南海海面高度和输运流函数: 全球 变网格模式结果

为了研究南海环流结构和变异及其与外部水域的关系, 我们建立了一个嵌套于全球大洋环流模式中的高分辨率中国近海环流数值模式. 给出模拟所得南海月平均以及年平均的海面高度和流函数分布, 与TOPEX/POSEIDON资料比较表明, 所得海面高度距平与观测十分一致. 基于这些结果, 讨论了南海的环流结构, 尤其是上层环流结构. 结果表明: 对于表层海水来说, 黑潮在冬、春和秋季均通过吕宋海峡入侵南海, 夏季则表层没有入侵. 但对于整个海水而言, 全年均有海水从太平洋通过吕宋海峡进入南海. 这一差异表明, 在夏季, 太平洋的海水是在次表层和中层入侵南海的.南海北部陆坡附近全年受气旋式环流控制. 夏季的南海南部反气旋流圈、越南东南离岸流和冬季的南海南部气旋流圈都得到了很好的再现. 南海海面高度和海面高度距平之间的差异明显. 表明, 在利用卫星高度计资料研究南海的上层环流时, 长期平均海面高度的空间分布有重要意义.     

南海海面高度、动力地形和环流的周年变化——TOPEX/Poseidon卫星测高应用研究

用1993~1999年的TOPEX/Poseidon卫星测高资料, 分析了南海海面高度距平场(SSHA)的平均周年变化; 结合历史水文资料, 反演了多年平均的逐月海面动力地形; 探讨了南海动力地形及其所反映的上层环流季节特征和演变规律. 分析表明, 南海大尺度环流的周年演替可分为4个阶段. 冬季(11~2月)南海环流表现为以北部气旋环流为主的气旋型双圈结构, 相关的特征还包括吕宋海峡的黑潮入侵和加里曼丹岛西北外海的东北向离岸流. 春季(3~4 月)气旋型双圈结构解体, 北部的气旋型环流依然维持, 南部环流则向反气旋型演变, 大尺度环流结构呈现偶极子特征. 夏季(5~7 月)和秋季(8~10月)海盆内部不存在明显封闭的大尺度环流, 环流以西南-东北流向的季风急流为主要特征, 但夏、秋流态有较大差别. 5~7 月季风急流贴中南半岛北上, 在海南岛东南18°N附近沿地形折向东形成反气旋型弯曲, 穿越南海后再折向东北. 8~10 月季风急流在13°N附近即离开中南半岛海岸进入海盆中部, 其流态转变为气旋型. 在春、夏、秋三季, 黑潮的入侵都不明显. 上述变化规律显示南海环流的动力调整在季风盛期过后就已经开始.     

南海北部深海潮汐的季节性变化特征

深海潮汐是深海混合过程的主要能量来源,对深海环流变异和沉积物搬运具有重要的调控作用.文章利用深水锚系观测系统在南海北部2100m水深处开展了近两年的高分辨率海流剖面观测,用于研究深海潮汐的季节性变化特征.通过谱分析显示,南海北部深海潮汐以全日潮为主,且在观测区域的深海中,全日潮和半日潮以垂向第一模态结构为主.斜压全日潮具有显著的季节性变化特征,夏季最强,深度平均的最大动能达86.7cm2s-2,分别是冬季的1.5倍、春秋季的2倍;而斜压半日潮没有明显的季节性变化.通过对比发现斜压全日潮的季节性变化受控于吕宋海峡附近的正压潮.另外,观测期间有三个强中尺度涡经过锚系站位,其中一个气旋式中尺度涡对深海海流影响较小,而另外两个反气旋式中尺度涡经过研究海域时可影响全水深海流,激发强亚惯性流,对深海潮汐产生边缘强化效应,并使深海斜压全日潮冬季的异相成分增强,占全日潮的85%.同时,中尺度涡对深海海水混合的增强弱化了海水层结,导致冬季的斜压全日潮流速减弱,低于夏季.南海北部深海潮汐季节性变化为研究深海盆沉积物在不同时间尺度上的分布及搬运过程提供了重要的动力机制.     

