基于卫星漂流浮标的南海表层海流观测分析

基于1989~2013年的卫星跟踪漂流浮标资料和1993~2012年的卫星高度计资料,分析了南海表层流场,给出南海各季节多年平均的实际流场和地转流场结构,对南海实际流和地转流的季节变化特征进行了初步探讨,并比较了南海各季节表层实际流场和地转流场的异同。结果表明,南海海域各季节上层环流结构与海域季风关系密切,实际流场和地转流场总体均呈现显著的季节变化特征。通过比较发现,在夏、秋、冬这3个季节,实际流场和地转流场大的环流形势特征基本相同,中小尺度的环流特征有所差别;在春季,两者则呈现出相反的环流特征,环流特征差异明显。     

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。     

基于Argo资料的北太平洋绝对地转流计算

针对海洋实测流速资料极其匮乏的事实, 利用2004 年1 月~2009 年12 月月平均的Argo 温盐格点资料, 结合改进的P-vector 方法重构北太平洋绝对地转流流场。与卫星高度计和实测流速的比较以及相关性分析表明, 重构的绝对地转流是可信的, 可以用来研究不同大尺度环流特征及其动力结构。可以为研究海洋动力过程和气候变化提供一套有用的流场数据。     

利用卫星测高、GRACE和GOCE资料估计全球海洋表面地转流

重力恢复和气候试验GRACE(gravity recovery and climate experiment)卫星极大地提高了地球重力场的精度和分辨率,特别是中长波分量,联合卫星测高数据可获得全球海洋表面大尺度洋流循环。另外,新一代地球重力和海洋环流探测卫星GOCE(gravity field and steady-state ocean circulation explorer)于2009年3月成功发射,采用卫星重力梯度测量原理,对重力场的高频部分非常敏感,使其高分辨率监测全球海洋循环成为可能。本文利用1~7年GRACE观测数据确定的重力场模型和18个月GOCE观测数据确定的地球重力场模型GO_CONS_GCF_2_TIM_R3,联合卫星测高确定的平均海面高模型MSS_CNES_CLS_11,分别估计全球海洋表面地转流,并且与实测浮标数据结果进行比较。分析表明GOCE重力卫星确定的重力场模型具有更高的空间分辨率,能够确定高精度和高空间分辨率的全球海洋地转流,如墨西哥湾暖流的细节和特征,并且与实测浮标结果基本一致。而基于1~4年GRACE观测资料的模型不能很好估计全球地转流特征,基于7年GRACE观测资料的重力场模型ITG-Grace2010s确定的全球地转流的精度仍低于18个月GOCE观测数据确定的地球重力场模型GO_CONS_GCF_2_TIM_R3的结果,估计的全球地转流仍含有较大的噪声,不能很好地反应中小尺度地转流细节特征。并计算ITG_Grace2010s和GOCE_TIM3的稳态海面地形和全球平均地转流的内符合精度,结果显示,在全球范围内,GOCE_TIM3的稳态海面地形和全球平均地转流的精度都比ITG_Grace2010s结果的精度有着很大的改善,其中ITG_Grace2010s的稳态海面地形的精度为21.6cm,而GOCE_TIM3的结果则为7.45cm,ITG_Grace2010s的全球平均地转流的精度为40.7cm/s,而GOCE_TIM3的结果则为19.6cm/s。     

基于卫星遥感数据的全球表层流场反演重构

利用2000~2008年的卫星高度计资料和QuikSCAT风场资料,反演了全球的海表的地转流和Ekman流,将两者合成后生成了0．5°×0．5°的逐周全球表层流产品。在计算Ekman流的时候,引入了权重函数,改进了Lagerloef方法中Ekman流在25°S和25°N上的不连续问题。分析表明：卫星资料反演的流产品能够反映出海表流场的特征,将其分别于TAO观测和SGUD流产品进行定量化的比较显示,所得流产品具有较高的反演精度和可信度,说明改进的方法是有效的。     

基于卫星遥感数据的全球表层流场反演重构

利用2000—2008年的卫星高度计资料和QuikSCAT风场资料,反演了全球的海表的地转流和Ekman流,将两者合成后生成了0.5°×0.5°的逐周全球表层流产品。在计算Ekman流的时候,引入了权重函数,改进了Lagerloef方法中Ekman流在25°S和25°N上的不连续问题。分析表明:卫星资料反演的流产品能够反映出海表流场的特征,将其分别与TAO观测和SCUD流产品进行定量化的比较显示,所得流产品具有较高的反演精度和可信度,说明改进的方法是有效的。     

