南海东北部剪切流场对内波影响的研究进展

南海东北部受黑潮入侵、季风等动力因素的影响,背景剪切流场复杂,涡旋众多,水体垂向层结季节性变化明显,同时又因吕宋海峡的复杂底地形和强潮流的影响,内潮、内孤立波现象显著。但是,以往关于内潮、内孤立波的研究很少考虑到背景剪切流场和涡旋对其影响,因而难以揭示内波的生成、传播和演变规律。主要概述了南海东北部的剪切流、涡旋和内波等多种中尺度物理现象及其之间的相互作用的研究进展,进而提出未来关于南海东北部剪切流场对内波生成、传播和演变影响研究中的一些问题和研究思路。     

南海中尺度波动现象研究进展

Kelvin波和Rossby波是经常出现于海洋中的边界波;南海的复杂岸线、陡变地形和热盐场时空结构的不均匀性具有形成强迫Kelvin波和地形Rossby波的条件。现有研究表明,南海大部分中尺度涡形成于东部一些较大岛屿附近;这些中尺度涡一旦形成后,就在β效应作用下向西移动并最终耗散于西边界,且其波动一般以Rossby波的形式向西传播。因此,南海环流的多涡结构与中尺度波动之间存在着一定的联系。在南海北部,中尺度涡主要由黑潮入侵和风应力旋度所诱生,而在南海南部而以风应力旋度为主要成因。提出了利用线性波动动力学模式来研究南海南部中尺度波动、分析风应力强迫所产生的中尺度波动特征和规律,并据此建立相应的数值模式来揭示该海区环流的动力学和热动力学机制的思路,以便了解该海区流场季节性变化与中尺度波动之间的内在关系。     

南海碳源汇的区域与季节变化特征及控制因素研究进展

南海碳循环是全球碳循环的重要组成部分。厘清南海CO_2通量问题,对阐明全球碳循环过程,完善全球碳循环数据库具有重要意义。对南海4个典型特征区域(北部陆架、北部陆坡及海盆、吕宋海峡西侧海域和中南部海盆)的海表CO_2分压、CO_2通量和控制因素的研究进展进行了归纳总结。结果显示,南海北部陆架海表CO_2分压区域差异显著,珠江冲淡水上游低盐区为强碳源,海表CO_2分压常年处于超饱和状态,最高值达405.3～810.6 Pa,下游离岸开阔海域(盐度大于33.7)冬季海表CO_2分压低至35.2～37.0 Pa,为弱的碳汇。南海北部陆坡、海盆受温度调控,暖季是碳源,冷季是碳汇,夏季海表CO_2分压最高达45.0 Pa,冬季海表CO_2分压最低为34.7 Pa。吕宋海峡西侧海域碳源/汇受温度、季风和水团等因素影响较大,春季海表CO_2分压与大气CO_2分压接近于平衡状态,冬季升高至38.4～47.5 Pa,高于大气CO_2分压。中南部海盆表现为大气CO_2弱或中等强度的源,海表CO_2分压年均值为41.0 Pa。总体上,南海大部分海域在全年尺度上表现为弱的碳源,每年向大气释放(18±10)Tg C的CO_2。虽然南海碳循环研究已取得了一定进展,但仍缺少长期的现场观测与数据积累。今后应进一步加强海—气CO_2分压时间序列研究和海—气CO_2交换通量的遥感研究。     

南海西边界急流影响下的近惯性振荡特征分析

在利用南海西沙海域多年声学多普勒流速剖面仪(ADCP)观测流速资料分析近惯性内波运动的生成、传播等演变特征的过程中,发现冬季和夏季的近惯性振荡频率存在整体性的偏移效应。ADCP所处海域位于南海西边界急流区,冬季和夏季的背景环流分别为东北向和西南向,背景环流的方向性差异可能影响近惯性振荡频率的偏移效应。针对背景环流的不同方向,筛选出其对应的近惯性振荡信号,进行合成分析,探讨南海西边界急流如何影响近惯性振荡特征。从背景涡度的角度对这一影响机制做出了解释:夏季时,东北方向背景环流的水平剪切使得局地产生负的背景涡度,近惯性振荡频率往低频方向偏移("红移"现象);冬季时,西南向背景环流的水平剪切导致局地产生正的背景涡度,近惯性振荡频率往高频方向偏移("蓝移"现象)。     