春季Hadley环流异常对夏季西北太平洋热带气旋频数影响的数值模拟试验

观测事实揭示出春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数之间存在显著的负相关关系.由春季Hadley环流异常引起的西北太平洋地区夏季纬向风垂直切变、大气辐合辐散等的异常变化是这一关系存在的内在原因.本文通过数值试验对这一关系的真实性进行了验证,即利用中国科学院大气物理研究所发展的9层大气环流模式（IAP9L-AGCM）模拟了春季Hadley环流异常偏强情景,并分析了该情景下影响西北太平洋热带气旋生成的环境场的响应.结果表明,在春季Hadley环流偏强情景下,夏季西北太平洋地区纬向风垂直切变幅度加大,低空大气异常辐散,高空大气异常辐合,东亚夏季风减弱,这种环流背景不利于热带气旋生成和发展,因此,西北太平洋热带气旋频数异常偏少.数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合,进而证实了春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数负相关关系的存在.因此,春季Hadley环流信号可以用于西北太平洋热带气旋活动的气候预测.     

南海季风性海流的建立与调整

通过一个高分辨(1/6度×1/6度)南海环流模式, 在旋转加快(spin-up)过程中分析了南海上层海洋季风驱动下海盆尺度环流特征建立的方式与内在机制, 分析了南海自静止态至海盆尺度环流特征初步形成的过程, 揭示了此过程中边界截获Kelvin波和西传斜压Rossby波的重要作用, 由此估算了南海上层海洋季风性海流调整的特征时间尺度.     

南海深层环流与经向翻转环流的研究进展

吕宋海峡"深水瀑布"一方面驱动了南海深层气旋式环流,另一方面入侵的北太平洋深层水在南海内区通过混合变性并上升.这两个过程极大地贡献了南海经向翻转环流.同时无论是南海深层水平环流,还是经向翻转环流,均受到南海内区复杂地形的调制,而南海经向翻转环流的空间结构又在一定程度上体现了南海深层环流与中、上层环流的联系.本文回顾了近年来南海深层环流与经向翻转环流的研究,总结了南海深海环流的驱动机制及其地形的调控、南海经向翻转环流的空间结构及其成因.     

2022年中国南方破纪录的夏秋连旱:热带海温和欧亚加热的作用

2022年夏季至秋季,中国南方遭遇了一次持续的极端干旱事件,并对南方地区的经济发展和生态系统都造成了严重的影响.本文探究了引起这一持续性干旱事件发生的大气环流异常.研究结果表明, 2022年夏季中国南方极端干旱的发生与西北太平洋异常反气旋及东亚副热带急流北移所共同导致的水汽通量辐散和异常下沉运动密切相关.不同的是,后续造成秋季干旱持续维持的大气环流异常主要是位于孟加拉湾至中国南海地区上空的气旋性环流异常,该系统导致了中国南方的水汽减少和异常下沉运动.进一步的研究表明, 2022年夏季欧亚大陆北部罕见的强地表加热和热带太平洋的极端拉尼娜型海温异常共同导致在同期出现了西北太平洋异常反气旋和东亚副热带急流的北移,而秋季在孟加拉湾至中国南海地区上空形成的气旋性环流异常很大程度上是由热带印度洋海温的极端负异常导致的.     

亚洲-太平洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季亚洲-太平洋涛动(Asian-Pacific Oscillation, APO)和西北太平洋热带气旋频数的关系, 发现APO强弱的年际变化与西北太平洋热带气旋频数多寡之间具有显著的正相关关系, 夏季APO偏强(弱)时, 西北太平洋热带气旋偏多(少). 研究进一步揭示, APO变化可导致西北太平洋区域主要大气环流系统出现异常, 而大气环流的这种异常变化正是APO与西北太平洋热带气旋频数相联系的原因. 当APO处于正位相时, 西太平洋副热带高压减弱, 位置偏东偏北; 西北太平洋地区高层大气异常辐散, 低层大气异常辐合; 纬向风垂直切变减弱. 这些变化均为西北太平洋热带气旋的形成提供了有利的大气环流条件, 因此, 西北太平洋热带气旋频数偏多. 反之亦然.     

