南海西北部上层海洋对台风“杜苏芮”的响应分析

基于锚碇观测资料，本文分析了南海西北部陆坡区上层海洋对台风“杜苏芮”的动力学和热力学响应特征。在动力学响应方面，台风“杜苏芮”期间上层流速显著增强，混合层纬向流速可达1.20 m/s；“杜苏芮”经过后上层海水运动以近惯性振荡为主(流向顺时针旋转周期在36～40 h之间)。近惯性能量在垂向分布上存在两个高值中心，分别位于混合层和温跃层深度上。近惯性能量耗散过程的e折时间尺度约为3.7 d，我们认为能量的向下传播在局地近惯性能量衰减过程中起主要作用。对能量谱的分析表明，“杜苏芮”作用期间近惯性频率能量相对于其作用前增大了约29.4倍，而全日和半日频率(K₁和M₂)能量有所减弱。此外，能量谱显示近惯性频率存在明显的“蓝移”现象，即对于纬向和经向流速分量在400 m以浅平均的近惯性振荡频率分别为1.167 f₀和1.170 f₀(f₀为局地惯性频率)。蓝移与近惯性内波的向下传播及正的相对涡度的输入有关。在热力学响应方面，上层海洋在台风的搅拌作用下，40～250 m深度均出现较小增温，最大增温幅度接近1°C；此外70 m以浅盐度的降低可能与台风过境时的降水相关，而Ekman抽吸引起的上升流则可能对70～100 m深度盐度的升高具有重要作用。     

海洋近表层流和上层温盐对1215号台风“天秤”的响应

本研究采用漂流浮标数据、多种卫星数据及全球高分辨率的温盐剖面数据,探讨海洋近表层流和上层温盐对1215号台风"天秤"的响应。在距离强台风"天秤"中心的50km处测到了2.3m?s?1的近表层流速,但在其他类似情况下测到的流速却不足1m?s?1,表现出较大的差异。其原因为:位于冷暖水团交汇锋面区的漂流浮标流向多变,因而平均流速较慢。此外,在强台风过境后1~2d过境轨迹的两边和强台风过境后5~6d过境轨迹右边的海洋上层均发生了强烈的垂直混合,使得温度降低,盐度增加;混合层以下均表现出明显的上升流特征,说明台风的气旋式应力引起了海洋温跃层的强烈抬升,对上层海洋起到"冷抽吸"的作用。     

珠江口鸡啼门近海海洋对台风的响应

海洋对台风的响应对台风预报具有重要意义,但是由于动力结构比较复杂,近岸水体对台风的响应仍然不明确。基于珠江口海洋生态环境教育部野外科学观测研究站的1号浮标观测资料(2021年7~8月),分析了珠江口鸡啼门海域在台风“查帕卡”和“卢碧”期间海洋动力学和热力学响应特征。台风过境引起水体的纬向流速显著增强,“查帕卡”激发了强烈的顺时针近惯性振荡,“卢碧”则激发了接近惯性频率的逆时针海水运动。受当地浅水深的影响,近惯性能量在一个惯性周期(32 h)后快速耗散。两个台风引起的海表温度(sea surface temperature,SST)降温幅度均大于2.2℃,这种降温受潜热通量影响较大;同时,台风过后晚上的SST均大于白天的SST,这也是受到潜热通量的影响。     

黄海海洋对台风“灿鸿”外围过程响应的观测研究

2015年9月台风“灿鸿”经过黄海海域的QF111浮标,该浮标观测到黄海海洋的温度和流速响应。受台风影响,黄海海表温度有明显的下降,降温幅度在2~4°C,且在台风路径右侧形成了海表面温度低于20°C的低温斑块。流速的响应主要表现为台风过境期间流速增强,达1.2~1.5 m/s,呈现出全水深强化的特征。风一直对海洋有能量输入,且在台风过境期间风输入海洋的能量最大,旋转功率谱的分析结果表明台风输入海洋的能量向海洋内部传播。黄海海域由台风激发出的近惯性振荡衰减较快,近惯性振荡e折时间尺度约为2 d。     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

