南海中尺度涡温盐异常三维结构

基于1994-2015年海面高度异常数据，采用winding-angle中尺度涡旋探测算法识别出南海范围内共5 899个反气旋涡（AE）和3 792个气旋涡（CE），结合世界海洋数据集（WOD13）及中国科学院南海海洋研究所（SCSIO）温盐观测数据集，采用基于变分法的客观插值方法，合成了南海及南海各区域中尺度涡的温盐异常三维结构。结果表明，本文采取的插值方式能有效地获得涡旋三维结构，垂向尺度上也与前人研究结果较为一致。在平均状态下，南海AE温盐异常强度明显大于CE，AE正位温异常主体结构深度约440 m，而CE仅在320 m以浅维持涡旋结构；两者最大位温异常均出现在次表层约80 m上下，AE达2.02℃，CE达-1.60℃。盐度异常影响深度约150 m，最大盐度异常出现在50 m深附近，AE达-0.24，CE达0.28，同时由于涡旋在不单调变化的背景盐度场中引起海水下沉（上升），AE盐度异常结构呈"上负下正"而CE呈"上正下负"式结构。南海各区域合成涡旋的温、盐异常的影响程度并不完全相同，可能与各区域涡旋的生成机制及背景温盐场有关。     

南海中尺度涡温盐结构的季节特征及形成机制

本文利用最新的涡旋数据集和ARMOR3D数据，研究了南海中尺度涡温盐结构的季节特征及形成机制。合成分析的结果表明，在冬季，涡旋引起温度异常的水平分布在50米以浅表现为类似偶极型分布，而在50m以深则趋向于中心对称分布；在夏季，温度异常的水平分布均表现为中心对称的特征。涡旋引起盐度异常的水平分布也具有类似的季节特征，但是偶极型中的不对称性相对较弱。在垂向上，涡旋所致的温度异常表现为单层结构，而盐度异常则为三层结构。进一步的分析表明，涡旋所致温盐异常的垂向分布特征与背景温盐的垂向分层有关；而在50m以浅，温盐异常的水平分布的不对称特征主要由背景温盐场的水平平流所致。     

南印度洋中尺度涡统计特征及三维合成结构研究

南印度洋是海洋中尺度涡的多发区域。本文利用卫星高度计资料及Argo浮标资料,对南印度洋（10°~35°S, 50°~120°E）区域中尺度涡的分布、表观特征等进行了统计分析,采用合成方法,构建了该区域中尺度涡的三维温盐结构。结果表明,涡旋频率呈明显的纬向带状分布,在18°~30°S存在一个明显的涡旋频率带状高值区;涡旋半径具有由南至北逐渐增大的趋势;长周期涡旋在其生命周期内,半径、涡动能、涡能量密度、涡度等性质均经历了先增大而后减小的过程;涡旋以西向运动为主,在经向上移动距离较小,长周期气旋（反气旋）涡具有明显的偏向极地（赤道）移动的倾向;涡旋平均移动速度为5.9 cm/s,速度大小大致沿纬向呈带状分布。在混合层以下,气旋涡（反气旋涡）内部分别呈现明显的温度负（正）异常,且分别存在两个位温负（正）异常的冷（暖）核结构;气旋涡（反气旋涡）整体上呈现"正-负"（"负-正"）上下层相反的盐度异常结构。中尺度涡对温盐的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

西北太平洋中尺度涡合成结构及其对声传播的影响

中尺度涡普遍存在于大洋中并会对声传播产生影响。利用2000—2018年AVISO卫星高度计资料和Argo浮标资料,通过涡旋合成方法构建了西北太平洋黑潮延伸体和亲潮延伸体海域中尺度涡的多年平均三维结构,对其垂直温、盐异常和声速特征进行分析,并采用Bellhop射线声学模型对中尺度涡背景下的声传播进行了模拟仿真。结果表明：1)冷涡背景下,温度异常为负,盐度异常在上层为负,在下层为正,声速等值线抬升;暖涡背景下,温度异常为正,盐度异常在上层为正,在下层为负,声速等值线下沉。2)冷涡背景下,声传播会聚区向声源方向偏移,会聚区宽度缩小;暖涡背景下,会聚区远离声源,会聚区宽度增大。声会聚区宽度在黑潮延伸体海域较在亲潮延伸体海域更大,距离声源也更远。3)冷涡背景下,声传播的反转深度变浅,暖涡背景下,反转深度加深;在黑潮延伸体海域,反转深度总体随经度增大而变浅,在亲潮延伸体海域则相反,反转深度随经度增大而变深。     