东北夏季气温变异的区域差异及其与大气环流和海表温度的关系

利用1951～2000年中国东北地区23个台站资料，对东北夏季气温的时空分布进行了研究，发现其变化除具有整体的一致性外，东北南部和北部的夏季气温在年际和年代际时间尺度都表现出很大不同，其中北部区域的夏季气温在1987～1988年间发生了一次显著的气候突变. 另外，剔除夏季气温全区一致变化的年份后，南北两区夏季气温与大气环流和海表温度的关系表明：突变前，影响北部和南部冷/热夏季的大气环流形势存在显著的不同，关键海域亦有很大差异：影响南部的为中纬度西太平洋和印度洋部分海域，影响北部的主要为ENSO事件；突变后，两区的夏季气温及相应大气环流和关键海区都趋于一致. 在整个分析时段内，北部夏季气温与东亚夏季风存在显著负相关，而南部的关系则不明显.     

北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数关系的年代际变化

基于观测资料分析,研究了夏季北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数之间的关系,发现两者的联系呈现由弱转强的年代际变化特征.1948~1977年,北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系较弱;但1980~2009年,两者转为显著的正相关,北大西洋涛动偏强(弱)对应西北太平洋热带气旋数偏多(少).本文进一步从大气环流变化角度,探讨了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系在前后两个时段出现不同的可能原因.结果表明,在后一时段,当北大西洋涛动偏强时,西北太平洋低层为异常气旋型环流,季风槽加强,西太平洋副热带高压偏东,西北太平洋地区高层大气异常辐散,低层大气异常辐合,这些条件均有利于热带气旋的生成和发展,西北太平洋热带气旋因此偏多.然而,在前一时段,北大西洋涛动对上述环流系统的影响不明显,因而减弱了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系.研究进一步揭示,与北大西洋涛动异常相关联的波活动通量的变化可以解释北大西洋涛动与西北太平热带气旋频数联系的这种年代际变化.     

大气季节内振荡的活动与江淮流域夏季旱涝

观测资料的分析极为清楚地表明,江淮流域的夏季降水有着极为明显的低频变化,周期为30-60d和近20d的振荡是其最基本的特征,尤其是在多雨的年份.对应江淮夏季多雨(涝)年和少雨(旱)年,大气环流的分析表明其大气季节内振荡(IS0)的形势有着显著的差异.例如在多雨(少雨)年,在长江以南的850hPa上为一个低频(IS0)反气旋(气旋)性环流控制,而中国北部和日本一带为气旋(反气旋)性环流,从而在江淮流域形成较强的低频辐合(辐散)气流;在200hPa的青藏高原上却为一个低频气旋(反气旋)性环流所控制.分析还表明,对应多雨年,在江淮流域有明显的由中高讳度向南传播和由低玮度向北传播的大气低频振荡的汇合情况;而对应于少雨年,由中高纬度向南传播的低频系统较不明显,在江淮流域低频系统的汇合也较为不清楚.     

南海第四纪的生源蛋白石记录: 与东亚季风、全球冰量和轨道驱动的联系

据南海中部1993~1996年颗粒通量的研究表明, 蛋白石通量可以用来指示初级生产力的变化, 这一结果为追溯南海第四纪冰期旋回中表层生产力的变化与东亚季风的演化关系提供了依据. 通过南海ODP184航次等6个站位生源蛋白石含量及其堆积速率的研究发现, 北部站位蛋白石含量及其堆积速率自470~900 ka以来明显增加, 并且冰期升高, 间冰期降低; 而南部站位自420~450 ka以来明显增加, 并且间冰期升高, 冰期降低. 这种晚第四纪冰期旋回中蛋白石含量及其堆积速率的变化反映了南、北部表层生产力呈现“跷跷板”式的变化, 即冰期冬季风加强, 北部表层生产力增加, 南部表层生产力降低; 间冰期夏季风加强, 南部表层生产力增加, 北部表层生产力降低. 北部ODP1144站和南部ODP1143站第四纪以来蛋白石含量与全球冰量(δ ¹⁸O)和轨道参数(ETP)的时间序列交叉频谱分析和以前的研究结果显示, 东亚冬季风和夏季风的变化可能有不同的驱动机制. 在轨道时间尺度上, 全球冰量的变化可能是东亚冬季风强度和时间变化的主要控制因素, 而岁差和斜率相关的北半球夏季太阳辐射量的变化可能是东亚夏季风强度和时间变化的主要控制因素.     