西北太平洋上层海洋对台风响应的个例研究

基于数字台风网、欧洲中心ERA-Interim、美国国家海洋与大气局以及中国Argo实时资料中心的资料研究了西北太平洋上层海洋对台风"奥鹿"的响应。研究结果表明,当"奥鹿"移动速度在2 m/s以下时,强风应力产生的Ekman泵是上层海洋响应的主要机制,移动速度越慢,Ekman抽吸速率(EPV)越大,海表温度(SST)降温持续时间短,冷尾迹出现在台风中心位置处。当"奥鹿"移动速度达到6 m/s以上时,持续风应力驱动的惯性泵是主导机制,SST降温持续时间长,冷尾迹出现在台风路径的右侧。惯性泵比Ekman泵持续的时间长,但Ekman泵影响深度比惯性泵大得多。在"奥鹿"经过西北太平洋时,混合层深度(MLD)变浅并伴随着"冷抽吸"作用的出现。上层海洋中"冷抽吸"现象较"热泵"现象影响深度深,持续时间长,在"奥鹿"过境后可持续20天以上。     

黄海在有无潮作用下对“布拉万”不同响应的数值模拟研究

黄海是典型的强潮驱动的陆架浅海。为了研究黄海对台风的响应特点,本文利用区域海洋模式(Regional Ocean Modeling Systems,ROMS)分别模拟了在有潮和无潮作用下黄海对台风"布拉万"的响应过程。结果表明,不管潮存在与否,"布拉万"经过黄海后都引起了海表面降温和流速的近惯性振荡响应,这种响应主要分布于黄海中部较深区域,带通滤波提取的近惯性流速具有垂向第一模态特征。同时,研究发现强背景潮流能显著地影响黄海对"布拉万"的响应过程。主要结论如下:一方面,由于潮的存在,近岸垂向混合均匀的较暖水体与远岸较冷水体之间会形成潮混合温度锋面,"布拉万"过后,暖水发生了明显的离岸扩张,尽管路径右侧的混合层降温更显著,但是左侧即黄海西岸的暖水扩张更明显;另一方面,潮的存在减弱了布拉万产生的近惯性振荡响应,半日潮流在黄海仍然占据主导地位。在混合层中潮流的作用减弱了"布拉万"产生的近惯性能量,但也使其更易穿过跃层传入黄海内部。     

热带气旋过程中的近惯性振荡解及频散关系

基于简单的Slab模式,建立了热带气旋过程中上层海洋近惯性流与风应力之间的定量关系。在此基础上推导出了近惯性振荡在海面能量输入通量及在温跃层内能量耗散表达式,揭示了近惯性流在大尺度准地转流场作用下的频散关系。研究表明:上混合层近惯性流的产生是局地风应力直接作用的结果。海洋因其层化效应存在相应的斜压正交模,当风应力频率与海洋内部固有的斜压模态相近时,二者共振产生近惯性振荡。而当海面输入近惯性能量大于其在上混合层能量损耗的水深平均值时,近惯性振荡处于增长阶段,反之则处于衰减阶段。大尺度准地转流的作用是对近惯性振荡流产生频移效应,而对近惯性流的能量耗散没有贡献。     

台风“杜鹃”对西太平洋上层温度的影响研究

本文利用海气耦合模式COAWST模拟了2015年的1521号超强台风"杜鹃",并结合再分析资料综合分析了台风过境期间西太平洋上层温度的变化规律。研究结果表明台风过境会使海区内上层温度降低,最大降温可达5-6℃,降温范围直径可达上百千米,台风路径右侧温度降低幅度大于左侧,具有明显的右偏性,路径两侧降温最大差异可达4-5℃。台风过境的引起了海水的垂直混合,"冷抽吸"作用将下层温度低的海水混合到海洋上层,影响深度可达200m。海洋上层温度对台风的响应速度与深度密切相关,深度越小,响应速度越快。台风经过后造成的降温区,约在7-15d内恢复到台风经过前的温度。     