黑龙江省两次温带气旋暴雪过程对比分析

利用多种资料对黑龙江省两次由江淮气旋和蒙古气旋合并引发的暴雪过程的水汽、热动力条件和中尺度特征进行了对比分析。结果表明：（1）两次暴雪过程都发生在北支槽和短波槽合并、北支槽北部有冷涡的背景下,850 hPa上低涡合并促使江淮气旋和蒙古气旋合并;气旋合并后,低空急流为降雪提供了充足水汽,强暖平流使气旋爆发性发展,导致降雪加强。（2）两次降雪过程都表现出逗点云系的合并发展,"1211 "暴雪过程中高层形成涡旋偏西,700 hPa低涡东部偏南风引导气旋北上西折,低空急流和地形共同作用使暖湿空气强烈辐合上升,产生对流云,暴雪发生在A类逗点云系的头部,降雪强度大,范围广;"1412"暴雪过程高空槽低涡位置偏东,700 hPa低涡东部西南风始终引导气旋向东北方向移动,近地面层具有冷垫,暴雪主要发生在B类气旋逗点云系头部西侧中低云团中,降雪范围和强度较"1211"过程小。（3）低层（0.3 km）冷空气侵入和中高层（5.5 km）转为偏北风对判断降雪开始和结束有很好的表征意义。（4）冷涡前部强高压脊使冷涡移动缓慢,从而延长了降水的持续时间,气旋移动路径与高压脊伸展方向密切相关。     

黑潮与毗邻陆架海域的碳交换

作为沟通陆架边缘海与开放大洋的北太平洋西边界流,黑潮对毗邻中国陆架海域碳循环有着不可忽视的影响。分析总结了黑潮与毗邻陆架海域海水中溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)、溶解无机碳(DIC)和颗粒无机碳(PIC)分布与交换的现有研究成果。分析表明,黑潮通过表层水涡旋、入侵以及次表层以下水体上涌等形式携碳进入毗邻陆架海域。在黑潮与毗邻陆架海域,DOC和POC的分布受生物活动、水团混合以及沉积物—水界面相互作用的共同影响,表层与陆架水中含量较高,DIC受海水碳酸盐体系平衡影响,表层含量低于底层,在陆架海域与上升流区有高值,PIC含量较低。在台湾东北海域,DOC,POC和DIC由东海陆架海域向黑潮有净输出,输出量分别为2 431×109,1 051×109和21 733×109mol C/a,PIC通过陆架源悬浮颗粒物向黑潮主流输送,通量为1 852×109mol C/a。DOC,POC和PIC由南海经吕宋海峡向黑潮有净输出,输出量分别为2 652×109,1 009×109和230×109mol C/a,但DIC由黑潮向南海有净输出,通量为13 005×109mol C/a。台湾海峡碳循环受黑潮输运的影响,但影响机制及过程至今并不清楚。因此,黑潮与毗邻陆架海域的碳交换过程研究还有若干重大科学问题亟待解决,尚需深入系统的研究。     

南海北部活动构造及其对天然气水合物的影响

海底天然气水合物与活动构造关系极为密切,随着近十几年来海底天然气水合物勘探与研究取得的重要进展,相关活动构造也正在逐渐受到关注。通过对断裂、地震、气底辟以及海底火山活动等构造活动的多种表现形式的研究,分析了南海北部活动构造的特征。在南海北部,存在北东向、北东东-东西向、北西向3组活动断裂,其中北西向断裂切割其他两组,形成最晚。这些活动断裂以继承性为主,北东向和北东东向断裂均为切割地壳或岩石圈的大断裂。南海北部的震中呈带状分布,在东部呈北东走向,而西部受红河走滑断裂的影响,震中整体为北西走向分布。气底辟是对天然气水合物形成有重要指示意义的构造,同断裂一样,气底辟为气源垂直向上移动至形成水合物的温压带提供了良好的通道。南海北部分布的火山岩由东到西顺时针旋转。从地震剖面可以看出,岩体明显受张性断裂控制。东部天然气水合物的分布受北西向活动断层的影响较大,而西部则与海底滑坡密不可分。     

大气对海洋中尺度涡响应的研究进展

海洋中尺度涡广泛分布于全球海洋且能对大气造成显著影响。在全面陈述大气边界层和局地环流对中尺度涡响应的基础上,论述了与其相应的物理机制,并系统介绍了有关中尺度涡对天气系统影响的最新研究进展。(1)中尺度涡引起的海表温度异常通过改变湍流热通量来引起洋面风速、散度以及云量和降水的异常,并在垂直方向上产生异常的次级环流。并且,大气对中尺度涡的响应有明显的区域和季节差异。(2)在南海、黑潮延伸区和南大洋,中尺度涡可分别通过改变海表面气压或大气边界层稳定度来影响其上的洋面风速。通过分析大气异常中心与中尺度涡的位相关系并配合动力诊断可区分这2种机制。(3)中尺度涡能改变大气中的能量转换从而影响风暴路径和急流位置,并能通过遥相关影响下游地区的天气型。此外,中尺度涡所造成的海洋上层温度变化还将对热带气旋的增强和维持起重要作用。     

