基于GIS 的南海中尺度涡旋典型过程的特征分析

以具有复杂时空演变过程的海洋中尺度涡旋为研究对象,以定量表达和组织涡旋典型过程案例为前提,基于Global NLOM(Naval Research Laboratory Layered Ocean Model)所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表层海流场,对海洋中尺度涡旋进行综合辨认和动态跟踪。以南海为例,通过提取涡旋典型过程中的典型状态,建立中尺度涡旋典型案例库。然后以库中所有过程案例为对象对涡旋进行GIS(Geographic Information System)时空特征分析。所得结果为:(1)南海中尺度涡旋整体上呈东北-西南向分布,涡旋水平移动速度为3~16 cm/s,平均速度为8.4 cm/s。(2)大部分涡旋向西移动。春夏季涡旋主要向西北方向移动,秋冬季涡旋主要向西南方向移动。(3)南海东北部涡旋主要集中在9~10月以及次年的1~2月发生,涡旋先向西北方向移动,后又转向西南方向移动,大部分中尺度涡旋不能西移太远。南海中部气旋涡主要发生在冬、春两季。一部分涡旋沿陆坡向西南运动,其中一些反气旋涡沿南海海盆向西运动。南海东南部在研究期内只有反气旋涡出现,向西或西北偏西运动,这里的涡旋比较弱,但移动距离较长,也有较长的生命周期。南海西南部夏季出现的涡旋多于冬季,且夏季的绝大部分涡旋以偶极子结构出现,该区域涡旋移动的距离较小。该研究引入GIS技术,基于大量时空数据对具有复杂时空特征的中尺度涡旋的信息进行组织、存储,以期通过对涡旋生消过程的时空分析来揭示其演变规律,为进一步研究海洋涡旋的空间推理预测奠定了坚实的基础。     

黑潮延伸体海域典型涡旋的次中尺度特征分析*

本文基于卫星遥感资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模拟结果, 对黑潮延伸体海域典型中尺度涡旋的次中尺度特征进行了探讨。卫星观测和模拟结果显示, 黑潮延伸体涡旋海域伴随着活跃的次中尺度现象。涡旋演变与多尺度能量分析结果表明, 涡旋海域次中尺度动能的强弱与涡旋海域地转流动能有着密切联系, 锋生可能是涡旋边缘次中尺度动能增强的重要机制。次中尺度现象在中尺度涡旋海域具有沿地转流方向的复杂涡丝状结构特征, 意味着涡旋边缘较强的水平浮力梯度和地转流侧向剪切为次中尺度过程形成与发展提供了有利条件。此外, 垂向结构分析表明, 次中尺度过程能引起较大的垂向速度, 最大可达100m·day^-1, 该垂向速度可以影响至混合层下200m深度处, 对海洋内部的垂向物质能量交换、海—气相互作用等有着重要的影响。     

冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究

南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构,海洋中尺度涡旋的演变(时间上的生消和空间上的迁移)是南海环流季节调整的可能方式。文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实,采用一个改进了涡分辨(eddy-resolving)普林斯顿海洋模式(POM),对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究,初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史。计算结果表明,在实际的气候冬季风应力驱动下,具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋。文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构。由此可以得知,在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段,上述动力学因子的重要性是相对的。不同的敏感性试验表明,斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子;边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素。     

基于客观方法的海洋三维涡旋核心线提取

涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素,涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋物质能量垂直运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和准则,提出了使用客观化的流场参数得到区域,并提取其山谷线作为涡旋核心线的方法,实现了对海洋三维结构中尺度涡旋核心线的提取和可视化。首先,引入了最优局部参考系,使速度、速度梯度等测度转换为在运动的参考系下保持不变的客观量,提升了在海洋科学实践中的可靠性和实用性。其次,针对含有垂向速度的海洋三维流场数据,计算其空间雅可比矩阵,展示了涡旋核心区域的三维结构,实现了海洋涡旋研究从二维到三维的提升。最后,分别在多个半径大小播撒流线种子点,分析不同旋转方向的涡旋,对已提取的涡旋核心线实验结果进行验证,证明了客观海洋三维涡旋核心线提取方法的有效性及可行性。     

