海洋大气边界层风场的非线性动力诊断模式的数值试验

本文介绍利用所提出的边界层风场的非线性动力诊断模式,作风场“MOD”预报的方法.根椐对1985年4月至10月北太平洋洋面风场“MOD”预报的试验,说明此模式优于线性动力诊断模式.     

北太平洋风场变化对东亚陆架海SST的影响

太平洋内部的气候变化与东亚陆架海海洋环境变化密切相关.本文利用OAflux资料、NCEP再分析资料,分析北太平洋内部风场的时空变化特征,将其距平场序列与东亚陆架海SSTA序列进行相关性分析,找出对东亚陆架海SST影响显著的风场关键区.结果表明:东亚陆架海SST距平序列与PDO指数同期相关系数接近于0,说明北太平洋内部异常信号只能通过斜压Rossby波调整影响东亚陆架海SST,不存在正压调整过程;北太平洋风场“关键区A、B”对东亚陆架海SST的变化影响最显著,且1958-2010年,2个风场“关键区”风速异常增强,分别被风应力旋度偶极子、异常负风应力旋度场控制,异常信号从中东太平洋传递到东亚陆架海,导致该海区SST明显升高,尤其是黑潮海域;“关键区A、B”风场异常信号分别超前东亚陆架海SST变化4a (7a)、4a时呈显著正相关,该时间基本与斜压Rossby波从大洋中东部传递到西部或副热带环流对风场变化通过斜压Rossby波进行调整所需的时间一致.     

定常风场和吞吐流对乌梁素海流场的影响

风场和吞吐流是浅水湖泊运动的主要驱动力,影响着湖区污染物的迁移转化。基于二维非结构网格,构建了乌梁素海水动力模型。通过对比定常风作用下湖流的方向、环流的分布及形式与无风条件下的区别,模拟不同算例吞吐流作用下湖区流速及环流结构的差异,探究了定常风和吞吐流对乌梁素海流场的影响。结果表明:乌梁素海在无风条件下出现大面积的滞流区;风场会增加湖流的流速,影响区域主要在西大滩区、东大滩区及湖区南部明水区,产生明显环流,风场是乌梁素海主要的驱动力; SSW与ENE向风场作用下,典型区域产生的环流位置、形态结构相近,方向相反;吞吐流量的增加会增大湖区整体流速,对湖区流场形态、结构影响较小;定常风条件下,吞吐流量的增加(一定范围)会导致环流强度减弱。研究结果为乌梁素海营养盐、污染物质输移规律研究奠定基础。     

驱动大洋海浪模式的两种海面风场对比分析研究

海面风场在海浪模拟和预报中起着重要作用。文中分别利用CCMP风场和Q/N混合风场驱动WAVEWATCHⅢ海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行了模拟。利用NDBC(美国国家浮标资料中心)提供的浮标资料和Jason-1卫星高度计资料对模拟结果进行了检验分析。分析表明:在北太平洋海域,CCMP风场较Q/N混合风场与浮标风速资料有更好的一致性,更能代表该海域的海面风场状况;CCMP风场驱动下的海浪模拟结果总体上优于Q/N混合风场的结果。     

一个台风海面风场的数值模式及其后报检验

本文建立了一个用于台风海面风场后报的数值模式,并给出了用于实际台风海面风场后报时求解上述模式的全过程,首先根据边界层风速垂直分布特点,对贴地面摩擦应力使用平均风进行参数化,进而导出边界层平均风动力学方程,对上述动力学方程积分到一准稳态,得到边界层平均风分布;再使用Monin-Obkhov相似理论,将平均风换算到10m高度,从而得到10m高度风场.对3个台风过程,给出了10m高度风场和浪场的数值后报结果.海浪同实测的结果比较表明,该风场模式的结果在实测点的后报风与实测风较一致,两者相关系数为0.95左右,台风影响测点时,极值误差均在2m/s以内,平均误差范围约10%;后报风向与实测风向的平均绝对值误差为20°,将该后报风场模式用于海浪数值后报也得到了满意的结果,后报波高与实测波高的相关系数约为0.95,最大有效波高和跨零周期的实测值与后报值相差符合得很好.这些结果均表明本文提出的风场模式是合理的,并且适用于强海况的数值计算.     