上层海洋对热带气旋的响应与反馈研究进展

对60年来有关上层海洋与热带气旋(Tropical Cyclone,TC)的响应与反馈的研究进行了回顾,通过观测手段的完善和改进模式的应用,人们的认识不断提高:TC直接激发的近惯性流最大可达1 m/s,其导致的强烈的剪切造成混合层对下层冷水的夹卷是引起混合层降温的主要原因,并往往伴随着混合层深度的增加,这一影响在TC右侧更为最著,并可延续几天到几十天不等。TC导致的混合层降温会使得海洋输出的热通量减少,反过来削弱TC的强度,形成一个负反馈,而海洋特殊的热力和环流结构(如暖涡、洋流等)则对TC有正反馈。所以了解TC经过前的海洋初始场对研究TC与海洋之间的相互作用、对预测,TC的强度、路径变化等尤其重要;通过准确的初始场结合越来越完善的模式可以对TC进行更真实的模拟和预测,使得对TC准确的预报和预警成为可能。     

基于高分辨率风场的海洋近惯性能通量计算——时空特征及其影响因素

基于高分辨率CFSR(climate forecast system reanalysis)风场资料、气候态海洋混合层厚度资料和卫星高度计海面高度异常资料,本文估计了大气风场向全球海洋混合层的近惯性能通量和近惯性能量输入功率,并探究了混合层厚度、风场时间分辨率、经验衰减系数和中尺度涡旋涡度对近惯性能通量和能量输入功率的影响。浮标实测风场和流速表明,本文所用的风场和阻尼平板模型可用于估计风场向全球海洋的近惯性能通量。本文计算得到的大气向全球海洋输入近惯性能量的功率为0.56TW(1TW=10~(12)W),其中北半球贡献0.22TW,南半球贡献0.34TW。在时间上,风场的近惯性能通量呈现各个半球冬季最强、夏季最弱的特征,这和西风带风场的季节变化有关。在空间上,近惯性能通量的高值海域为南、北半球西风带海洋,尤其是南大洋。混合层厚度和风场空间不均匀性使得西风带近惯性能通量呈现纬向变化,即海盆西部强于海盆东部。风场时间分辨率对近惯性能通量的估计至关重要,低时间分辨率风场对近惯性能通量的低估达到13%—30%。阻尼平板模型中的经验衰减系数对近惯性能通量估计的影响不超过5%。中尺度涡旋涡度仅改变近惯性能通量的空间分布,而对全球近惯性能量输入功率的影响可以忽略。     

热带风暴天鹰期间南海西北部海域内部响应的观测分析

2005年7月28日热带风暴天鹰(Washi)在南海东沙群岛西南海域生成,并向西北偏西推进,在7月29日增强为一个热带风暴,于7月30日在海南岛登陆。布放在南海西北部大陆架海域的锚系测站记录了天鹰过境期间温度和海流的响应过程。分析结果表明,伴随着热带风暴的强风应力引起强烈的垂向混合作用,使海表面温度下降2℃,混合层加深20 m,并且8 m以下各水层也都有明显的降温过程,但降温幅度低于8 m层,降温开始的时间也随着深度的增加而延后。台风过后,观测海域的近惯性内波显著,其频率为8.1×10?6 Hz,略高于当地的惯性振荡频率(7.75×10?6 Hz)。滤波后的海流数据分析显示,近惯性波动是从海面向深海处传播的,其影响大约持续了10 d。本研究丰富了南海在台风期间响应过程的认识,可为近海海洋工程设计提供科学依据。     