南海北部陆坡高速堆积体的构造成因

南海北部陆坡是南海海域沉积活动最为活跃的地区之一,发育着迄今为止所发现的南海最高沉积速率堆积体。构成该堆积体的沉积物究竟来自何方,仍是南海沉积学研究中未解决的问题之一。通过对南海北部多道地震剖面的解释和海底底流观测资料的分析,指出南海北部中新统披覆层是南海北部断陷阶段结束后开始沉积的一套地层,直到上新世开始前,该地层在很大一个区域内是保持水平的;上新世后,由于构造抬升,中新统披覆层随之隆起,并在东沙隆起的部位遭受很大程度的剥蚀,其剥蚀量和南海北部珠江、韩江以及台湾西南部高屏溪和曾文溪向南海的输沙量相当,为南海北部一个非常重要的沉积物来源。研究分析指出,如果珠江和韩江所携带的沉积物全部沉积到南海北部陆坡区,则可获得的沉积速率为12 cm/ka,这一数值远低于该高速堆积体上的沉积速率值。从南海北部现今的沉积动力条件和地形上看,来自珠江和韩江的沉积物几乎不可能经过平坦的陆架区,再绕过东沙岛,优先沉积到该高速堆积体上。本研究中的高速堆积体的沉积物也不可能主要来自台湾西南的高屏溪和曾文溪,因为台西南河流所携带的沉积物被特殊的洋流体系圈闭于台湾周边一个较小的范围内沉积下来。观测数据表明,南海北部东沙隆起区有足够强的水动力环境能够剥蚀海底隆起的沉积地层,并将剥蚀下来的沉积物向南经陆架输运到陆坡区;该高速堆积体紧邻东沙隆起剥蚀区,其沉积物来源应该主要来自东沙隆起剥蚀区。     

黑潮化学物质输入东海的途径与通量

在对黑潮水文特征分析的基础上,探讨了黑潮对中国近海化学物质输入途径,归纳总结了黑潮对东海生源要素、痕量元素、同位素及其他化学物质的输入特征,提出了黑潮对中国近海化学物质输入研究应着重关注的问题。主要的结论包括:吕宋海峡、中国台湾东北部及日本九州西南海域是黑潮向中国近海输送化学物质的3个关键区域;黑潮表层水向东海陆架的扩展、次表层水和中层水的涌升以及黑潮季节性流轴摆动是黑潮向东海输送化学物质的基本途径。黑潮主体生源要素的浓度随深度的增加而增大。黑潮对东海生源要素的影响夏季最弱、春季次之、秋冬季最强,其对东海生源要素的输入通量要远高于河流、大气等其他输入源,并且各水层中以中层水的生源要素输入通量为最大。痕量元素在黑潮主体的分布、对东海的输入通量等方面均表现出了与生源要素的差异,各痕量元素的分布及输入通量随痕量元素的不同而不尽相同,其中次表层水的涌升在对邻近海域痕量元素分布的影响中起到了重要作用。同位素可指示黑潮对东海陆架的入侵程度及变化规律,并与营养盐等有一定的相关性。黑潮是东海微量温室气体N2O,CH4等其他化学物质的重要输入源,进而对东海生态环境产生影响。进一步研究应着重从系统性外海观测、痕量元素及同位素等化学物质调查、黑潮对中国近海输入化学物质的控制过程等方面深入开展。     

南海南部海洋环流研究的新进展

综合近期南海南部环流研究的主要成果,描述南海南部的主要流系及其变化。指出研究海区环流主要由季风所驱动。东北季风期,其西部主要由气旋式环流所控制,东部则受较弱的反气旋式环流控制,在二者结合部形成强的逆风海流。西南季风期,海区大部分受反气旋式环流控制,其北侧为一气旋式环流,二者结合部形成强的东向离岸流。还讨论了环流的演变特性和流涡的形成机制。     