1998年长江流域洪水期大气季节内振荡特征及机理研究

1998年夏季长江流域洪涝灾害的发生与低纬和中高纬低频气旋在长江流域附近地区的汇合过程有关. 用包含18个动力热力因子及南北边界效应的局地经向环流线性诊断模式将各因子作用分解开来, 并根据1998年的NCEP再分析资料找到造成不同纬度低频气旋的产生、经向传播及相互作用的主要过程. 基于数值模式的定量分析结果, 表明低纬地区低频气旋的产生和传播主要与强积云对流有关的潜热加热、反映越赤道气流影响的边界效应及热量垂直输送作用有关; 而中高纬地区低频气旋的产生和传播则主要与反映西风带扰动的西风动量水平输送和温度平流作用有关, 西风带扰动主要体现为鄂霍次克海阻塞高压及东南侧的切断低压. 高低纬低频气旋在长江流域附近地区的合并, 不但为长江流域发生洪涝提供所需的抬升条件, 也为南海地区低层低频反气旋的形成创造了有利条件. 在来自南海低频反气旋西北侧的暖湿气流和位于长江流域的低频气旋上升运动的共同影响下, 长江流域发生了百年一遇的特大洪水.     

南海东北部及其邻近地区的Pn波速度结构与各向异性

利用中国地震台网和ISC台站1980～2004年的地震数据，反演了南海东北部及其邻近地区的Pn波速度结构和各向异性.上地幔顶部的速度变化揭示出区域地质构造的深部特征：华南地区速度较高并且变化平缓，具有构造稳定地区的岩石层地幔特征；华南沿海尤其是滨海断裂带附近出现低速异常，表明该断裂可能穿过壳幔边界深达上地幔顶部.南海北部至台湾海峡较高的速度与华南地区类似，反映出大陆边缘和陆架地区的岩石层地幔性质；西沙海槽附近较高的速度不仅反映了华南大陆向南的延伸，而且与海槽裂谷拉张引起的地幔上拱有关，整个南海北部没有发现大规模地幔热流的活动痕迹.相比之下，南海东部次海盆的上地幔顶部存在明显的低速异常，对应于海底扩张中心的地幔上涌区，表明岩石层地幔强烈减薄甚至缺失；台湾东部－吕宋－菲律宾北部的低速异常与地震、火山活动以及岩浆作用紧密相关，揭示了西太平洋岛弧俯冲带的活动特征；南海东北部的洋－陆边界清晰，南海东部和菲律宾海西部较高的速度代表了海洋岩石层地幔的性质.Pn波各向异性反映出区域性构造应力状态及岩石层地幔的变形痕迹：华南地区的各向异性较小，说明这一构造稳定地区的岩石层地幔变形程度较弱；南海北部的快波方向与地壳浅表层构造的伸展方向一致，主要反映了中、新生代以来的大陆边缘张裂和剪切作用对岩石层地幔结构的影响；琉球－台湾－吕宋岛弧两侧各向异性十分强烈，平行于海沟的快波方向表明菲律宾海板块和欧亚大陆的相互作用导致俯冲板块前缘的岩石层地幔强烈变形；台湾东南海域快波方向的变化可能与欧亚大陆和菲律宾海板块俯冲机制的转换以及岩石层被撕裂有关.     

风驱动下f-平面准地转三维海洋环流的形成及总质量守恒的应用

将理想化的南中国海海盆在垂直方向上划分为Ekman层、惯性层和摩擦层. Ekman层中的运动由大气风应力驱动，其底部的扰动压力将作为其下惯性层中运动的上边界条件. 惯性层中的运动是由f 平面三维非线性方程在准地转近似下位势涡度守恒控制，由此得到控制惯性层中运动关于扰动压力的三维椭圆型方程. 在惯性层以下考虑到深层的海盆水平尺度很小，由此引进带有底部摩擦的线性控制方程，方程的边界条件为惯性层和摩擦层交界面上的扰动压力连续，沿海盆边界假定海水与相邻的固壁间无热量交换，由此设在海盆边界上扰动温度为零. 在此基础上分别利用惯性层和摩擦层中的椭圆型控制方程计算了相应层次上冬、夏季的扰动压力和准地转流. 结果表明冬季各层上以气旋式环流为主，且随深度的增加流速减小；夏季各层上以反气旋式环流为主，流速也随深度增加而减小. 这在一定程度上和观测事实相符.     