印度洋海温异常对西北太平洋台风的影响及机制研究

基于近40 a NCEP/NCAR再分析月平均高度场、风场、涡度场、垂直速度场以及NOAA重构的海面温度(sea surface temperature,SST)资料和美国联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)热带气旋最佳路径资料,利用合成分析方法,研究了前期春季及同期夏季印度洋海面温度同夏季西北太平洋台风活动的关系。结果表明:1)前期春季印度洋海温异常(sea surface temperature anomaly,SSTA)尤其是关键区位于赤道偏北印度洋和西南印度洋地区对西北太平洋台风活动具有显著的影响,春季印度洋海温异常偏暖年,后期夏季,110°～180°E的经向垂直环流表现为异常下沉气流,对应风场的低层低频风辐散、高层辐合的形势,这种环流形势使得低层水汽无法向上输送,对流层中层水汽异常偏少,纬向风垂直切变偏大,从而夏季西北太平洋台风频数偏少、强度偏弱,而异常偏冷年份则正好相反。2)春季印度洋异常暖年,西北太平洋副热带高压加强、西伸;而春季印度洋异常冷年,后期夏季西北太平洋副热带高压减弱、东退,这可能是引起夏季西北太平洋台风变化的另一原因。     

气候平均风场作用下热带太平洋主流系和赤道行星波研究

将两层约化重力原始流体动力方程耦合气候月平均风场,数值计算流场基本能够正反反映带太平洋上层主流系和温跃层的空间分布和季节变化,在气候平均条件下,东太平洋１２５°Ｗ附近经向风应力可激发出高阶混合Ｒｏｓｓｂｙ重力波,海洋高阶赤道Ｋｅｌｖｉｎ波流速模态可从西太平洋边界传播到东太平洋边界,而高阶赤道Ｋｅｌｖｉｎ波温跃层模态从西太平洋边界东传后,在中太平洋肥到高阶混合Ｒｏｓｓｂｙ重力波诱发的西传温跃层扰动的     

气侯平均风场作用下热带太平洋主流系和赤道行星波研究

将两层约化重力原始流体动力方程耦合气候月平均风场,数值计算流场基本能够正确反映热带太平洋上层主流系和温跃层的空间分布和季节变化．在气候平均条件下,东太平洋125°W附近经向风应力可激发出高阶混合Rossby重力波．海洋高阶赤道Kelvin波流速模态可从西太平洋边界传播到东太平洋边界,而高阶赤道Kelvin波温跃层模态从西太平洋边界东传后,在中太平洋受到高阶混合Rossby重力波诱发的西传温跃层扰动的阻挡．     

北太平洋海浪数值预报试验

本文利用美国华盛顿数值天气预报中心(KWBC)的3—5天预报的1000hPa等势面的格点高度场(5°×5°)资料,由“海上风的边界层模式”计算的风场,应用“一个参数的大洋波谱模式”,进行了北太平洋海浪数值预报的试验,试验结果表明,尽管输入风场资料存在一定误差,计算的浪场与3─5天后的实测浪场仍有较好的吻合。     

