海洋环流模式中不同近似假设下的海表高度

Boussinesq近似是现代海洋环流模式中经常采用的假设，但随着海洋模式的不断发展完善以及气候研究应用的需要，有必要估算Boussinesq近似造成的模式误差。分别利用一个非Boussinesq近似的海洋模式与另一个结构相同且采用Boussinesq近似的模式计算海表高度，并同时利用模式预报的温度、盐度资料计算了比容异常高度。分析结果显示，这3种不同定义的海表高度无论空间结构，还是时间演变，都基本类似，尤其在热带海区最接近，差值≤1cm。Boussinesq近似意味着在模式中以体积守恒代替质量守恒，通常的做法是对其进行简单的质量补偿来保持质量守恒。比较说明，以质量补偿方法进行的高度订正对减小Boussinesq近似带来的误差没有本质的意义。     

大洋环流模式中Boussinesq近似与静压近似问题的讨论

改进环流模式中的Boussinesq近似与静压近似是当前海洋环流模式的主要研究方向之一。虽然目前已提出一些在模式中包含非Boussinesq效应和静压效应的方法,但是仍有很多关键问题亟待解决。系统地回顾了改进这2个基本近似的理论分析和数值模式的研究进展,介绍了不同方法的理论基础及其数值分析结果,并分析了这些方法中所存在的缺陷和问题,指出了开展进一步研究需要首先分析的几个关键问题。     

白令海峡夏季流量的年际变化及其成因

白令海峡是连接太平洋和北冰洋的唯一通道,穿过海峡的海水体积通量在年际尺度上的变化主要取决于海峡南北两侧的海面高度差,白令海峡的入流对北冰洋海洋过程有重要的意义。利用SODA资料计算夏季白令海峡海水体积通量,对其年际变化及成因进行分析。结果表明夏季白令海峡的体积通量主要是正压地转的;当体积通量为正距平时,楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海以及波弗特海南部海面高度为负距平,同时,白令海陆架海面高度为正距平;对这些海域的Ekman运动、上层海洋温度、盐度和垂直流速进行分析,发现海面高度异常与海峡体积通量的这种关系主要是与海面气压异常分布所产生的Ekman运动有关。当白令海峡的体积通量为正距平时,北冰洋中央海面气压为正距平,白令海海盆海面气压为负距平。这种气压的异常分布在一定程度上解释了上层海洋运动、海水温盐结构与白令海峡入流的关系,从而把夏季大尺度大气环流和白令海峡体积通量的年际变化联系了起来。     

全球变暖背景下对太平洋环流（1960—1999）的模拟

我们用Non—Boussinesq POP海洋模式和NECP 1000 hPa的风应力和气温场资料，模拟了1960—1999年太平洋环流，结果显示：在过去的40年，热带太平洋环流变弱了，另外，由于全球变暖，由北赤道流产生的向热带西太平洋沿岸的热输送和由南赤道流产生的向南太平洋中高纬度的热输送随着时间是减弱的，而在北半球，由北赤道流产生的向中高纬度的热输送是增加的。     

南海上层海洋环流两层半模式的数值模拟Ⅰ.闭边界海盆季节性环流

本文应用一个包含动力学和热力学的热带海洋两层半模式,模拟南海上层海洋闭边界条件下的季节性环流.模式海洋由不同密度的上混合层、季节性温跃层和静止的深水层组成.模式考虑挟卷(卷入entrainment和卷出detrainment)引起海洋上下活动层间的质量、动量与热量的交换,在海面月平均气候风场动力强迫和通过海面热通量的热力影响下,计算了封闭海盆假定下的南海上层海洋的季节环流.用数值试验的方法讨论了非线性效应、摩擦阻尼、侧向混合对大尺度环流的影响,并得出有关模式稳定性的结论.模拟结果与南海海洋实测和动力诊断的环流趋势吻合较好,显示了模式对南海海盆尺度的环流系统有较好的模拟能力.     

