明,目前GFDL模式在模拟一些重要水团时还有一定的改进空间,比如GFDL在24°N断面1 000 m以下模拟CFC-11浓度极大值位置过深。     

海浪破碎对北太平洋海表面温度模拟的影响

基于海浪模式WAVEWATCH Ⅲ模拟北太平洋海浪要素,结合NDBC浮标资料进行验证,发现模拟出的有效波高与浮标测量值具有很好的一致性。基于改进型白冠覆盖率耗散模型,利用海浪模式模拟出的有效波高、有效波周期和摩擦速度等海浪要素计算出单位面积水柱内因海浪破碎产生的湍动能通量。通过改变环流模式sbPOM湍动能方程的上边界条件,引入海浪破碎产生的湍动能通量,并探究海浪破碎对北太平洋海表面温度模拟的影响。研究表明,由于海浪破碎的引入,环流模式sbPOM对北太平洋海表面温度模拟的准确程度得到提升,这为大气模式提供一个准确的北太平洋下边界条件具有重要意义。     

应用Argo资料分析西北太平洋冬、夏季水团

应用Argo剖面浮标观测的温、盐度资料，分析了西北太平洋海域冬、夏季的温、盐度分布、水团结构及其分布。首先采用T-S点聚图法分析了该海域水团分布的基本情况，由点聚分析结果可知，该海域至少存在6种以上水团；再用模糊聚类软化法对水团作进一步划分，分别计算了该海域6至11类水团的F和△F值，结果表明，冬、夏季的△F值都以划分为8类时为最大，这与大洋水团的稳定性是一致的，因此，该海域冬、夏季水团以划分为8类最佳，它们分别是北太平洋热带表层水、北太平洋次表层水、北太平洋中层水、北太平洋副热带模态水、北太平洋深层水和赤道表层水，以及南太平洋次表层水和南太平洋中层水。     

南海北部陆架区内波的演变与耗散机制

海洋是多尺度强迫-耗散系统,机械能主要在大尺度输入,在小尺度耗散。在大、中尺度运动的能量向小尺度湍流传递过程中,内波扮演着重要角色。内波的生成和破碎可打破海洋动力平衡,而在陆架区,内波（主要是内孤立波）的浅化演变与耗散则是驱动湍流混合的关键过程。通过长期的理论、观测与数值模拟研究,目前已认识到内波浅化过程中主要发生如下演变：波形调制、极性转变、裂变、破碎与耗散。相较于直接发生破碎,浅化演变过程中的裂变及其引发的剪切不稳定和对流不稳定是内孤立波在陆架区的主要耗散机制,显著调制陆架区的跃层混合。从能量串级的角度讲,内孤立波浅化裂变为动力不稳定的高频内波是潮能串级的重要通道。本文简要回顾南海北部陆架区内波的研究历史,并着重总结内波在陆架区演变与耗散机制的研究进展。     

LICOM模拟的南海贯穿流及其对南海上层热含量的影响

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)数据、XBT(Expendable Bathythermograph)观测数据和绕岛环流理论(island rule)诊断计算结果评估了一个涡相容(eddy-permitting)全球海洋环流模式——LICOM对南海贯穿流及南海上层热含量的模拟能力,同时利用模式输出探讨了南海贯穿流对南海上层热含量的影响。NEC(North Equatorial Current)分叉的垂向结构、南海内区环流的季节和吕宋海峡体积输送的年际变化等分析结果都表明,LICOM能获取西北太平洋-印尼海域环流和南海贯穿流的合理模拟结果。模式模拟的南海上层热含量季节变化与观测及同化数据都表现出良好的一致性,尤其在南海内区。相关分析表明,吕宋海峡热输送主要控制着南海内区上层的热含量变化,两者呈显著负相关,这进一步证实了南海贯穿流作为一支冷平流调制着南海上层热含量变化的重要事实。