区域海气耦合模式FROALS模拟的西北太平洋环流及其年际变率

本文利用区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System)对西北太平洋地区1984-2007年连续积分结果,对比SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化资料讨论了西北太平洋海表温度和表层洋流的气候态及年际变率。结果表明,FROALS基本能够再现冬、夏季季节平均的海温型,但均存在一个明显的冷偏差;FROALS对气候平均态的表层洋流有较高的模拟技巧,对于冬、夏季的表层洋流型都能够再现。另外,表层洋流的模拟偏差与海表高度的模拟偏差直接相关。由于模式模拟的黑潮热输送较观测偏强,使得模式模拟的海洋热输送倾向于使黑潮路径上的海温呈现正偏差。从表层洋流的年际变率来看,模式模拟的与ENSO(El Nio-South Oscillation)相联系的年际变率信号与观测相似:在El Nio年,北赤道流和棉兰老流增强,低纬度西太平洋海表高度降低,而在La Nia年则呈现出相反的形态,但是在模式中这种信号稍强于观测。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-I.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为：纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素（有效波高）和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-Ⅰ.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为:纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素(有效波高)和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

基于区域海气浪耦合模式的海洋风场预报性能研究

为评估面向海洋风场的耦合模式预报性能,针对西北太平洋海域,基于一次有无台风过程开展了区域海气浪耦合模式的72 h风场预报应用研究,并重点对1 000 m以下低空风预报进行了GPS观测数据的比对检验评估。结果表明:无论是海面10 m风还是1 000 m以下低空风,耦合模式对无台风日的风场预报效果相对更好;有无台风过程的检验评估均显示,海面低空风预报随时间变化趋势与GPS观测的基本一致,且各高度上均是u分量预报效果好于v分量的;针对台风的耦合模式预报需从模式初始场和物理过程参数化等加以发展完善。     

基于CCMP资料和现场观测资料的西北太平洋海面风场特征分析

利用由美国宇航局物理海洋学数据分布存档中心发布的2007—2011年CCMP风场资料,针对西北太平洋海面风场的季、月、日变化特征进行了分析。结果表明:西北太平洋海面风场具有明显的季、月变化特征,夏季盛行西南风,风向多变,风速最低;冬季盛行东北风,风速偏高。大风频发区域位于南海海域、台湾海峡和日本岛以东,且冬季发生频率明显高于其他3个季节。此外,还利用获取到的2014年8月海面自动观测站和9月海上探空资料对相应月份的风场特征进行细化分析,表明8月洋区盛行西南风,而9月西南风逐渐消退,风速减小,变化特征与相应月份CCMP的海面风分析相符。     

西北太平洋海气界面热通量时空分布特征研究

基于第三版本HOAPs (Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite Data)海表面温度、潜热通量、感热通量、海表面空气比湿以及海表面风场5个参量的18 a(1988～2005年)逐月平均资料,利用经验正交函数和奇异值分解方法分析了异常潜热和感热通量场在西北太平洋的时空分布特征及造成这种分布的主要影响因素.EOF的分析结果表明,异常潜热通量场主要体现为第一第二两个模态的变化,第一模态显示整个海域呈同相变化且在时间上呈准年周期变化,第二模态则描述了分别位于10°N,25°N和40°N的3个极值中心并伴随多年振荡,由因子载荷分布可知热带太平洋是第二模态的行为中心,因此该模态可能与ENSO事件相关.异常感热通量场则主要表现为第一模态的变化,在时间上呈准年周期变化并伴随有多年时间尺度的振荡.奇异值分解方法的分析结果表明异常海表面风场是异常潜热和感热通量场时空变化的重要影响因素.     

QuikSCAT风场资料的位涡反演应用对“云娜”台风数值模拟影响研究

为了定量研究海面散射计风场对台风数值模拟的影响程度问题,从动力学角度出发,采用片段位涡反演技术,将非对称加强后的QuikSCAT卫星风场产品与底层NCEP资料风场的位涡差,作为扰动位涡,通过非线性平衡约束,反演出三维的扰动物理量场,从而得到QuikSCAT风场对模式大气的影响层次及量值大小,最后设计试验方案对"云娜"台风加强阶段进行了模拟研究。结果表明:QuikSCAT风场资料的合理引入,主要改善了初始大气底层状况,并通过平衡约束,部分修正了整层模式初始场;该资料反演的三维扰动平衡场,相对三维变分方法得到的物理量增量,对台风路径及强度的模拟发挥了明显的正效应;而且初步证明台风发展与底层环境,尤其是底层湿度场影响关系非常密切,因而完善台风底层资料的真实性,可以很大程度提高台风强度模拟水平。     