热带太平洋平均环流数值模拟

用中国科学院大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(区域为南北纬30°,经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°,垂直方向分为不等距14层),在观测到的海表面风应力和热量及淡水通量驱动下,对热带太平洋平均环流进行了数值模拟.结果表明,模式成功地模拟了海面起伏中赤道槽、赤道脊、北赤道逆流槽及中小尺度涡旋(如棉兰老涡)系统等分布;与这些槽脊分布相对应的北赤道流,南赤道流和北赤道逆流等热带流系;对气候有重大影响的海表温度分布;次表层温跃层结构和赤道潜流等.文中特别讨论了海面起伏与模式其他变量场间的关系及其应用.     

海气界面热通量交换对南海深水海盆SST持续增暖的可能贡献

20世纪后50年南海深水海盆SST持续增暖了0.64℃,为了探究其持续增暖的机制,使用IPCC模式比较试验CGCM3.1(T47)、CGCM3.1(T63)、CSIRO-Mk3.0、GFDL CM2.0这4个模式输出资料中的辐射通量、湍流热通量、比湿、风、云量、气温、海平面气压及海温数据,计算了各海洋、气象要素的变化趋势,估算了热通量各分量,发现20世纪后50年期间SST的持续增暖似乎不能依据海面热通量的变化来解释。主要证据如下:夏季风的减弱使得海面潜热减少了约4.9W/m2,但由于海温升高、蒸发加强又使潜热增多了大约同样的值,使得夏季南海深水海盆总的潜热通量变化较小;夏季大气水汽含量的增多促使海面长波辐射增多了约1.8 W/m2,加上感热通量等变化的效应,海洋净得热增多了约3.0 W/m2;但是,20世纪后50年内冬季风的增强和冬季海温升高致使海洋潜热增多了约7.3 W/m2。由于20世纪后50年潜热释放大于海面长波辐射增多,无法只用海面热通量解释SST持续增暖现象,指出了南海海洋动力过程可能在维持南海深水海盆50年来SST持续增暖中的重要性。     

西北太平洋大气异常反气旋对海平面高度和海洋表层环流的影响

利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的风场数据和SODA2.2.4版本的再分析流场和海平面高度数据,采用合成分析的方法研究了1971—2010年伴随印度洋海盆增暖(India ocean basin mode,IOBM)而发生的西北太平洋异常反气旋(Northwest Pacific anomalous anticyclone,NWPAC),以及由其引起的海洋表层环流和海平面高度异常的变化。伴随IOBM所形成的西北太平洋反气旋在夏季时强度最大,并对西北太平洋上层海洋环流和海平面高度异常有显著影响。西北太平洋异常反气旋会引起海洋反气旋环流异常,对应着海面辐合、海平面高度升高。南海上层海洋对西北太平洋大气异常反气旋的响应准同步,而菲律宾以东上层海洋的响应约滞后一个季节,海洋反气旋环流异常在秋季时达到最强,这种延迟可能和该纬度上西传Rossby波对海洋的调整有关。     

一个斜压海洋环流数值模式及其数值试验

为研究大尺度海洋环流和一些大尺度海洋物理过程,我们建立了一个无海底地形的三层斜压海洋环流数值模式。模式方程采用了静力近似和Boussinesq近似,在上边界采用了钢盖近似。同时,还做了两个数值试验:第一个模拟试验,海洋从静止状态开始,以4个季节的气候平均风应力和海表大气季节平均温度为强迫条件,积分区城选择45℃以北的太平洋,数值积分了5个模式年,这时海洋的上层环流和温度的年变化趋于平稳。计算结果再现了太平洋气候平均状态的海温分布和主要海流的大尺度特征以及它们的年变化特征。如西部强化流、赤道潜流等。第二个数值试验,在第一个数值模拟的基础上给定赤道西太平洋一个风应力异常区,数值积分了几个月。从计算结果中可看到类似E1 Ni■o的现象,并且初步地分析了赤道波动在E1 Ni■o形成过程中的作用。     

中国近海海面地形机制研究

介绍了求得中国近海海面地形的几何水准法、球函数模型法、海洋水准法,重点介绍了海洋水准法,并指出用水文资料计算中国近海海面地形时,必须考虑气压的均衡效应和气压的非均衡效应。定量分析了水文因素的影响,气压因素的影响,及太平洋北赤道流(黑潮)对中国近海海面地形的影响,得出了一些有益的结论。     