赤道MJO活动对南海夏季风爆发的影响

利用1979—2013年NCEP/DOE再分析资料的大气多要素日平均资料、美国NOAA日平均向外长波辐射资料和ERSST月平均海温资料,分析赤道大气季节内振荡(简称MJO)活动对南海夏季风爆发的影响及其与热带海温信号等的协同作用.结果表明,赤道MJO活动与南海夏季风爆发密切联系,MJO的湿位相(即对流活跃位相)处于西太平洋位相时,有利于南海夏季风爆发,而MJO湿位相处于印度洋位相时,则不利于南海夏季风爆发.赤道MJO活动影响南海夏季风爆发的物理过程主要是大气对热源响应的结果,当MJO湿位相处于西太平洋位相时,一方面热带西太平洋对流加强使潜热释放增加,导致处于热源西北侧的南海—西北太平洋地区对流层低层由于Rossby响应产生气旋性环流异常,气旋性环流异常则有利于西太平洋副热带高压的东退,另一方面菲律宾附近热源促进对流层高层南亚高压在中南半岛和南海北部的建立,使南海地区高层为偏东风,从而有利于南海夏季风建立;当湿位相MJO处于印度洋位相时,热带西太平洋对流减弱转为大气冷源,情况基本相反,不利于南海夏季风建立.MJO活动、孟加拉湾气旋性环流与年际尺度海温变化协同作用,共同对南海夏季风爆发迟早产生影响,近35年南海夏季风爆发时间与海温信号不一致的年份,基本上是由于季节转换期间的MJO活动特征及孟加拉湾气旋性环流是否形成而造成,因此三者综合考虑对于提高季风爆发时间预测水平具有重要意义.     

多源探测数据揭示的南海东北部三维地壳结构特征

南海东北部洋陆转换带及其邻区复杂的地壳结构一直是南海岩石圈结构研究和深水油气勘探的热点.本研究基于覆盖南海东北部的119条地球物理探测数据(包括二维地震和OBS/OBH/ESP等剖面),采用已有OBS数据拟合的时-深关系进行转换,提取主要沉积地层界面和Moho面深度信息;参考区域深钻资料,利用离散平滑与克里金插值法对研究区的数据稀疏区进行插值,在此基础上建立了南海东北部三维地壳结构模型.结果显示:南海东北部的地壳拉伸减薄具有空间差异性.平面上,可以分为地壳轻微、中等和强烈减薄区(拉伸系数分别小于1.5、1.5～2.5之间和大于2.5);Moho面深度向SW向变浅,洋陆转换带宽度由东部的50km变窄至西部的20km;北部陆架区发育一系列NE走向的断陷,推测主要受到滨海断裂带的控制,南部陆坡深水区部分凹陷发育巨厚沉积层,可能是由于深水区大型正断层活动和南海扩张过程中陆壳向海掀斜的共同作用.垂向上,Moho面深度与沉积层底界表现为镜像关系,上地壳拉伸系数基本都大于下地壳;且东沙隆起及其邻区的下地壳下部发育高速层,其厚度以近东西向为轴向南北方向变薄.研究揭示的南海东北部三维地壳结构,特别是Moho面结构特征,是认识其深部动力过程和构造活动的重要依据,可为探讨南海洋盆的扩张和演化提供参考.     