冬季黑潮延伸体区域涡旋尺度海面温度季节内变化特征

利用ERA_interim再分析资料以及OISST高分辨率海面温度(Sea surface temperature,SST)卫星观测数据,通过小波分析、二维模态相关(Pattern correlation)等方法系统地分析了黑潮延伸体区域涡旋尺度SST信号的季节内变化特征。发现涡旋尺度SST季节内变化信号在冬季最强、夏季最弱。该信号主要分布在黑潮-亲潮海洋锋面区域,在日本沿岸振幅最强、并沿黑潮、亲潮锋面向东延伸,其标准差高达1℃,是该海域冬季SST的重要变化信号。涡旋尺度SST的季节内变化周期以40～100 d周期为主,会引起大气边界层的响应,激发海气界面湍流热通量、海面气温、边界层高度等同位相的季节内变化。在该区域涡旋信号较强个数较多的时间段SST异常的季节内变化信号更明显,边界层大气与涡旋尺度SST季节内变化信号的相关程度更大。     

多重分形方法在涡旋遥感信息处理提取中的应用研究

目前提取遥感影像中的涡旋信息主要用边缘探测技术,例如Canny算子和Hough算子等,然而由于涡旋信息和遥感影像本身的复杂性和模糊性,用传统的方法不能取得理想的提取结果.基于多重分形技术,利用海洋涡旋信息的物理特征时空形态的自相似性来提取涡旋,用NASA MODIS,Sea WiFS和NOAA在典型海区如边界流的卫星影像进行试验,研究结果表明,用多重分形方法获取的涡旋信息非常有利于对海洋涡旋的深刻认识和分析研究.     

基于传输函数标准形态模式的海洋涡旋温盐和压力异常三维结构交互可视化

随着海洋观测技术和海洋数值模拟技术的发展,海洋学家已经能够获取海量的时空连续的海洋数据。但目前人们对于三维海洋大数据缺乏高效的交互可视探索手段,因此,利用科学可视化技术展现海洋数据,以及更深一步地挖掘时空数据规律是建立对海洋大数据从感知到认知的关键技术桥梁。本文利用体绘制技术从传输函数特征点数量、特征颜色映射以及表现特征的线型三个方面,设计针对海洋温盐异常数据以及压力异常数据的传输函数标准形态模式,能够直观有效地表现海洋涡旋温盐和压力异常三维结构。本文优化了球面光线投射算法,在保证绘制质量的情况下,实现了大规模海洋三维涡旋实时交互展示;同时实现了三维数据的内部漫游功能,能够更加清晰且完整地表现局部海洋涡旋的三维结构。通过可视分析发现,处于黑潮延伸体附近的气旋涡(CE, Cyclone Eddy)温度异常呈“上正下负”的三维结构;由于涡旋引起的海水升降运动,部分反气旋涡(AE, Anticyclone Eddy)盐度异常呈现出“上正下负”的三维结构;相较于温盐异常结构,海洋涡旋压力异常结构轮廓更为清晰且不会出现上下不一致的情况。     

基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性分析

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km, 时间尺度约为1天, 里查森数和罗斯贝数为0(1), 能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级, 并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果, 采用方差椭圆方法, 评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征, 并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明, 黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域, 主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域, 各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系, 表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制, 较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。     

基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性析分

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1～10km,时间尺度约为1天,里查森数和罗斯贝数为(1),能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级,并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为～500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果,采用方差椭圆方法,评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征,并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明,黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域,主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域,各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系,表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制,较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。     

台风-涡旋相互作用研究进展

台风轨迹和强度的预报一直备受关注,也是大气和海洋学家最为关注的科学问题之一。近些年,随着观测技术和计算机模拟的快速发展,发现海洋中尺度过程和台风有紧密的联系。本文针对该主题进行简要回顾和总结, 主要侧重2个方面：①台风如何影响海洋中尺度过程？强调了地转过程的重要性和高度计观测对台风影响涡旋的低估;②海洋中尺度过程如何影响台风？强调了冷暖涡的不同以及位置不同对台风强度的影响。在此基础上,探讨台风-涡旋相互作用研究中尚未解决的问题：涡旋对台风的三维响应、多涡对台风的综合效应、时间尺度匹配和海气通量等。     

