历史水文观测数据反演的热带太平洋西边界流多年代变化趋势

大尺度海洋环流是海洋能量再分配的基本物理过程之一,研究西太平洋海洋环流在全球气候变暖背景下的多年代变化趋势对理解和预测未来西太平洋气候变化具有重要意义.本文利用最新发布的世界大洋数据集(WOA18)的年代平均水文观测时间序列,计算了1955~2017年间热带西太平洋北赤道流、北赤道逆流、棉兰老流、源地黑潮和新几内亚沿岸潜流的地转流,估算了各支海流的流量及其多年代变化趋势,分离并讨论了温度变化和盐度变化在海流变化中的贡献.结果发现,北赤道流、棉兰老流和新几内亚沿岸潜流在过去60多年中均表现出显著的长期增强趋势,主要是温度变化贡献的,动力高度的变化趋势模态与各西边界流的变化趋势吻合.分析发现,各支海流同纬度西太平洋海域的区域平均纬向风应力可比较准确地刻画各海流流量的年代际变化特征和多年代增强趋势,表明信风强迫在热带西太平洋海洋环流的年代际变化趋势中具有重要作用.本文还讨论了热带西太平洋历史水文观测数据和流量趋势估计中存在的不确定性.由于WOA18数据集比较完整地涵盖了历史上在热带西太平洋获取的水文环境采样数据,因此本文为估计西太平洋大尺度海洋环流的多年代变化趋势提供了重要观测证据.     

基于卫星测高交叉点的海洋表面地转流速度

在流体静力平衡状态下,海洋Coriolis力和压力梯度平衡就形成地转流,世界上大多数海流都近似为地转流.本文利用卫星测高交叉点方法计算海洋表面地转流速度,分析了利用测高交叉点计算地转流速度的不确定性,上升和下降弧段的海面倾斜在分辨率50 km上可以达到10^-7量级,才可能获得优于10 cm/s的地转流速度.在低纬度或者纬度接近卫星轨道倾角的地区,由交叉点方法计算的地转流速度精度低于中纬度地区.以中国台湾东部黑潮为试验区,利用最新的中国台湾周边海域大地水准面模型参考场计算高精度的大地水准面高,利用TOPEX/Poseidon和Jason-1的GDR数据(2002~2005年)计算海面高,然后计算交叉点的动力高,确定交叉点的地转流速度,结果与中国台湾NCOR(National Center for Ocean Research)的流速基本一致.     

基于区域滤波的GOCE稳态海面动力地形和地转流

基于频域法,利用最新的GOCE卫星重力场模型和卫星测高数据计算了稳态海面动力地形.结合海洋表层漂流浮标的观测结果,对稳态海面动力地形进行了最优空间滤波尺度分析,给出了区域、纬度带和全球稳态海面动力地形的最优空间滤波尺度因子.在此基础上,给出了全球和区域地转流.结果表明:在中高纬度和全球区域,可以分别获得空间尺度优于102km和127km的稳态海面动力地形信息.与海洋表层漂流浮标对比可知,在强流区域,采用稳态海面动力地形得到的地转流速可以解释观测浮标流速的70%;在中高纬度区域,由GOCE重力场得到的地转流略优于对应的GRACE结果;在近赤道区域,由GOCE重力场得到的地转流精度略低于对应的GRACE结果;在北大西洋和阿古拉斯强流区域,由GOCE得到的地转流场明显优于对应的GRACE结果,其精度分别提高了16%和24%.     

利用卫星测量技术和小波滤波方法探测表层地转流

根据海面地形的空域频谱特征, 提出用小波滤波器对海面地形进行滤波降噪的方法. 通过对全球及黑潮流系区域的海面地形进行小波滤波和高斯低通滤波降噪后所确定的地转流的比较, 显示前者较之后者更能表现地转流的局部特征. 依据CG01C卫星重力场模型和EGM96重力场模型, 分别联合由卫星测高确定的KMSS04平均海面高模型构造海面地形. 将据小波滤波降噪后所推算出的全球平均地转流、黑潮和热带太平洋区域地转流与海洋学结果的比较, 以及据此两不同重力场模型推算的大地水准面误差对计算地转流流速精度的对比都表明: 重力卫星确定的地球重力场模型较之以前存在的重力场模型在长波部分精度有较大提高. 联合现有卫星重力和卫星测高数据探测的全球平均地转流, 在大、中尺度上与海洋学结果相一致, 这表明从大地测量(空间)角度来研究洋流已达到较高的精度.     

采用观测与卫星资料得到的地转流和谱分析研究2002年春季吕宋海峡海流的变化

基于自2002年3月17日至4月15日在锚定测流站平均位置（20°49′57″N,120°48′12″E）处观测海流,在吕宋海峡从卫星绝对地形导出的地转流（简称为卫星地转流）以及采用最大熵方法作谱分析,研究了吕宋海峡海流的结构和变化.在锚定测流站处亚潮流表明,当水深增大时,流速减少,流向则以反气旋方向旋转.这揭示在上层海流向南海进入,而在中层南海水向太平洋流出.在吕宋海峡海流的垂直结构充分地显示吕宋海峡的三明治结构,虽然在海底附近水层并未进行观测.谱分析结果表明存在以下显著的谱峰周期：（ⅰ）在垂向方向上潮流变化;（ⅱ）在200和500m处,对于频率f〉0和f〈0的两种情况,都存在周期约为4～6d,而在800m处只在f〉0情况下存在上述周期;（ⅲ）在200,500和800m处,对于f〉0和f〈0两种情况都存在周期约为2～3d.上述结果揭示吕宋海峡海流自表层至800m整个水体都存在显著的天气尺度的变化.从观测流和水文与卫星观测都揭示在2002年春季吕宋海峡并不存在黑潮流套.     