黑潮延伸体邻近海区中尺度涡三维合成结构分析

文章基于卫星高度计资料和Argo浮标资料,采用合成方法,构建了黑潮延伸体邻近海区中尺度涡的温盐三维结构。合成结果表明,表层至1×107 Pa,合成气旋涡（反气旋涡）呈现较为一致的位温负（正）异常,气旋（反气旋）涡内呈现较为一致的位温负（正）异常,混合层至约7×106 Pa深度,气旋（反气旋）涡存在位温负（正）异常的冷核（暖）核结构。气旋（反气旋）涡的平均盐度在垂向上呈现“负—正”（“正—负”）上下相反的异常结构。     

进入中国南海的黑潮脱落中尺度涡的特征——基于OFES模式数据

自黑潮脱落并由吕宋海峡进入中国南海的中尺度涡(简称脱落涡旋)对黑潮与南海的水体交换、热量及物质输送等过程均有十分重要的作用。基于1993—2013年OFES(OGCM for the Earth Simulator)模式数据产品,分析研究了脱落涡旋的统计特征及其温盐流三维结构,并与卫星观测结果进行对比分析。OFES模式的海表面高度数据和卫星高度计数据的统计结果都表明气旋式脱落涡旋(脱落冷涡)绝大部分在黑潮西侧边缘生成,反气旋式脱落涡旋(脱落暖涡)则大部分在黑潮控制区(包括黑潮流套区)生成,脱落暖涡的数量远多于脱落冷涡的。OFES模式数据得到的脱落涡旋个数和出现频率较卫星观测结果要明显偏低。此外,由OFES模式数据得到的脱落涡旋三维结构表明,黑潮控制区和黑潮西侧边缘生成的脱落冷涡的流场垂向影响深度差异较大,而脱落暖涡的流场垂向影响深度一般达水深1000 m以深,脱落涡旋的位势温度的垂向影响深度与该涡的流场垂向影响深度相当,其盐度的垂向影响深度则较浅;脱落涡旋的温盐结构受黑潮的影响较大。     

北太平洋中尺度涡温度垂直结构区域差别分析

利用在北太平洋海域(120°E~100°W,10°~60°N;)19a间(1993—2011年)识别追踪出的中尺度涡,结合该区域内的Argo浮标资料,初步探索了北太平洋不同区域之间涡旋垂直温度结构的差异性。通过对比北太平洋4个小区域(副热带逆流区域、黑潮延伸体区域、亲潮区域、东部加利福尼亚沿岸区域)内的涡旋发现:每个区域内气旋涡和反气旋涡的垂直温度结构具有很大的相似性,但不同区域之间则略有差异。其中黑潮延伸体区域跟其它区域的中尺度涡垂直温度结构有较大差别,该区域内中尺度涡温度异常值明显大于其它区域,冷暖核的深度比其它区域要深,并且从100~600 m的深度上都有较大的温度异常。     

两个西边界流延伸体区域中尺度涡统计特征分析

黑潮和湾流是世界大洋中最典型的两支西边界流，黑潮延伸体（Kuroshio Extention，KE）和湾流延伸体（Gulf Stream Extention，GSE）区域中尺度涡活动十分活跃。本文综合利用卫星高度计资料和Argo浮标资料，对KE和GSE区域中尺度涡的表层特征及其对温盐影响进行了统计研究和对比分析。结果表明:黑潮和湾流主轴附近为涡旋频率的高值区，主轴南北两侧分别以气旋涡和反气旋涡数量占多，主轴附近的涡旋强度明显大于其他区域；两个区域的涡旋以西向移动为主，气旋涡和反气旋涡都具有向南（赤道）偏离的趋势；两个区域的涡旋数量都以夏、秋季较多，涡旋强度都在春、夏季较大，且GSE区域涡旋强度明显大于KE区域；气旋涡（反气旋涡）引起内部明显的温度负（正）异常，KE区域气旋涡（反气旋涡）内部呈"负-正"（"正-负"）上下层相反的盐度异常分布，GSE区域气旋涡（反气旋涡）在各层呈现较为一致的盐度负（正）异常；两个区域中尺度涡对温盐场的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

Three-dimensional structure of an observed cyclonic mesoscale eddy in the Northwest Pacific and its assimilation experiment

