海上风的边界层模式

由于航海、海上开发作业等对海洋上风和海浪的预报提出越来越高的要求,而海浪、风暴潮等海洋水文要素的数值计算和预报,迫切需要解决海洋上风场的精确计算。但是,复杂的海面结构,大气稳定度的影响以及风、浪之间动量的交换等,使海上风的理论计算遇到很多困难,至今大部分工作是依靠统计方法。利用天气预报的形势场计算地转风或梯度风,以及它与海面摩擦、大气稳定度的经验订正关系。     

散射计海面风场资料在远洋航天气象保障中应用方向探讨

结合目前远洋航天气象保障中关注重点及存在的弱点,创新尝试引入高精度散射计海面风场资料,探讨散射计海面风场资料在远洋航天气象保障中应用的可行方向,主要包括应用于诊断海面风场气候统计特征、应用于诊断热带气旋生成预报预警、应用于诊断热带气旋内部结构特征、结合数学非线性时间序列预报方法应用于站点海面风和海面风场预报,总结相关方向关键技术的国内外研究进展,为下一步散射计海面风场资料在远洋航天气象保障中的深入应用及国内海洋二号卫星散射计资料的应用提供理论基础和方向支撑。     

有限区域海面风场数值模式的建立

目前,国内外大尺度天气预报数值模式已经取得很大成就,如在预报地面气旋系统的移动和发展等方面。然而,这些模式的铅直分辨率一般不高,通常不包括边界层的动力过程,因而,在预报海面风场上,数值天气预报模式还没有令人满意的效果。目前所用的边界层预报模式尽管具有较高的水平分辨率和垂直分辨率,但要求大量的计算和资料,很难用于日常业务预报;另一种边界层诊断模式,用到的风场数据是气象工作者从天气形势(大尺度)分析中,通过差值等方法获得的,缺乏针对性,而且精度较低(WMO,1988;WMO,1990)。 作者认为,适于海洋要素预报的风场模式应是定位于有限区域,或称中尺度模式,并根据台站的具体资料来源和工作状况力争建立一套适于海洋要素预报的中尺度风场数值模式。鉴于以上,作者建立了一个适于海洋要素预报的有限区域海面风场数值模式。模式采用符合动力及热力学条件的简化方程组对大尺度风场进行加密,通过数值模拟得到适于海洋要素预报的有限区域海面风场。并将该模式运用于渤海这一有限区域,获得了良好的效果,说明该模式对海洋要素预报具有很好的应用前景。     

初始化方案对有限区域海面风场数值预报模式的影响

在一个已应用于海洋要素预报的有限区域海面风场预报模式的基础上,以渤海海域为实验海区,研究初始化方案对有限区域海面风场数值预报模式的影响。对“未采用初始化”与“采用初始化”方法进行了预报实验比较,结果表明,初始化方法对有限区域海面风场模式作用明显,尤其是海面风场的开始阶段,主要体现在海风与陆风预报能力的差异上。     

台湾海峡沿岸风的周年变化

海面风场及其变化是海水运动的主要能量来源之一。在水深不大的陆架区,海面风场对海水的驱动作用更为明显。台湾海峡的水深除东南部的澎湖水道外,大都小于100m。海区属亚热带型季风气候区。海峡的海水运动受季风的影响强烈,呈明显的周年变化。因而,准确地描述海峡海面风场及其变化,对海峡的动力学研究有不容忽视的意义。因条件所限,以往有关的物理海洋学研究大都直接引用台湾海峡沿岸气象台站风的统计资料,这些资料一般没有计算合成风,即没有做矢量统计平均,所以无法满足海水     

台湾海峡海面风场数值计算

一、引言众所周知,海—气相互作用错综复杂,使得海上风的理论计算遇到了许多困难。至今,海上风的估计多半是应用经验统计的方法,即根据气压形势场计算地转风或梯度风,再作有关海面摩擦和大气稳定度的订正。但这种估计误差较大。日益深入开展的数值天气预报与近地面层大气研究为理论上建立数值模式计算与预报海上风场提供了条件。Blachadar(1965)和Cardone(1969)在总结前人研究成果的基础上,先后建立了大气边界层数值模式。国内外学者均曾利用该数值模式进行过海上风场的计算。     