根据漂流浮标资料对黑潮15m层流路及流轴特征的分析

利用1979-02—2012-03共33a的水帆位于15m层的Argos漂流浮标资料,绘制黑潮流系15m层的多年年平均和月平均流场,运用特征线方法计算得到黑潮流轴,定义黑潮流动路径的边界为流速大小20~30cm/s的过渡性区域。结果显示:黑潮多年年平均流路大致是一个以(13°30′N,142°00′E)为圆心、2 235km为半径的直角弧段,其在吕宋海峡、台湾东北、九州西南及伊豆海岭附近海区发生气旋式弯曲前先进行反气旋式弯曲调整,弯曲处出现的路径开口主要是支流的并入或分支的流出;黑潮流轴整体性偏向黑潮左边界,其中在吕宋岛东北至台湾以东海域最为显著,在本州岛以南海域次之,而在东海段基本居中;黑潮流路上的流速在总体上由南向北呈增大趋势,但并非沿流路持续性逐渐增加,而是呈现出较平直流段的大流速区和弯曲调整流段的低流速区相互交错的状况,其中四国岛以南至伊豆诸岛以西流段的流速为最大。多年月平均流场显示,2月,5月,8月和11月这4个月份是黑潮流路和流轴发生变化的重要转折期,而1月,4月,7月和10月这4个月份则是各季节的代表月份。其中,冬季月份的黑潮流路和流轴最为曲折,向边缘海发生显著入侵;夏季月份的黑潮流路和流轴最为平直,左侧伴随有北向流动;春、秋两季的过渡性特征则比较明显。     

海表温度与地转流融合的黑潮斜压性锋检测方法

由黑潮形成的海洋锋斜压性强,对海洋中的声传播带来极大影响,从而对各种依赖声学性质的海洋探测设备的使用造成极大影响,确定黑潮斜压性锋的位置和强度对海洋渔业和军事应用具有重要的意义。通过对海表温度梯度数据和地转流数据的分析,将海表温度梯度与地转流进行融合,从而检测黑潮流边缘的大温度梯度海洋锋。通过对实际数据的试验,说明了融合算法的原理、算法步骤和黑潮斜压性锋检测结果。试验数据表明,文中提出的融合算法能够很好地检测黑潮斜压性锋位置,同时提取其强度,与采用海面温度或地转流数据单一数据源检测相比,文中所述的方法检测位置准确,虚警率低,与文献报道的黑潮位置更为吻合。     

太平洋东南海域表层地转流场的季节及年际变化特征

利用1992~2001年Topex/Poseidon卫星高度计遥感资料分析了太平洋东南海域(5°~55°S,70°~120°W)表层流场的季节及年际变化特征。结果表明,南赤道流的季节变化主要体现在流速上,而秘鲁海流和西风漂流主要体现在流轴位置的移动上。表层流场的年际变化受El Nino影响,在El Nino期间,南赤道流和秘鲁海流均发生流向偏转现象,大部分海区流场被削弱(除低纬度海区外),而在其后的1998年La Nina期间,流场则重新被加强,西风漂流无明显的年际变化。     

入侵南海的黑潮流套及其脱落涡旋

将2003年、2004年和2005年秋、冬季在吕宋海峡投放的卫星跟踪漂流浮标(Argos)资料用于分析黑潮通过吕宋海峡时的流型。结果表明,秋、冬季黑潮表层流存在3种类型:北向型、西向型和流套-涡旋型,后两种入侵南海。统计分析指出吕宋海峡表层流进入流套-涡旋型路径的概率为0.23,黑潮流套的纬向尺度最大达210km,仅发生在恒春海脊西侧的台湾岛西南海域。黑潮流套仅是黑潮流分离的一部分,而非黑潮整体蛇形入侵南海,这与墨西哥湾的蛇形流不一样。在流套内西向流速大于东向流速,这可能是流套西向发展的原因之一,黑潮流套常可演变成脱落涡旋,也可能就地消亡。脱落涡旋以约10cm/s速度西移。     

高度计资料监测日本以南黑潮主轴特性的变化

应用1993年至2001年TOPEX／Poseidon(以下简写为T／P)卫星高度计3条下行轨道的沿轨资料，计算分析了日本以南黑潮主轴的摆动特性，发现在1993年和2000—2001年010轨道上有2次空间尺度较大、持续时间较长的弯曲。黑潮处于平直路径时流速比较大；呈稳定弯曲状态时流速与多年平均值相差不大；而黑潮在两种稳态之间转换时，伴随着流速负距平的出现。     

Comparison of Kuroshio surface velocities derived from satellite altimeter and drifting buoy data

Sea-surface geostrophic velocities for the Kuroshio region calculated from TOPEX/POSEIDON altimetry data together within situ oceanographic data are compared with surface velocities derived from drifting buoy trajectories. The geostrophic velocities agree well with the observed velocities, suggesting that the Kuroshio surface layer is essentially in geostrophic balance, within measurement error. The comparison is improved a little when the centrifugal acceleration is taken into account. The observed velocities are divided into the temporal mean and fluctuation components, and the partitioning of velocities between these two components is examined. For the Kuroshio region, most of the fluctuation components of the velocities derived from drifting buoys are found to be positive. This result suggests that Eulerian mean velocities for the Kuroshio region estimated from drifting buoy data tend to be larger than actual means, due to the buoy’s tendency to sample preferentially in the high-velocity Kuroshio.     