南海北部新生代盆地基底结构及构造属性

基于南海北部钻井资料、华南沿海地质特征、覆盖珠江口盆地和琼东南盆地的地震长剖面解释,将南海北部盆地基底结构划分为前震旦系、震旦系-下古生界、上古生界和中生界4个构造层,论述了各个构造层的分布范围和分布规律,揭示了各个构造层的构造属性.南海北部盆地广泛分布前震旦纪结晶基底,它与华夏地块前震旦纪结晶基底联为一体,组成更大规模的陆块——华夏-南海北部陆块.震旦系-下古生界广泛分布于南海北部,是华南加里东褶皱带向海域的自然延伸,沉积物来源于东海南部-台湾、中西沙、云开古隆起和一些小的基底隆起区,南海北部加里东褶皱带与华南相连,组成范围更为辽阔的褶皱带.上古生界构造层分布在北部湾盆地和台西南盆地基底中,由稳定的陆表海沉积所组成,珠江口盆地和琼东南盆地基底在晚古生代属于古隆起,缺失上古生界构造层.中晚侏罗世-白垩纪地层分布及沉积环境具有东西分异特征,台西南盆地基底中发育有海相和海陆交互相沉积,火山活动不明显;珠江口盆地东部基底以海相和海陆过渡相为主,火山活动较强烈;珠江口盆地西部和琼东南盆地基底以早白垩世陆相火山-沉积为主;北部湾、莺歌海盆地基底以上白垩统陆相红色碎屑岩为主.中生界基底中北东向花岗质火山-侵入杂岩、火山-沉积盆地、褶皱、断裂与华南沿海陆域具有相似的时空分布、地质特征及构造属性,它们属于同一岩浆-沉积-构造体系,反映了晚中生代构造层形成于活动大陆边缘背景中.在基底结构及构造属性研究的基础上,编制了南海北部盆地基底不同时期古地理图.     

基于CloudSat资料的北上江淮气旋暴雪云系结构特征

2007年3月3-5日和2013年11月24-25日,受江淮气旋北上影响,我国北方大部地区遭遇罕见暴风雪天气,2次暴雪过程有很多相似之处.利用常规观测、CloudSat卫星云廓线雷达的探测资料和NECP/NCAR再分析资料,分析了这2次暴雪过程江淮气旋云系结构和微物理特征.结果表明：（1）北上江淮气旋的冷锋云系较窄,以深厚对流云为主,回波核心在2~7 km,其结构在气旋发展的不同阶段变化不大;（2）逗点头云系范围宽广,在气旋的不同发展阶段,结构和强度有显著差异.气旋初始锋面波动和锋面断裂阶段,逗点头云系有两个降水区：北部为由多个单体组成的大范围层状云区,强回波从地表向上伸展,上空有高空对流泡,建立了播撒云-供水云机制,有利于下部冰晶粒子长大;南部有对流云柱发展.逗点头西部的冷输送带云系主要集中在6 km以下,强度弱,冰粒子含量少;（3）气旋暖锋后弯阶段,干侵入加强,冷锋后部的无云区或少云区范围扩大,逗点头云系南北范围收缩、变窄,云系的高度、强度和含水量减弱,冷锋云系也减弱;（4）气旋冷锋云系和逗点头南部的对流云柱以降雨为主,位于高纬度陆地上的逗点头云系以降雪为主,当逗点头云系处于海上有对流不稳定发展,以降雨为主.冷锋云系北部和逗点头云系南部均有由层积云或高积云组成的低云,以毛毛雨为主.冷锋云系和逗点头云系北部100-200 km的范围为随高度和距离逐渐变薄的高层云,无降水对应.     

El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型的数值模拟

给定1948～1999年逐月变化的全球观测的海表温度分布，使用全球大气环流模式（CCM3/NCAR）模拟了大气对海表温度变化的响应，利用SVD和合成检验方法，分析了El Nino发展阶段夏季、成熟阶段冬季以及衰亡阶段夏季东亚大气环流的年际异常型.结果表明：El Nino发展阶段夏季，中国东北、朝鲜半岛以及日本海附近为高度负异常中心，西太平洋副高偏弱、偏东，东亚夏季风增强；El Nino成熟阶段冬季，东亚大槽加强，东亚北部冬季风加强；El Nino衰亡阶段夏季，西太平洋副高偏强、偏南、西伸，东亚夏季风减弱；El Nino事件在其衰亡阶段夏季与东亚大气环流异常的关系最紧密，其次是成熟阶段冬季，最后是发展阶段夏季.模拟的El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型易于解释以往研究中观测分析揭示的由El Nino造成的我国东部气温和降水异常型.