关于海面风应力的计算问题

海面风应力是大气通过海面直接向海洋输送动量的唯一方式,它密切联系着海洋动力要素(海流、海浪、风暴潮等)的发生和发展。因此无论从动力海洋学和海洋气象学的理论抑或实用预报角度来看,风应力的研究历来是个十分重要的课题。由于海上测风资料十分匮乏,广义的风应力的研究应该包括两方面的问题:(1)海面风应力和海面测风高度上风速的关系;(2)海面测风高度上的风速和海面地转风的关     

基于星载SAR数据和模式资料的海面风场变分融合方法研究

为实现合成孔径雷达数据与数值预报模式资料融合,提高海面风场精度和业务化运用水平,提出了一种基于星载SAR数据与模式资料的变分融合方法。其研究思路是采用二维连续小波变换提取SAR图像中高精度风条纹风向,结合地球物理模型函数求解海面风场的经向分量和纬向分量,然后采用Kriging插值方法将数值预报模式风速插值到SAR海面风场覆盖区域,得到SAR风速观测算子,由此构建SAR风场与模式风场融合的代价函数,并采用变分方法求解分析风场,最终得到融合后的海面风场结果。仿真分析结果表明,变分融合后的海面风速和风向结果更接近于理想值,尤其在SAR海面风场覆盖区域更为明显。选取ENVISAT/ASAR资料和与其时空匹配的欧洲中期天气预报中心模式风场资料开展实例验证,结果表明融合后的海面风场结果比模式风场更加接近于浮标观测结果。     

海温预报传真图的内容及其应用

海水温度是海水的基本物理特性之一,它体现了海水运动的热输送和海气热量交换。而海面水温则体现了海面热量平衡的结果。影响海面水温变化的因素是比较复杂的,如太阳辐射、海面有效回辐射、海面蒸发、海气接触热交换、海洋热平流、大陆径流（近海区）以及与这些过程密切相关的大气环流等。 海水温度状况对海水热量平衡、水团分析、海洋环流和海气相互作用等的研究,尤其对发展海洋渔业生产和开发海洋生物资源等都具有十分重要的意义。其中对渔情分析、中心渔场位置的预测、汛期早晚和鱼发状况的分析等均起到一定作用。因此,近些年来世界主要海洋大国对海水温度的分析和预报给予了很大的重视。1982年底,美国向联合国教科文组织海委会（IOC）提供的48项海洋学产品中,海水温度分析和预报占25项,其中2项为次表层海     

基于影像纹理特征和外部风向的星载 SAR 海面风场反演研究

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)海面风场反演中,基于风条纹影像纹理特征的海面风向反演方法精度高,但是依赖于图像风条纹的存在,而外部风向信息与SAR资料时空分辨率不易匹配、精度较低,从而影响大面积、高分辨率海面风场反演的精度。针对此问题,提出一种将SAR图像风条纹线性纹理特征与外部风向信息相结合的星载SAR海面风向获取方法,在SAR影像线性纹理特征明显的区域采用二维连续小波变换得到高精度的海面风向,其余区域采用与之时空相匹配的数值预报模式风向填充;并利用地球物理模型函数进一步得到海面风速,进而实现高精度、大范围海面风场的反演。为验证本文方法的有效性,利用ENVISAT/ASAR数据进行风场反演试验,并将反演结果与浮标实测数据进行比对。结果表明:在线性纹理特征明显的区域,小波方法的反演精度优于快速傅里叶变换(FFT)法和数值预报模式风向;外部风向精度略低,但与SAR观测资料时空匹配性较好,弥补了风条纹风向的不足。二者的结合为星载SAR海面风场反演的业务化应用提供了支持。     

ATMOSPHERE-OCEAN INTERACTION AND ITS RELATION TO OCEAN CURRENTS AND STORM SURGES

The theory of barotropic, shallow-sea ocean currents and storm surges considered from the viewpoint of air-sea interaction is presented. A 4-layer quasi-balanced dynamical model for a simulation of the structures of both the atmospheric and the marine planetary boundary layers is obtained by an analytical approach. A simplified scheme governing the storm surges induced by a slowly travelling circular atmospheric vortex is deduced.     