GOCE卫星数据确定的全球稳态海面地形和海表地转流

利用GOCE卫星235天的观测数据恢复了200阶次的重力场模型SWJTU-GO01S,结合欧空局提供的最新GOCE重力场模型和CNES-CLS 2011平均海面高模型,计算了全球稳态海面地形和海表地转流,并采用GRACE模型、多源数据同化模型和海洋浮标观测数据对GOCE模型的计算结果进行对比分析.结果表明:由于重力场模型精度和分辨率较高,GOCE计算结果所需的滤波半径小于GRACE结果;GOCE和GRACE模型的计算结果与CNES-CLS09稳态海面地形差异的RMS分别为6 cm和7 cm左右;与海洋浮标实测数据对比发现,GOCE和GRACE的计算结果与实测数据差异明显,但GOCE的计算结果优于GRACE结果,而SWJTU-GO01S与DIR-R4和TIM-R4模型在全球范围内具有较好的一致性.整体而言,GOCE比GRACE数据的计算结果可以反映更小尺度地转流,且计算的精度更高;海洋环流结果和水准数据的对比表明SWJTU-GO01S与DIR-R4和TIM-R4模型的精度符合性较好,三者计算的地转流精度基本相当.     

全球水储量变化的GRACE卫星检测

利用GRACE月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化,并与陆地水文资料、卫星测高资料及海洋模式得到的结果进行了比对.通过对SOURE台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和GRACE重力场系数截断为15阶得到的结果比较,发现两者比较接近,且年周期变化特征明显.对于亚马逊流域,当重力场系数截断为15阶且平滑半径使用106 m时,GRACE反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为15.6×10-2m,小于使用平滑半径为4×105m的23.7×10-2m.在研究长江流域时,本文对水文资料做球谐系数展开,并与GRACE数据做同样的截断和平滑处理,结果发现GRACE反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合.对于纬度±66°之间的海洋区域,GRACE反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果,但对于2°×2°网格,则在一些区域差异明显,最大超过了0.2 m,中误差为3.8×10-2m.可见,当前GRACE卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺度区域的水储量变化.     

全球涡旋经向偏转的遥感研究:物理机制与海洋学应用

研究普遍认为海洋涡旋的经向运动遵循气旋涡向极地偏转、反气旋涡向赤道偏转的规律,然而,这一极性主导的传统认知在全球和区域上均存在一定的偏差和误导性.本文深入探索了涡旋经向运动的本质规律,发现涡旋的时空地转性、海表温度的热衰减以及背景流场的拖曳作用是涡旋经向偏转的主要机制,并得到以下主要结论:(1)涡旋经向偏转由极性主导是一个伪命题,得出这一结论是由于涡旋轨迹的归一化拟合存在偏差和不对称性;相反,涡旋经向偏转更多是由地理位置决定的,且不受涡旋极性的影响;(2)地转调整效应对调制涡旋经向偏转起着关键作用,对于空间(时间)上的非地转涡旋,无论涡旋极性如何,均呈现出向极地(赤道)的偏转趋势;(3)影响涡旋经向偏转的物理机制与其运动方向相关,西向运动涡旋主要受到海表温度的热衰减影响,东向涡旋则主要受到背景流场的拖曳作用.深入理解涡旋的经向偏转规律及物理机制,对于实现涡旋轨迹高精度预测,以及海洋环境监测和保护具有重要意义.     

地气角动量交换与ENSO循环

用1976～1989年的地球自转速度、赤道东太平洋海温和气压及大气角动量资料,研究了地气之间角动量交换与ENSO循环的关系结果表明:固体地球自转速度、赤道东太平洋海温、不同纬带及全球大气角动量之间存在着协同的变化关系;低纬局地海气相互作用通过Hadley环流可形成类似ENSO事件的循环;固体地球和全球海气相互作用通过山脉力矩和地转变速摩擦力矩形成了固体地球-海洋-大气系统中各个方面出现的非周期行为和非同步振荡;实际出现的ENSO循环是固海气相互作用反映在太平洋洋盆上的一种现象.     

层结稳定性“豁口”与北太平洋副热带中部模态水形成机制

本文首先指出北太平洋副热带中部模态水（简称中部模态水）的形成具有显著的“局地”特征,其形成海区在（165°E～160°W,38°N～42°N）区间. 海气通量分析表明单纯的外部大气强迫场（太阳短波辐射、净热通量和风应力旋度）不能解释中部模态水形成海区的“局地”性;进一步对上层海洋层结季节变化特征的分析发现秋季（9～10月）在北太平洋中部上层海洋（<75 m）（165°E～160°W,38°N～42°N）区间存在特殊的浮力频率低值区——层结稳定性“豁口”. 该层结稳定性“豁口”作为“预条件（Precondition Mechanism）”机制对中部模态水形成的“局地”特征给出了合理的解释. 在上述研究的基础上,基于一个上层海洋混合层热平衡方程,通过诊断分析揭示该层结稳定性“豁口”是由海表热力强迫、垂向挟卷、Ekman平流和地转平流效应共同导致的,“豁口”东、西边界的确定直接或间接地取决于海表热力强迫、Ekman冷平流和地转暖平流的纬向分布差异.