Mesoscale eddies play an important role in modulating the ocean circulation. Many previous studies on the threedimensional structure of mesoscale eddies were mainly based on composite analysis, and there are few targeted observations for individual eddies. A cyclonic eddy surveyed during an oceanographic cruise in the Northwest Pacific Ocean is investigated in this study. The three-dimensional structure of this cyclonic eddy is revealed by observations and simulated by the four-dimensional variational data assimilation(4 DVAR) system combined with the Regional Ocean Modeling System. The observation and assimilation results together present the characteristics of the cyclonic eddy. The cold eddy has an obvious dual-core structure of temperature anomaly.One core is at 50–150 m and another is at 300–550 m, which both have the average temperature anomaly of approximately-3.5°C. The salinity anomaly core is between 250 m and 500 m, which is approximately-0.3. The horizontal velocity structure is axis-asymmetric and it is enhanced on the eastern side of the cold eddy. In the assimilation experiment, sea level anomaly, sea surface temperature, and in situ measurements are assimilated into the system, and the results of assimilation are close to the observations. Based on the high-resolution assimilation output results, the study also diagnoses the vertical velocity in the mesoscale eddy, which reaches the maximum of approximately 10 m/d. The larger vertical velocity is found to be distributed in the range of 0.5 to 1 time of the normalized radius of the eddy. The validation of the simulation result shows that the 4 DVAR method is effective to reconstruct the three-dimensional structure of mesoscale eddy and the research is an application to study the mesoscale eddy in the Northwest Pacific by combining observation and assimilation methods.     

菲律宾海盆深层温盐结构与环流变化特征研究

基于ECCO2 (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean)、 GLORYS12V1 (Global Ocean Reanalysis and Simulations)、ORA-S5 (Ocean ReAnalysis)三种海洋再分析数据,对比研究了菲律宾海盆深层温盐及环流的季节和年际变化特征。结果表明:三种数据显示的海盆深层温盐季节变化特征基本一致,在3 000～4 000 m水深区域,海水呈春夏两季高温低盐而秋冬季低温高盐特性,4 000 m以下海水温盐季节变化很小;沿西边界,温度与内部有明显差异且季节变化幅度相对较大。沿西边界的输运季节变化特征表现为10月至次年4月输运向南,5—9月输运向北,并且在8月份达最大值;表明存在沿西边界的流动,即菲律宾海盆与南端西卡罗林海盆(West Caroline Basin)之间存在季节性水体交换。海盆深层海水温盐年际变化也十分显著,但不同数据显示的变化特征存在较大差异。EOF和相关分析显示,三种再分析数据的深层位温与ENSO均存在一定相关性,ECCO2的深层位温变化与ENSO的相关性最强。由于长期观测数据较少,再分析数据的结果难以验证,因此目前对年际变化特征的研究仍具有很大的不确定性。     

Inversion of the three-dimensional temperature structure of mesoscale eddies in the Northwest Pacific based on deep learning

Mesoscale eddies, which are mainly caused by baroclinic effects in the ocean, are common oceanic phenomena in the Northwest Pacific Ocean and play very important roles in ocean circulation, ocean dynamics and material energy transport. The temperature structure of mesoscale eddies will lead to variations in oceanic baroclinity, which can be reflected in the sea level anomaly (SLA). Deep learning can automatically extract different features of data at multiple levels without human intervention, and find the hidden relations of data. Therefore, combining satellite SLA data with deep learning is a good way to invert the temperature structure inside eddies. This paper proposes a deep learning algorithm, eddy convolution neural network (ECN), which can train the relationship between mesoscale eddy temperature anomalies and sea level anomalies (SLAs), relying on the powerful feature extraction and learning abilities of convolutional neural networks. After obtaining the temperature structure model through ECN, according to climatic temperature data, the temperature structure of mesoscale eddies in the Northwest Pacific is retrieved with a spatial resolution of 0.25° at depths of 0–1 000 m. The overall accuracy of the ECN temperature structure is verified using Argo profiles at the locations of cyclonic and anticyclonic eddies during 2015–2016. Taking 10% error as the acceptable threshold of accuracy, 89.64% and 87.25% of the cyclonic and anticyclonic eddy temperature structures obtained by ECN met the threshold, respectively.     