简单海-气边界层模式中的埃克曼流动Ⅱ——有限深海的情形

本文是文献[3]研究工作的继续。利用文献[3]中所用的海-气边界层模式,重点考虑海深和底坡的影响,将该文的研究成果直接推广到有限深海的情形,和无限深海情形下所获得的相应结果进行比较,简洁地阐明两者的异同,并就海底摩擦以及浅海风暴潮的估值和导致风暴潮的发生和发展的大气强迫力作一简短讨论。     

简单海-气边界层模式中的埃克曼流动Ⅰ——无限深海的情形

近十余年来,海洋和大气相互作用这一课题日益受到人们的关注。从海-气边界层结构以及通过海面的物理量和化学量输送机制的研究到大尺度海洋和大气相互作用的研究都取得了可喜的成果。此外,还从海洋和大气相互作用的观点探索了风暴潮预报的新的可能途径[2]。然而,由于问题的复杂性,通过海面以及海-气边界层的物理量的小尺度输送机制迄未得到澄清,企图从本质上改善大尺度海洋和大气相互作用的理论是不现实的。     

Effects of winds,tides and storm surges on ocean surface waves in the Sea of Japan

Ocean surface waves are strongly forced by high wind conditions associated with winter storms in the Sea of Japan. They are also modulated by tides and storm surges. The effects of the variability in surface wind forcing, tides and storm surges on the waves are investigated using a wave model, a high-resolution atmospheric mesoscale model and a hydrodynamic ocean circulation model. Five month-long wave model simulations are inducted to examine the sensitivity of ocean waves to various wind forcing fields, tides and storm surges during January 1997. Compared with observed mean wave parameters, results indicate that the high frequency variability in the surface wind filed has very great effect on wave simulation. Tides and storm surges have a significant impact on the waves in nearshores of the Tsushima-kaihyō, but not for other regions in the Sea of Japan. High spatial and temporal resolution and good quality surface wind products will be crucial for the prediction of surface waves in the JES and other marginal seas, especially near the coastal regions.     

台风暴潮某些特性的分析

台风暴潮的机制和预报,国内已有不少的研究,国外虽然亦进行了许多的研究,但就理论而言,大都局限于全流观点进行分析,从而得出较理想化的结果[1,2]。本文试图直接从线性化了的流体力学运动方程出发,导出适用于浅海中移行风暴所导致的风暴潮的理论模式,以研究其某些特性。     

Long-term and real-time monitoring system of the East/Japan sea

Long-term, continuous, and real-time ocean monitoring has been undertaken in order to evaluate various oceanographic phenomena and processes in the East/Japan Sea. Recent technical advances combined with our concerted efforts have allowed us to establish a real-time monitoring system and to accumulate considerable knowledge on what has been taking place in water properties, current systems, and circulation in the East Sea. We have obtained information on volume transport across the Korea Strait through cable voltage measurements and continuous temperature and salinity profile data from ARGO floats placed throughout entire East Sea since 1997. These ARGO float data have been utilized to estimate deep current, inertial kinetic energy, and changes in water mass, especially in the northern East Sea. We have also developed the East Sea Real-time Ocean Buoy (ESROB) in coastal regions and made continual improvements till it has evolved into the most up-to-date and effective monitoring system as a result of remarkable technical progress in data communication systems. Atmospheric and oceanic measurements by ESROB have contributed to the recognition of coastal wind variability, current fluctuations, and internal waves near and off the eastern coast of Korea. Long-term current meter moorings have been in operation since 1996 between Ulleungdo and Dokdo to monitor the interbasin deep water exchanges between the Japanese and Ulleung Basins. In addition, remotely sensed satellite data could facilitate the investigation of atmospheric and oceanic surface conditions such as sea surface temperature (SST), sea surface height, near-surface winds, oceanic color, surface roughness, and so on. These satellite data revealed surface frontal structures with a fairly good spatial resolution, seasonal cycle of SST, atmospheric wind forcing, geostrophic current anomalies, and biogeochemical processes associated with physical forcing and processes. Since the East Sea has been recognized as a natural laboratory for global oceanic changes and a clue to abrupt climate change, we aim at constructing a 4-D continuous real-time monitoring system, over a decade at least, using the most advanced techniques to understand a variety of oceanic processes in the East Sea.     