热带西太平洋北赤道逆流区涡旋统计分析

随着海洋技术的发展,中尺度的海洋过程越来越多的被揭示,中尺度涡旋作为重要的中尺度海洋过程,已经被大量的研究。但对于热带西北太平洋海区,中尺度涡旋特征的空间分布、季节变化以及移动规律等方面的研究还有所欠缺。本文使用Chelton提供的涡旋数据集,统计分析了热带西北太平洋海区涡旋特征的空间分布,发现以往研究较少的北赤道逆流(North Equatorial Countercurrent,NECC)区(A海区,120°~180°E,4°~6°N)较临近海域生成涡旋数量更多,涡旋半径、振幅、生命周期及非线性强度更大,移动距离更远,并且A海区涡旋经向移动距离服从伽马分布。涡旋在靠近西边界的区域更易向南移动,而在西边界以东的区域更易向北移动。A海区涡旋的生成数量具有明显的季节变化,主要受到流场剪切强度的影响。同时ENSO会对该区涡旋生成产生影响,其影响机制需要进一步的研究。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

中国近海及其附近海域若干涡旋研究综述Ⅱ.东海和琉球群岛以东海域

综述东海和琉球群岛以东海域若干气旋型和反气旋型涡旋的研究.对东海陆架、200m以浅海域,主要讨论了东海西南部反气旋涡、济州岛西南气旋式涡和长江口东北气旋式冷涡.东海两侧和陆坡附近出现了各种不同尺度的涡旋,其动力原因之一是与东海黑潮弯曲现象有很大关系,其次也与地形、琉球群岛存在等有关.东海黑潮有两种类型弯曲:黑潮锋弯曲和黑潮路径弯曲.黑潮第一种弯曲出现了锋面涡旋,评述了锋面涡旋的存在时间尺度与空间尺度和结构等;也指出了黑潮第二种弯曲,即路径弯曲时在其两侧出现了中尺度气旋式和反气旋涡,讨论了它们的变化的特性.特别讨论了冲绳北段黑潮弯曲路径和中尺度涡的相互作用,着重指出,当气旋式涡在冲绳海槽北段成长,并充分地发展,其周期约在1~3个月时,它的空间尺度成长到约为200km(此尺度相当于冲绳海槽的纬向尺度)时,黑潮路径从北段转移到南段.也分析了东海黑潮流量和其附近中尺度涡的相互作用.最后指出在琉球群岛以东、以南海域,经常出现各种不同的中尺度反气旋式和气旋式涡,讨论了它们在时间与空间尺度上变化的特征.     

基于传输函数的二/三维全时空连续海洋中尺度涡旋流场实时可视化

海洋中尺度涡旋可视化可以将海洋中尺度涡旋的运动规律以图形图像等直观的方式加以展现,是研究海洋中尺度涡旋强有力的工具。然而,现有的可视化方法存在一些不足,如时空连续可视化框架中的流线不能表现全时空连续的运动过程,应用到海洋涡旋提取的特征值受阈值影响严重,交互式传输函数依赖用户经验等。为解决已有的不足,本文首次提出了全时空连续框架和传输函数标准形态模式,将基于区域的涡旋提取技术(?准则)应用到海洋中尺度涡旋可视化中,并提出了全时空连续可视化框架二维及三维的GPU实现方案。实验结果表明,本文的可视化方案达到了实时可交互的级别,对于海洋中尺度涡旋交互式可视化具有重要意义。     

黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化研究

近年来的现场观测和理论研究发现, 次中尺度现象广泛存在于上层海洋, 其产生与锋生作用及混合层斜压不稳定存在密切联系。本文利用高分辨率的数值模拟结果并结合动力学及能量诊断分析, 对黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化进行了探讨。探讨结果表明, 黑潮延伸体海域次中尺度过程具有冬季最强, 春季和秋季次之, 夏季最弱的显著季节变化特征。基于冬、夏季次中尺度能量源的诊断可以看到, 这些季节变化特征主要与上层海洋的斜压不稳定和锋生作用有关。冬季, 黑潮延伸体海域的中尺度能量较弱, 但次中尺度过程在季节尺度上表现最为活跃, 这主要与混合层斜压不稳定的作用有关; 夏季, 黑潮延伸体海域的混合层较浅, 次中尺度过程较弱, 但中尺度涡旋活跃, 中尺度流场变形引起的锋生作用对夏季次中尺度现象的产生具有重要影响。在次中尺度能量的季节变化方面, 冬季次中尺度过程从中尺度过程汲取能量的速率远高于夏季, 这是冬季次中尺度过程比夏季更为活跃的主要原因。本文研究结果有助于加深对黑潮延伸体海域次中尺度过程季节性变化及其动力机制的理解。     