155°E断面夏季温、盐度的基本特征

有关太平洋海洋环流,特别是对亚热带(又称副热带)、热带和赤道带环流的调查研究,近数十年来在国内、外海洋学界已蓬勃展开。其中,日本气象厅于1967年至今在137°E断面上每年进行1-2次定期海洋观测,并于1972-1979年、1987-1995年在155°E断面上每年夏季进行一次观测。根据上述经向断面观测资料,许多学者对137°E断面的海流结构,温、盐分布,水团及其变异,以及与ENSO现象的关系作了细致的分析研究(邹娥梅等,1993;顾玉荷,1996;Guan,1986;Masuzawa,1967);关于155°E断面的研究,则着重于太平洋赤道区域海流结构和它的变异及其与ENSO现象的关系等(顾玉荷,1990;Guan,1986)。本文拟根据155°E断面1972-1979年夏季(6-7月)日本气象厅的海洋水文气象观测资料(其中1974年无资料),分析研究该断面(北亚热带、热带和赤道带海域)的温、盐度分布特征和热、盐含量及其年际变异,并探讨其与ENSO现象之间的关系。 155°E断面北起30°N,南至11°S,自北向南横穿北亚热带、热带、赤道带和南半球热带。测站的密度以1975-1977年最密(设55个测站),1972年和1973年次之(分别设测站33个和40个),1978年和1979年测站稀疏,仅为15个和12个。采样深度间隔于30m以浅为10m,50-150m层间为25m,150-300m层间为50m,300-1000m层间为100m。图1为断面的位置和站位分布(5028站至5058站每相邻两站中间省略一站位)。 为了便于分析断面上各纬度带的水文特征及年际变异,将该断面自北向南划分为4个纬度带,即北亚热带(18°-30°N)、北半球热带(2°-18°N,以下简称北热带)、赤道带(2°N-2°S)和南半球热带(2°S以南,以下简称南热带)。其中北热带又划分为北赤道流区(8°-18°N)和北赤道逆流区(2°-8°N)。     

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。     

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。     

Sources and distribution of fresh water in the East Greenland Current

Fresh water flowing from the Arctic Ocean via the East Greenland Current influences deep water formation in the Nordic Seas as well as the salinity of the surface and deep waters flowing from there. This fresh water has three sources: Pacific water (relatively fresh cf. Atlantic water), river runoff, and sea ice meltwater. To determine the relative amounts of the three sources of fresh water, in May 2002 we collected water samples across the East Greenland Current in sections from 81.5°N to the Irminger Sea south of Denmark Strait. We used nitrate-phosphate relationships to distinguish Pacific waters from Atlantic waters, salinity to obtain the sum of sea ice melt water and river runoff water, and total alkalinity to distinguish the latter. River runoff contributed the largest part of the total fresh water component, in some regions with some inventories exceeding 12 m. Pacific fresh water (Pacific source water S ∼ 32 cf. Atlantic source water S ∼ 34.9) typically provided about 1/3 of the river runoff contribution. Sea ice meltwater was very nearly non-existent in the surface waters of all sections, likely at least in part as a result of the samples being collected before the onset of the melt season. The fresh water from the Arctic Ocean was strongly confined to near the Greenland coast. We thus conjecture that the main source of fresh water from the Arctic Ocean most strongly impacting deep convection in the Nordic Seas would be sea ice as opposed to fresh water in the liquid phase, i.e., river runoff, Pacific fresh water, and sea ice meltwater.     

海翼水下滑翔机测流应用

水下滑翔机其通过集成生物、化学、物理传感器可以测量如温度、盐度、溶解氧等多种海洋基础水文要素,其利用卫星定位系统获得实际出水速度和理论出水模型获得理论出水速度之差可以计算深度平均流,。本文利用海翼水下滑翔机获得温盐场及卫星定位数据评估深度平均流,结果显示利用温盐场获得深度平均地转流与水下滑翔机获得深度平均流相关系数0.95,表明其流场的一致性,同时根据船载观测ADCP误差分析法估算深度平均流误差约为0.036 m/s。借助深度平均流可以估算绝对地转流,包括正压地转流和斜压地转流。在零动力面的假设下,我们选取了海翼号水下滑翔机在南海的一组实验对流量误差进行了评估。该实验为2019年1月3日-2月16日海翼号水下滑翔机自南向北穿越西沙群岛附近一个中尺度涡观测。观测结果表明,该中尺度涡为冷涡流核,在涡心以南,绝对地转流为东向流,最大流速约为0.48 m/s;涡心以北,绝对地转流为西向流,最大流速约为0.47 m/s,稍弱于南侧。受不均匀时空观测计划影响,本文未对流量做出估计。     

关于黑潮延伸体海域水体的三维热结构时-空变化特征研究

基于西北太平洋Argo数据资料,利用参数化方法,从Argo温盐剖面数据中提取出一系列特征动力参数,定量分析黑潮延伸体海域水体的三维热结构的时-空变化特征、季节变化特征及其与地形和环流的关系.结果表明:黑潮延伸体海域水体的海表面温度存在着明显的冬春弱,夏秋强的季节变化特征,冬季平均海表面温度为15℃,夏季则达到了27℃;...     

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。