台风对上层海洋初级生产力和营养盐输运的影响

利用垂直一维物理-生物耦合模型模拟了台风"派比安"和超强台风"珍珠"对南海北部水温、营养盐和叶绿素垂直分布的影响,并估算了2次台风对初级生产力和营养盐垂直输送的贡献。结果表明,"派比安"引发50m以浅海水温度降低,表层降温2.0℃,50~130m海水温度升高,混合层加深30m,海表叶绿素浓度增加0.18mg·m~(-3),营养盐垂向输运对初级生产力的贡献为2.3×103 mg C·m~(-2),约占全年的3%。"珍珠"引发55m以浅海水温度降低,表层降温超过5.0℃,55~150m海水温度升高,混合层加深85m,海表叶绿素浓度增加0.9mg·m~(-3),带来的营养盐垂向输运量约为全年的30%,对初级生产力的贡献为12.8×103 mg C·m~(-2),约占全年的18%。可见,台风过程,特别是强台风过程对上层海洋的初级生产和生物地球化学过程具有显著影响。台风的强度和移动速度等自身特征是决定海洋环境要素对台风响应程度的核心要素,同时台风过境前的水体层化状态和营养盐水平也是不可忽视的因素。     

基于观测的南海西沙海域深层近惯性振荡特征分析

近惯性内波运动普遍存在于全球大洋中,影响大洋中的质量、动量和能量输送,是大气强迫与海洋混合之间的重要纽带。由于目前海洋深层观测资料的缺乏,对于深层近惯性内波生消演变特征研究甚少。利用2009-2012年的潜标观测资料,采用带通滤波和谱分析方法研究了南海西沙海域深层近惯性内波生成、传播和消亡等演变特征。通过研究发现,南海西沙海域深层存在较强的近惯性振荡,其生成源为台风过境能量输入,绝大部分时段内,近惯性振荡能量在海洋浅层耗散,不向海洋深层传播;仅在少部分时段内,近惯性振荡能量的80%～85%耗散在500 m以浅区域,有大概15%～20%继续向海洋深层传播。     

基于2007—2018年Argo数据分析全球混合层和障碍层时空特征

为了进一步认识上层海洋中混合层和障碍层的时空变化特征。本文基于Argo (Array for real-time geostrophic oceanography)海洋观测网2007—2018年的温盐数据,使用差值法计算了全球海洋混合层深度(Mixed layer depth, MLD)和障碍层厚度(Barrier layer thickness, BLT),讨论了二者的月均值、季节均值和年均值的空间分布特征和形成机制。研究表明,全球海洋的混合层普遍在夏季浅、在冬季深,随季节变化的特征显著。北半球混合层变化幅度较大,大西洋混合层比同纬度的太平洋深;赤道海区混合层较浅;南半球混合层呈纬向带状分布,60°S附近大洋海域存在显著的深混合层带,南极大陆与该深混合层带之间的海域混合层常年较浅。全球障碍层呈"哑铃状"分布,两半球的高纬度海区是障碍层高发区,障碍层不仅厚且持续时间长,以半年为周期变化,南大洋60°S附近海域显著的厚障碍层带随季节变化;南半球中低纬度海区长期存在障碍层,障碍层冬厚夏薄,且厚度大部分不超过40 m。     

风生近惯性波的传播和耗散综述

近惯性波广泛存在于全球海洋,对海洋中的能量级联非常重要。风输入海洋的近惯性能量在海洋中是如何传播和耗散的,能量在海洋中如何划分,一直是受到高度关注的话题。本文简要综述了风生近惯性波在海洋中的传播和耗散过程,包括影响近惯性波传播的因素,比如β效应、中尺度涡度、台风尾流和近惯性波自身的波数特征等;近惯性波在风暴等强天气过程下的传播方式;近惯性波在混合层中衰减时间尺度的模拟;近惯性能量在海洋中的分配以及现有研究中还未解决的问题。本文拟为今后的近惯性波研究提供一些思路,进一步促进近惯性波机制和模拟等方面研究的深入开展。     