海洋中尺度涡旋表面特征和三维结构研究进展

海洋中广泛存在的中尺度涡旋对动量、能量、热量和物质传输起着至关重要的作用。详细介绍了利用卫星高度计资料识别中尺度涡的闭合等值线、Okubo-Weiss数、绕角和流矢量的方法。结果表明,绝大部分涡旋都呈近刚性旋转的非线性特征,生命周期大于等于16周涡旋的平均寿命、传播距离、振幅和半径分别为32周、550 km、8 cm和90 km。重点介绍了结合卫星高度计和Argo浮标资料合成中尺度涡三维结构的方法。受生成地和移动到当地海洋温盐背景场的共同作用,涡旋呈现不同的三维结构。从演变角度简单介绍了墨西哥湾的回流环和大西洋的地中海涡旋的基本特征。最后,对中尺度涡研究的难点问题,如次中尺度过程、中尺度涡能量耗散和次表层涡旋等进行讨论,并提出今后应从中尺度涡立体化、机动性观测,中尺度涡多学科融合式观测以及多尺度相互作用等方面开展突破性研究。     

台湾岛以南海域新近纪的弧-陆碰撞造山作用

台湾岛以南海域(台南滨海)弧—陆碰撞带位于欧亚板块、菲律宾海板块和南海的结合部位,是新近纪弧—陆碰撞研究的理想场所。本文通过对南海973航次在该区域的多道地震剖面的解释,认为台南滨海弧—陆碰撞带增生的火山—沉积楔由恒春海脊和高屏斜坡两部分组成,前者是菲律宾海板块的增生楔,后者是欧亚板块的增生楔,在增生楔体和火山弧之间是作为弧前盆地的北吕宋海槽。自中新世中期以来,南海洋壳开始沿着马尼拉海沟向菲律宾海板块俯冲,形成活动大陆边缘的增生部分——恒春海脊;与此同时菲律宾海板块开始向北西方向移动,前缘的吕宋岛弧距今6.5Ma以来朝着亚洲陆缘斜向汇聚,形成了被动大陆边缘的增生部分——高屏斜坡。由于菲律宾海板块和欧亚板块之间的斜向汇聚,弧—陆碰撞具有穿时性,造山作用首先发生在台湾岛的北部,然后向南部及台南滨海发展。     

南海北部井场调查中常见的海洋灾害地质

南海北部准被动大陆边缘自第四纪以来具有较强的新构造运动,由此形成的各类潜在地质灾害对于迅速发展的海洋油气资源勘探开发,是一项值得认真研究的课题。20世纪80年代至今,在南海北部承担了大量的井场调查和研究,结果表明南海北部灾害地质因素类型很多,危险性较大或分布较广的是活动断层、地震、滑坡、沙波、浅层气和埋藏古河道,它们的发育受区域地质环境控制。南海新构造运动东部强于西部,北部强于南部,东北部最强。在水深50～130m左右,深部构造较稳定,具有活动能力的破坏性地质灾害类型较少,限制性地质条件如埋藏古河道广泛分布,侵蚀沟、浅槽和凹凸地等十分发育,是南海北部相对稳定的区域。在水深大于130m,是陆架转向陆坡的过渡带,各种具有活动能力的地质灾害类型,如断层带、大型滑坡带、陡坎、底辟及沙波等普遍存在,地震活动多,地形复杂,是南海北部不稳定区域。     

海洋涡旋在模态水形成与输运中的作用

模态水在全球气候变化中有着重要作用.但是由于缺乏海洋次表层的高分辨率观测,对空间尺度为百公里的海洋中尺度涡旋如何影响空间尺度大于千公里的模态水的认识仍然欠缺.为了解决这一科学难题,在科技部的支持下,实施了一次成功的海上观测试验.系统梳理了基于该观测数据所发表的有关涡旋影响模态水潜沉和输运的主要研究成果:①捕捉并揭示了中尺度涡导致混合层水潜沉的过程和动力机制;②发现了中尺度涡携带模态水迁移的新路径;③阐明了模态水多核结构的形成机制.研究结果揭示了黑潮延伸体海域中尺度涡旋影响大尺度模态水的物理本质,为该海域多时空尺度海洋—大气相互作用作出了一定的贡献.通过对该次观测试验结果的分析和总结,得到了如下新的科学推论:海洋次中尺度过程对模态水的形成和耗散也具有重要影响.     

张英1，郭依群2，莫午零3，胡玉波4

南海北部神狐海域钻探获得的水合物中天然气组分以甲烷为主,为典型干气,气体甲烷碳氢同位素组成揭示天然气为典型的生物成因,为二氧化碳还原形成。南海北部地区在硫酸盐-甲烷还原界面（SMI）以下进入生物甲烷生成阶段,盐度适中,适宜产甲烷菌等菌群的生存和生物甲烷气的生成,埋深200～1500 m层段是生物甲烷的主要生成阶段。中新世中晚期、上新世和第四纪沉积物以泥为主,部分层段为砂泥岩互层,有机质丰度较高,类型好,热演化程度低,生物气生成条件优越,可为浅部天然气水合物的形成提供充足的气源。     