Parametric vertical coordinate formulation for multiscale, Boussinesq, and non-Boussinesq ocean modeling

Two physical parameters are introduced into the basic ocean equations to generalize numerical ocean models for various vertical coordinate systems and their hybrid features. The two parameters are formulated by combining three techniques: the arbitrary vertical coordinate system of Kasahara [Kasahara, A., 1974. Various vertical coordinate systems used for numerical weather prediction. Mon. Weather Rev. 102, 509–522], the Jacobian pressure gradient formulation of Song [Song, Y.T., 1998. A general pressure gradient formation for ocean models. Part I: Scheme design and diagnostic analysis. Mon. Weather Rev. 126 (12), 3213–3230], and a newly introduced parametric function that permits both Boussinesq (volume-conserving) and non-Boussinesq (mass-conserving) conditions. Based on this new formulation, a generalized modeling approach is proposed. Several representative oceanographic problems with different scales and characteristics––coastal canyon, seamount topography, non-Boussinesq Pacific Ocean with nested eastern Tropics, and a global ocean model––have been used to demonstrate the model’s capabilities for multiscale applications. The inclusion of non-Boussinesq physics in the topography-following ocean model does not incur computational expense, but more faithfully represents satellite-observed ocean-bottom-pressure data. Such a generalized modeling approach is expected to benefit oceanographers in solving multiscale ocean-related problems by using various coordinate systems on the same numerical platform.     

夏季黄河入海径流对黄河口及附近海域环流影响的数值研究

基于区域海洋模式ROMS,建立了一个三维非线性斜压浅海模式,考虑了包括径流、风场、海面热交换以及黄渤海环流等因素,研究了夏季8月份黄河入海径流量对黄河口及附近海域环流结构的影响。数值实验较好地佐证了黄河冲淡水的"北偏"现象,并很好的体现了冲淡水对河口附近海域环流结构的影响。数值研究表明:黄河入海径流量对河口附近海域环流结构有显著影响,径流越大冲淡水向北-西北方向偏转越明显,同时流轴中心余流流速也显著增大;莱州湾顺时针环流受黄河入海径流影响显著,径流量越大越不利于该环流的发育和维持,而径流量越小环流越稳定;径流量越大导致河口附近海域表层余流加大,余流垂向梯度得到加强,底部补偿流增强,河口垂向环流越明显。     

BCC_CSM对北极海冰的模拟:CMIP5和CMIP6历史试验比较

本文利用北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)在最近两个耦合模式比较计划(CMIP5和CMIP6)的历史试验模拟结果，对北极海冰范围和冰厚的模拟性能进行了比较，结果表明:(1) CMIP6改善了CMIP5模拟海冰范围季节变化过大的问题，总体上更接近观测结果；(2)两个CMIP试验阶段中BCC_CSM模拟的海冰厚度都偏小，但CMIP6试验对夏季海冰厚度过薄问题有所改进。通过对影响海冰生消过程的冰面和冰底热收支的分析，我们探讨了上述模拟偏差以及CMIP6模拟结果改善的成因。分析表明，8?9月海洋热通量、向下短波辐射和反照率对模拟结果的误差影响较大，CMIP6试验在这些方面有较大改善；而12月至翌年2月，CMIP5模拟的北极海冰范围偏大主要是海洋热通量偏低所导致，CMIP6模拟的海洋热通量较CMIP5大，但北大西洋表层海流的改善才是巴芬湾附近海冰外缘线位置改善的主要原因。CMIP试验模拟的夏季海冰厚度偏薄主要是因为6?8月海洋热通量和冰面热收支都偏大，而CMIP6试验模拟的夏季海冰厚度有所改善主要是由于海洋热通量和净短波辐射的改善。海冰模拟结果的改善与CMIP6海冰模块和大气模块参数化的改进有直接和间接的关系，通过改变短波辐射、冰面反照率和海洋热通量，使BCC_CSM模式对北极海冰的模拟性能也得到有效提高。     