全球变暖背景下最近40年太平洋海面高度和热容量变化数值模拟

用Non-Boussinesq POP模式和1960—1999年NCEP的1 000hPa大气温度和风场资料,模拟了最近40a太平洋海面高度和热容量的变化,通过与实际观测结果比较,得出模拟结果可信的结论,并且得到了如下有意义的结果。1960—1999年由热膨胀引起的太平洋海面高度平均以0.5mm.a-1的速度上升,如果在此之后假设全球气温不再升高,由于海洋特别是深海还没有达到平衡,在未来282a太平洋深海继续增温导致平均海面高度还将以0.15mm.a-1的速度上升。1960—1999年太平洋海面高度平均变化率的水平分布显示,最大的下降率在热带中西太平洋,为7mm.a-1;最大的上升率在热带东太平洋,为8mm.a-1左右;中纬度太平洋中部海面高度是下降的,下降率1mm.a-1左右;另外在南半球的中太平洋南部海面高度也是下降的,下降率小于1mm.a-1,而在太平洋沿岸则基本上是上升区域;中国沿海海面高度的上升率为1.0mm.a-1左右,它相对于东太平洋沿岸的上升率要小很多。太平洋热容量从海表向下传播的速度是由快变慢的,到170m再由慢变快,到500m达到最快,在500m深度以下又逐渐变慢;在大多数情况下,El Ni o年份整个太平洋的热容量是比较高的,而La Ni a年份的热容量则比较低。     

E1 Nio形成和北半球冷空气活动

一、前言本文采用1951—1983年太平洋海温距平场和逐月海温资料、北半球500百帕高度距平场、中国气温等级图,对El Nino的形成和太平洋海温场以及北半球大气环流、冷空气的活动等进行了综合分析,得出一些有意义的结果,为研究El Nino形成的长期预报,提供了一个可行的途径。     

西北太平洋风场和海浪场特点分析

本文根据1950～1995年共46a的西北太平洋气象船舶报资料,按5°×5°网格统计的风、浪要素进行分析研究,阐明了西北太平洋风、浪、涌的特点及其变化规律。该区是世界最典型的季风气候区,季风时期的风向、浪向、涌向基本一致,赤道地区常年盛行东北浪。冬季季风比夏季季风强盛,相应的平均波高、大浪大涌频率也较大。该海域与北印度洋同属季风气候区,但其特点正好相反。本文为船舶在西北太平洋航行、作业和科学试验以及军事活动,提供了较翔实的风场和浪场资料及变化规律。     

论IPCC-AR4模式对影响西北太平洋热带气旋的大气动力环境场的气候特征模拟性能

评估了23个IPCC-AR4模式在低纬地区1948—1999年7—9月大尺度环流场的模拟性能,重点关注西北太平洋区域的西太副高、季风槽以及台风活动海域的垂直风切变。结果显示,绝大多数模式的7—9月低纬地区500hPa平均高度场、850hPa风场空间分布与NCEP都具有很高的相似性,但大多模式500hPa高度场存在系统性偏低,而850hPa风场偏强。所有模式模拟的西北太平洋副高脊线与NCEP都有一致的西南-东北走向,但有些模式的脊线位置偏离NCEP的较远。有4个模式没有模拟出类似于NCEP的季风槽线。综合模式对夏季热带环流场、西北太平洋副热带高压、季风槽以及西北太平洋热带气旋活动关键区域垂直风切变气候特征的模拟性能,按性能优劣,排在前10的模式依次是mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a;排在后6位的模式是inmcm3_0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er。