南海北部海域对台风尼格的响应特征分析

本文基于布放于南海北部的ADCP海流数据和温度链数据,分析了南海北部上层海洋对强台风尼格响应特征。结果表明:台风活动会生成强烈的近惯性振荡;在热力学方面会引起南海北部海区特别是表层海水迅速降温,海温的日变化特征消失;动力学方面近惯性内波成为支配研究海区海水流动的关键因素,造成流速迅速增大;此外近惯性内波会向下传播,并且下传时经历由慢至快的过程;最后近惯性内波会引起波-波相互作用,包括近惯性内波的入射和反射波之间相互作用生成频率两倍于惯性频率的内波,以及近惯性振荡与半日内潮相互作用生成两者频率之和的波动,使近惯性能量发生转移。     

基于潜标观测的黑潮-亲潮混合区近惯性能量季节变化特征研究

近惯性内波广泛存在于全球海洋,是维持深层海洋跨等密度面湍流混合及海洋层结的重要能量来源。基于黑潮-亲潮混合区的多年深海潜标数据,分析了:(1)该海域近惯性内波及其能量的季节变化特征与影响因素,(2)上层和深层近惯性运动的频率、波数谱及垂向分布等特征。结果表明,该海域存在丰富的近惯性动能,无论海洋上层还是深层均呈现显著的冬季强、夏季弱的季节变化特征,冬季(12～2月)上层的近惯性能量可占全年能量的41%,深层近惯性信号同样显著,同潮汐信号相当。平板模型分析表明,该区域近惯性动能的季节循环特征主要受风场的季节变化所主导,同时受到黑潮延伸体流轴的摆动调制。     

黄海对台风“利奇马”响应的观测研究

2019年8月台风"利奇马"经过黄海海域,对海洋环境产生重要影响,本文利用QF103和QF111浮标观测资料分析了黄海海洋对台风的响应。结果表明:受台风影响,海面温度明显下降,海面水温降幅可达5℃;海面生态要素响应明显,海洋表层盐度、叶绿素a质量浓度(简称叶绿素a浓度)、溶解氧质量浓度(简称溶解氧浓度)均有明显升高,盐度升高约0.6,叶绿素a浓度的最大值可达1.4 mg/m³,溶解氧浓度最大值超过7.9mg/L。台风过境时的强风应力使表层流速明显增强,台风对海洋表层流的能量输入使得近惯性频带能量大幅增加,台风激发的近惯性流速最大振幅为0.15m/s,在垂直方向上具有第一斜压模态的特征;在黄海海域近惯性振荡衰减的时间尺度约为2.2 d。     

南海东北部上层海洋对台风“莲花”的响应

台风过境会引起所经海域海洋环境要素场剧烈响应。本文通过分析南海东北部上层海域各要素对2015年第10号台风"莲花"的响应过程,发现以下规律:台风过境期间,海表温度(SST)影响台风的移动路径和强度,两次显著的台风移动方向偏转均发生在台风下垫面温度发生显著改变的条件下。台风吸收海表热量引起SST降低0～1.5℃,而这种热量(以短波辐射和潜热通量为主的海表净热通量)吸收引起的海表失热每秒可达60 W/m2,对台风移动过程产生影响。同时,台风过境时(7月6—9日)的SST降低与失热变化都存在一定的"左偏性"。台风引起的Ekman抽吸速率最高可达1.6×10-3m/s,引起台风过后(7月9日之后) SST的降低。通过对海面10 m风场、海表温度、降雨量进行EOF分析发现:风场在南海东北部海域呈东西反位相分布,风场增强持续时间约5天,具有显著"右偏性"且近岸的局部风场特征明显;降雨量在台风期间呈全域一致性的增加,持续时长约4天,具有显著"左偏性"且在吕宋岛北部局部降雨特征明显;SST在南海东北部绝大部分海域呈降温态势,时长超过8天,降温时间滞后风场约2～3天。整个降温过程(7月5—15日)受Ekman抽吸作用较海表失热作用更大,表现为在台风右侧降温更为显著。同时,台风移动速度越慢,降温效果越明显。台风过境时,粤东离岸流显著增强,上升流区的垂直温度降幅可达2.5℃且滞后流场响应约1～2天;垂直盐度降幅可达1.3 psu且滞后流场响应约2～3天。总体上看,温度在台风响应过程中起着重要的联结作用。