基于回归模型的热带气旋条件下的海表降温参数化方案设计

Combining a linear regression and a temperature budget formula, a multivariate regression model is proposed to parameterize and estimate sea surface temperature(SST) cooling induced by tropical cyclones(TCs). Three major dynamic and thermodynamic processes governing the TC-induced SST cooling(SSTC), vertical mixing, upwelling and heat flux, are parameterized empirically using a combination of multiple atmospheric and oceanic variables:sea surface height(SSH), wind speed, wind curl, TC translation speed and surface net heat flux. The regression model fits reasonably well with 10-year statistical observations/reanalysis data obtained from 100 selected TCs in the northwestern Pacific during 2001–2010, with an averaged fitting error of 0.07 and a mean absolute error of 0.72°C between diagnostic and observed SST cooling. The results reveal that the vertical mixing is overall the pre dominant process producing ocean SST cooling, accounting for 55% of the total cooling. The upwelling accounts for 18% of the total cooling and its maximum occurs near the TC center, associated with TC-induced Ekman pumping. The surface heat flux accounts for 26% of the total cooling, and its contribution increases towards the tropics and the continental shelf. The ocean thermal structures, represented by the SSH in the regression model,plays an important role in modulating the SST cooling pattern. The concept of the regression model can be applicable in TC weather prediction models to improve SST parameterization schemes.     

基于CCSM3气候模式的同化模拟试验

基于美国NCAR及其他科学家合作发展的共同气候系统模式CCSM3,利用nudging方法开展了把15 m到465 m的次表层海温同化到该模式的研究。1980—2000年的同化试验结果表明,经过同化得到的模拟结果与实际较为一致,较好的再现了中低纬太平洋海洋和大气的平均特征和随时间演变的规律,但仍存在如海表温度偏高、降水偏强等问题。尤其是在大洋的东边界,陆地地形比较陡峭的地区,通常出现较大的偏差。     

Upper ocean high resolution regional modeling of the Arabian Sea and Bay of Bengal

In this paper, effort is made to demonstrate the quality of high-resolution regional ocean circulation model in realistically simulating the circulation and variability properties of the northern Indian Ocean(10°S–25°N,45°–100°E) covering the Arabian Sea(AS) and Bay of Bengal(BoB). The model run using the open boundary conditions is carried out at 10 km horizontal resolution and highest vertical resolution of 2 m in the upper ocean.The surface and sub-surface structure of hydrographic variables(temperature and salinity) and currents is compared against the observations during 1998–2014(17 years). In particular, the seasonal variability of the sea surface temperature, sea surface salinity, and surface currents over the model domain is studied. The highresolution model's ability in correct estimation of the spatio-temporal mixed layer depth(MLD) variability of the AS and BoB is also shown. The lowest MLD values are observed during spring(March-April-May) and highest during winter(December-January-February) seasons. The maximum MLD in the AS(BoB) during December to February reaches 150 m (67 m). On the other hand, the minimum MLD in these regions during March-April-May becomes as low as 11–12 m. The influence of wind stress, net heat flux and freshwater flux on the seasonal variability of the MLD is discussed. The physical processes controlling the seasonal cycle of sea surface temperature are investigated by carrying out mixed layer heat budget analysis. It is found that air-sea fluxes play a dominant role in the seasonal evolution of sea surface temperature of the northern Indian Ocean and the contribution of horizontal advection, vertical entrainment and diffusion processes is small. The upper ocean zonal and meridional volume transport across different sections in the AS and BoB is also computed. The seasonal variability of the transports is studied in the context of monsoonal currents.     

Development of the current induced by the topographic heat accumulation (I)

Some numerical experiments were made to examine the possibility of large anticlockwise circulation at Lake Biwa in summer caused by horizontally uniform heat flux across the lake surface. Flow is induced by the “topographic heat accumulation effect” due to the non-uniform water depth. To evaluate this flow, an axisymmetric model basin is used. Dependence of the magnitude of velocity on the horizontal and vertical Ekman numbers is also investigated. If the heating continues as long as the vertical diffusion time, fairly large velocity is created indicating a possibility that this is the origin of the lake current.     

全球海洋碳循环三维数值模拟研究

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO₂为283×10-6条件下,积分3 100 a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO₂浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO₂的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO₂的源区。在1980s海洋吸收CO₂速率(以C计)为1.38 Pg/a,1990s为1.55 Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000 m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。