基于20年卫星高度计数据的黑潮变异特征分析

本文基于改进的特征线方法,利用1992~2012年间的高度计绝对动力地形数据提取了整个黑潮流区逐月的黑潮主轴和边界位置,并对黑潮沿轴速度、主流宽度、表层水体输运以及路径标准差等黑潮特征量进行了分析研究。结果表明黑潮整体的沿轴速度在夏秋季较大,最大值可达0.95m/s,而在冬季的速度较小;黑潮主流宽度在10、11月份达到最大值;黑潮表层水体输运在夏季最大,春秋两季次之,冬季最小。沿黑潮流路分区域对黑潮特征进行分析,结果表明,越往黑潮下游,黑潮的沿轴速度、主流宽度和表层水体输运越大,同时沿轴速度和表层水体输运量最大值出现的时间也越晚,黑潮主轴位置相对于其多年平均的偏离程度越大,且随时间波动也越强烈。     

日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态关联性的定量分析

日本南部黑潮存在多种路径模态:近岸非大弯曲路径、离岸非大弯曲路径和大弯曲路径。黑潮延伸体的路径存在两种典型模态:收缩态和伸展态。从地理位置看, 日本南部黑潮和黑潮延伸体是相邻的, 但它们的路径状态是否存在关联一直存在争议。本文基于卫星观测的海表高度资料和长期的海洋高分辨率再分析资料, 对日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关联性进行定量分析, 结果表明:日本南部黑潮和黑潮延伸体的路径状态存在一定的关联。当日本南部黑潮处于近岸非大弯曲和大弯曲路径时, 黑潮延伸体主要处于伸展态; 当日本南部黑潮处于离岸非大弯曲时, 黑潮延伸体处于伸展态和收缩态的比例相当。进一步分析表明, 黑潮流轴处于伊豆海脊的位置部分决定了上述关系, 可能存在其他因素调制了两者的关联性。     

黑潮近岸分支流在2017年9月与2019年9月差异的研究

通过对比2017年9月和2019年9月的温盐大面观测数据,发现东海陆架上黑潮近岸分支流的路径在两次观测中存在显著差异。2019年9月黑潮近岸分支流中上游的路径相较2017年9月明显的东向偏移,造成黑潮次表层水入侵东海近岸海域的强度较弱。为了探究黑潮近岸分支流的上述显著年际差异的原因,利用卫星高度计数据和再分析风场数据,通过分析大面观测同期的绝对海表动力高度、地转流场以及海表风场的差异,阐述了黑潮近岸分支流路径产生显著年际差异的动力机制。2019年8—9月东海海表较2017年8—9月盛行更强的西南向沿岸季风,强的西南向沿岸风通过埃克曼输运促使水体向岸堆积并在近岸区域沿岸西南向堆积。因此, 2019年8—9月东海近岸海域的跨岸方向压力梯度与2017年8—9月相比较小而沿岸压力梯度则较大。2019年8—9月,受压力梯度分布的影响,东海近岸海域产生西南向的沿岸地转流和离岸地转流。其中西南向的沿岸地转流会在底部生成离岸的底埃克曼流,离岸底埃克曼流和离岸地转流共同抑制了黑潮近岸分支流的向岸入侵。这导致2019年9月黑潮近岸分支流的路径向东偏移,黑潮次表层水入侵浙江近海及长江口区域的强度随之减弱。通过分析研究实际观测案例,阐述了风影响黑潮近岸分支流入侵东海近岸海域的动力机制,同时明确指出海表风场会从黑潮近岸分支流的中上游区域改变其路径,进而对黑潮入侵东海近岸海域产生重要影响。     

Comparison of surface velocities determined from altimeter and drifting buoy data

Surface velocities determined from trajectory of a drifting buoy from March through November 1987 are compared with surface geostrophic velocities determined from sea surface dynamic topography (SSDT) obtained from altimetry data with the aid of long-term hydrographic observation data. In general, these velocities show similar temporal variations in both zonal and meridional components, except in a period when obvious error is found in the altimetric SSDT field. When the buoy was trapped by several mid-ocean meso-scale eddies, the comparison is especially good. Systematic discrepancy is found, however, when the buoy was in the Kuroshio region, because of using both temporally and spatially smoothed mean SSDT estimated from hydrographic data; instead, surface geostrophic velocities determined from the altimetric SSDT referred to the improved geoid model result in better comparison.     