南海打开模式:右行走滑拉分与古南海俯冲拖曳

南海作为东亚大陆边缘最大的边缘海,位于太平洋、印澳和欧亚三个板块的夹持之下,处于特提斯构造域和太平洋构造域的联合作用部位,是揭示新生代两大动力学体系交接转换特征的良好场所。南海海盆为菱形洋盆,包括西北次海盆、东部次海盆和西南次海盆,均在古近纪—中中新世形成,同时伴随着南海北部、西部和南部盆地群发育,盆地边缘油气资源丰富,被称为第二个"波斯湾"。本文搜集了前人对南海洋盆深部形态、磁条带、转换断层等成果,以及南海周边盆地群的沉积体系、沉积相、不整合面相关资料,综合对比了南海北部、西部和南部盆地群的沉积序列、沉积相、沉积厚度,厘定了盆地群断裂体系、断裂组合特征,揭示了南海北部、南部盆地群及西部盆地群中的中建南和万安盆地都是在右行右阶走滑拉分背景下形成的。北部盆地群新生代古近系西厚东薄,新近系东厚西薄,NNE—NE向断裂体系活动早期西强东弱,而晚期东强西弱,从西向东依次停止。同时指出,南海是在NNE向断裂体系右行右阶走滑拉分和古南海俯冲拖曳的联合作用下打开:于34~32 Ma西北次海盆和东部次海盆受控于NNE向断裂的右行右阶走滑拉分作用,沿着NNE-SSW方向开启;32~23 Ma,NNE向走滑断裂活动自西向东逐步停止;于23 Ma左右,"消失"的南海以西的NNE向走滑断裂完全停止活动,同时由于婆罗洲地块逆时针旋转,古南海的俯冲带走向由近E-W向变为NE向,俯冲板块拖曳力也转变为NW-SE向并且占据主导地位,在拖曳力作用下礼乐—巴拉望地块后缘陆壳伸展,导致西南次海盆打开,东部次海盆的扩张方向由NNE-SSW转变为NW-SE向。于15Ma,礼乐—巴拉望地块与婆罗洲地块碰撞,南海停止扩张。     

青海省活动断裂带分布发育特征研究

青海省活动断裂带在印度板块的推挤作用下具有各自不同的空间展布和运动学特征,通过对省内24条活动断裂带的研究,得出NNW向断裂带右旋走滑的同时还具有逆时针旋转的运动特性,柴达木盆地西南边缘的茫崖油沙山断裂的形成可能是阿尔金断裂带左旋走滑的压应力分量和持续板块推挤在青藏高原北部的一种响应,中更新世以来的构造运动决定了现今青海构造地貌的基本形态,现今高原北部的隆升主要集中在柴达木盆地西侧和祁连山地区,挤压应力分布表现为南北强于中部、东部强于西部。     

横流中圆孔湍射流的旋涡结构

应用PIV流场测试系统,研究不同流速比的横流中圆孔湍射流的旋涡结构。发现主要有4类旋涡,即射流主体周缘剪切层的类开尔文涡列、横流绕流分离旋涡、射流喷口前缘的马蹄涡系和尾迹涡。分析了这些旋涡的形成机理及其拓扑性质,射流近区有两条分离线,一条是横流绕流分离线,另一条是使射流两侧剪切层旋涡进入分离旋涡区的分离线。证实绕流分离旋涡最终在射流的顺流贯穿段进入射流主体,混合形成射流主体内的主反向旋转涡对。     

北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响

我国东部陆架海和南海是国防安全的重要门户;位处第二岛链以西的副热带北太平洋既是各国争夺的重要海区,又是我国从近海走向大洋的重要通道.围绕"北太平洋副热带环流变异如何通过黑潮与我国近海动力环境之间相互作用"这一国际前沿科学问题,国家重点基础研究发展计划项目"北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响"于2007年9月正式立项.该项目不仅有助于拓展和丰富海洋动力学理论,揭示我国近海及邻近大洋动力环境变异机制,提高预测能力,而且也将为维护我国国防安全和海洋权益,为可持续开发利用海洋资源提供海洋动力环境保障.该项目主要研究内容包括:①北太平洋副热带环流变异和调整机理;②黑潮与我国近海的能量与水体交换过程及机制;③北太平洋副热带环流变异与大气驱动力的耦合效应;④我国近海及邻近大洋动力环境变异的可预测性研究.拟解决的关键科学问题为:北太平洋副热带内区环流变异的机理及其对黑潮的影响;黑潮源头变异机理及其对吕宋海峡水交换的影响和黑潮变异机理及其对东部陆架海域动力环境的影响.