Comparison of the nonlocal transport characteristics of a series of one-dimensional oceanic boundary layer models

Seven one-dimensional oceanic boundary layer models are investigated to assess the possible nonlocal transport characteristics of mass and heat in the upper ocean. The dynamical models have been chosen from the diffusion and bulk types currently in use plus two modifications of the transilient type that have been used extensively for atmospheric work by Stull. The models are forced using wind speed and insolation conditions recorded during a 9-day oceanographic cruise near Bermuda in March 1993 during the decline of the spring bloom. The attenuation of sunlight in the upper ocean is calculated using a full spectral model for downwelling irradiance. The vertical heat transport characteristics are reported and compared. A series of spectral diagnostic tests (Green's function analysis, process spectra, and overall mixing lengths) reveal significant differences in the vertical transport characteristics of the models that are not observed in commonly used diagnostics such as sea surface temperature or mixed layer depth. Age spectra (or modal time since last surface contact) are calculated from Green's functions and reveal how a water mass can be cut off from the surface within a short time period. The large differences in the vertical mixing characteristics of the upper ocean boundary layer models have potential implications on the vertical distributions of short-lived chemical tracers and phytoplankton.     

基于海气耦合模型的渤海两种类型风暴潮数值模拟与对比分析

渤海一年四季都易受到由温带风暴和热带气旋所致风暴潮的影响。为了缓解风暴潮灾害对海岸地区人员生命财产的影响，十分有必要了解大型风暴潮的发生过程和机制。目前大部分研究主要局限于单一的温带风暴潮或台风风暴潮。本文利用所构建的海气耦合数值模型研究了发生于渤海的两种类型的风暴潮，对发生在渤海的2次典型强风暴潮过程进行了模拟。由WRF模型模拟得到的风场强度和最低海平面气压与实测数据吻合较好，由ROMS模型模拟得到的风暴潮期间水位变化过程与潮位站观测结果也吻合较好。对两种类型风暴潮期间的风场结钩、海面风应力、海洋表面平均流场以及水位分布进行了分析对比，并将耦合模型结果与非耦合模型结果进行了对比。研究表明，渤海两种类型风暴潮期间的风场结钩、海面风应力、海洋表面平均流场以及水位分布等均存在巨大差异。渤海风暴潮的强度主要由海洋表面的驱动力所决定，但同时也受海岸地形地貌的影响。     

ENSO事件次表层海温的两个模态及其对大气环流的影响

利用SODA海洋同化资料和NCEP再分析大气资料,分析了热带太平洋次表层海温异常(subsurfaceoceantemperatureanomaly,SOTA)与厄尔尼诺与南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)循环的联系,及SOTA对大气环流的影响。回顾传统ENSO研究,指出存在的问题,提出了ENSO影响大气研究的新思路,得到以下结果:(1)以SOTA为基本资料的研究发现, ENSO事件有两个模态,主要出现在冬季的第一模态对冬季及夏季亚洲-北太平洋-北美地区上空中高纬大气环流有重要影响,主要出现在夏季的第二模态对该地区上空夏季热带和副热带大气系统有重要作用。(2)ENSO事件通过与ENSO相联系的热带太平洋海面温度异常(ENSO-relatedseasurface temperatureanomaly,RSSTA)对大气的异常热通量输送,强迫Walker环流和Hadley环流变化,导致热带和北太平洋及周边地区上空大气环流异常,进而影响相关地区冬季和夏季的气候。(3)海表面温度异常(seasurfacetemperatureanomaly,SSTA)包含RSSTA和大气异常导致的海温变化(sea temperature anomaly caused by atmospheric anomaly, STA)两部分, RSSTA是ENSO事件过程中海洋内部热动力结构调整导致的海面温度变化,在海洋对大气的热输送过程中,它随ENSO事件演变不断更新;STA是大气受RSSTA海洋异常加热后导致的大气环流异常对海面温度的影响,在海洋浅表层STA对RSSTA有重大影响。本文最后讨论了ENSO事件期间热带海洋对大气热输送过程,指出ENSO事件通过海洋内部热动力结构调整产生RSSTA,它直接对大气异常加热,导致大气环流和气候异常,局地海气之间负反馈过程产生STA,反过来抑制RSSTA。结果还指出,人们常用的SSTA变率实际上主要由秋冬季节RSSTA主导,丢失了春夏季ENSO信息,用SSTA研究ENSO事件存在局限性,这也可能是ENSO事件春季预报障碍的原因之一。     

Dynamics of air-sea planetary boundary layer under the geostrophic momentum approximation condition

In this paper, the air-sea planetary boundary is divided into three layers. With the aid of geostrophic momentum approximation, wind and current profiles, surface wind, surface wind stress and Ekman pumpinii in the atmosphere as well as in the ocean affected by the atmospheric baroclini-city, stratification and nonlinear effects are investigated systematically for an ocean of infinite depth. Meanwhile, the characteristics of the air-sea interaction is analyzed.