Estimating the Kuroshio Axis South of Japan Using Combination of Satellite Altimetry and Drifting Buoys

By tracking the locally strongest part of the sea-surface velocity field, which was obtained by integrating data of satellite altimeters and surface drifting buoys, we extracted the Kuroshio axis south of Japan every 10 days from October 1992 to December 2000. The obtained axes clearly express the effect of the bottom topography; three modes were observed when the Kuroshio ran over the Izu Ridge. The axis was very stable to the south of ‘Tosa-bae,’ off the Kii Channel. Mean current speed at the Kuroshio axis gradually increased from 0.65 m/s south of Kyushu to 1.45 m/s off Enshu-nada. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

南海的季节环流─TOPEX/POSEIDON卫星测高应用研究

应用1992～1996年的TOPEX/POSEIDON卫星高度计遥感资料,研究了冬、夏季风强盛期多年平均的南海上层环流结构。研究结果表明,南海上层流结构呈明显的季节变化,在很大程度上受该海区冬、夏交替的季风支配。冬季总环流呈气旋型,并发育有两个次海盆尺度气旋型环流;夏季总环流大致呈反气旋型、但在南海东部18°N以南海域未见明显流系发育。研究还表明,南海环流的西向强化趋势明显,无论冬、夏在中南半岛沿岸和巽他陆架外缘均存在急流,其流向冬、夏相反,是南海上层环流中最强劲的一支。鉴于该海流的动力特征与海洋动力学中定义的漂流不同,有相当大的地转成分,建议称为“南海季风急流(South China Sea MonsoonJet)”.冬季南下的季风急流在南海南部受巽他陆架阻挡折向东北,沿加里曼丹岛和巴拉望岛外海有较强东北向流发育。夏季北上的季风急流在海南岛东南分为两支:北支沿陆架北上,似为传统意义上的南海暖流;南支沿18°N向东横穿南海后折向东北;二者之间(陆架坡折附近)为弱流区。两分支在汕头外海汇合后,南海暖流流速增强。就多年平均而言,黑潮只在冬季侵入南海东北部,并在南海北部诱生一个次海盆尺度的气旋型环流,这时南海暖流只出现在汕头以东海域.夏季南海北部完全受东北向流控制,未见黑潮入侵迹象.用卫星跟踪海面漂流浮标观测进行的对比验证表明,以上遥感分析结果与海上观测一致。     

Movement of the Kuroshio axis to the northeast shelf of Taiwan during typhoon events

We investigated the movement of the Kuroshio axis on the northeast shelf of Taiwan associated with the passage of typhoons, using sea surface current data observed by the ocean radar system on Yonaguni and Ishigaki islands. First, we examined daily Kuroshio axis variation on the northeast shelf of Taiwan during typhoon events. The ocean radar data showed that the Kuroshio axis moved onto the shelf after passages of typhoons. The Kuroshio moved onto the shelf and stayed there after the passage of Typhoon Hai-Tang; while the Kuroshio maintained this pattern, southerly wind blew continuously for 4 days. The mean current speed northeast of Taiwan after the typhoon's passage increased by 18 cm s⁻¹. In addition, the sea level difference between two satellite altimetry tracks east of Taiwan increased by 14.4 cm. These results suggest that coastal upwelling east of Taiwan caused by the southerly wind generated an east–west sea level difference that, in turn, generated a northward geostrophic current. This current could have enhanced the Kuroshio east of Taiwan, and pushed it onto the shelf.     

Monitoring Surface Velocity from Repeated ADCP Observations and Satellite Altimetry

A method has been developed to monitor the surface velocity field by combining repeated acoustic Doppler current profiler (ADCP) observations and satellite altimetry data. The geostrophic velocity anomaly is calculated from the sea surface height anomaly field estimated from the altimetry data by an optimal interpolation. It has been confirmed that this accurately observes the smoothed velocity anomaly field when the interpolation scales are set according to the spatio-temporal sampling pattern of the altimeter used. The velocity anomaly obtained from the altimetry data is subtracted from the repeated ADCP observations to estimate temporal mean velocity along the ship tracks. Regularly sampled, nine-year time series of surface velocity can then be obtained by adding the computed mean velocity and the altimetry anomaly components. This clearly illustrates surface velocity fluctuations such as the movement of the Kuroshio axis due to its meandering and an increase of the interannual variability of the Subtropical Countercurrent toward its downstream region. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.