基于卫星测高数据的海洋中尺度涡流动态特征检测

为了最终实现对海洋中尺度涡流(简称中尺度涡)的自动采样,首先应该发展中尺度涡动态特征识别技术。本文基于SLA(Sea Level Anomaly)数据,实现了对中尺度涡动态特征的检测算法。主要内容是制定了一个判别相邻两组SLA数据中的涡流,是否为同一涡流子在不同时刻的状态的标准,即判别下一时刻SLA数据中是否存在涡流是由上一时刻确定的被检测涡流演化而来的。通过确定这种进化关系,可以得到被检测涡流的一系列动态状态信息,例如:面积变化速率、中心移动情况以及其他情况。本算法的计算量不大,从而可以应用到实时涡流跟踪的环境中。值得注意的是,本文中的算法不仅仅局限于应用SLA数据,SSH(Sea Surface Height)等大部分反映海洋高度的数据也可以使用。     

基于海调实测资料的中尺度冷涡的会聚区声传播特征诊断

海洋中尺度涡能够使声能空间分布不均,进而对水声设备、水下兵器使用和潜艇战造成重大影响。本文基于2014年西太平洋海调中尺度涡观测资料,首先对该涡旋的三维结构特征进行研究,得出此为黑潮延伸体海域典型的气旋式冷涡。然后利用抛物方程水声数值模型仿真研究该中尺度涡对声传播损失的影响。研究表明:中尺度涡引发的海洋声速场水平扰动对水声场空间分布特征造成巨大影响,冷涡使得会聚区的位置前移,宽度减小,增益效能增强;声在中尺度涡边传播时,涡边会聚区较涡心会聚区的位置后退,宽度加大,增益效能减弱。     

基于Argo温度异常剖面的海洋涡旋无监督分类方法研究

本文利用涡旋内温度异常剖面对黑潮延伸体区域的涡旋进行分类与分析。基于卫星高度计识别的涡旋数据和与涡旋时空匹配的Argo浮标温度异常剖面数据,本文提出了一种优化的高斯混合模型无监督聚类方法实现涡旋内Argo浮标温度异常剖面的自动聚类,进而实现与剖面时空匹配涡旋的自动分类。实验结果表明,相同类型的Argo温度异常剖面呈现出明显的空间聚集效应,而不同类型的Argo温度异常剖面则在空间上相互分离,与表层(次表层)温度异常剖面相匹配的涡旋主要分布在黑潮延伸体的北部(南部)。相较于直接利用区域范围对涡旋进行分类的方法,本文所提出的涡旋分类方法更为客观,合成分析特定类型涡旋的水下结构也更为合理。     

理想台风驱动的涡旋对吕宋海峡黑潮影响的数值研究*

吕宋海峡以东即北太平洋热带地区常年存在着大量的涡旋,这些涡旋在向西运动的过程中遇到吕宋海峡黑潮后是否会穿越黑潮进入南海值得研究。文章用数值模式来模拟吕宋海峡的黑潮以及吕宋海峡以东的众多涡旋,结果表明没有一个涡旋可以穿越吕宋海峡进入南海。在此基础上引入了一个理想台风风场,通过风应力旋度的形式驱动出强劲的气旋式和反气旋式涡旋,这两个涡旋分别添加在源区黑潮附近,也是在源区黑潮流量最小的8月。以往研究表明,黑潮流量小而涡旋强劲的时候涡旋容易穿越吕宋海峡进入南海,但由何种原因产生的涡旋可以穿越吕宋海峡难以确定;而文章的数值计算结果表明,即使在黑潮较弱的夏季8月,由风应力旋度产生的中尺度涡,无论是气旋式还是反气旋式,都受到了吕宋海峡的阻挡而难以穿越。     

基于船载和遥感的黑潮延伸体海域典型强中尺度冷涡演变及结构分析

海洋涡旋携带着极大的能量,然而缺乏足够的现场观测数据,对于中尺度涡的认识还很不完整.本文基于船舶观测和卫星遥感数据研究了 2019年上半年西北太平洋黑潮延伸体区域(25°～40°N,130°～160°E)唯一一个存活天数超过150 d的典型强中尺度冷涡的涡旋特征:其平均半径58.37 km,平均涡能量密度达4.7×10...