涡分辨率的南海区域海洋环流模式构建技术研究

针对复杂海洋中尺度现象模拟仿真的技术难题,利用区域海洋环流模式ROMS,通过模式的网格构建、地形处理以及模式的初始场和强迫场处理技术,构建出一套涡分辨率南海区域海洋环流模式。通过模式模拟结果与卫星遥感实测资料等对比,发现该模式能够较好地模拟出南海涡旋及其引发的海温异常等海洋中小尺度过程,说明该模式可作为研究复杂海洋中尺度现象影响海军武器装备效能的环境数值仿真手段。     

南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

“选尺度资料同化”方法在海洋数值模拟中的应用:对一次西沙强暖涡过程的模拟试验

"选尺度同化"(SSDA)方法是指在资料同化中考虑观测资料和模式变量的多尺度特征,选择性地对模式变量在某一尺度上进行调整同时保持在其他尺度上不变。为检验该方法在海洋资料同化中的应用效果,以2010年8月南海西沙群岛海域出现的强暖涡(称为西沙暖涡)为试验对象,对比了同化卫星高度计海表高度资料及其反演的地转流对暖涡的改善效果,其中对地转流的同化采用了两种同化方法,即采用和未采用选尺度同化方法。各个试验结果对比表明,同化海表高度和利用选尺度同化方法同化地转流均能改善对西沙暖涡的模拟,两者同时同化对西沙暖涡模拟的改善最显著。其中,同化海表高度是通过压力场调整速度场,对西沙暖涡的范围改善更显著;选尺度同化方法则通过速度场调整压力场,有利于维持海水向暖涡中心的辐合,对暖涡强度模拟效果更好。此外,不采用SSDA方法同化地转流(即不对模式流场进行尺度分离)的试验模拟效果最差,原因在于通过地转流直接调整整个流场会抑制小尺度流场(非地转流部分)的自由发展。     

AVISO卫星高度计新版产品改进对南海海洋学研究的影响

以南海为例,从海面高度异常的气候态、海面高度异常的年际变化和地转流算法等3个方面,探讨了AVISO新版高度计资料的几点重要改进对南海海洋动力学研究的影响。研究表明:新版资料对于南海重要海洋现象和海面高度异常的年际变化的刻画效果要优于旧版资料。分析结果对于构建南海海平面变化的预测模型和分析南海中尺度涡的时空变化规律都具有一定的参考价值。     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E，15°S~45°N，包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场，在预报开始之前，分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法，海浪模式同化了Jason-2有效波高数据；海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟，我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段，首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟，强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠，可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。     

南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统简介

面向社会需求,建立覆盖南海及周边海域的高分辨率风-浪-流耦合同化数值预报与信息服务系统。系统包含耦合同化数值预报模式、海洋动力环境数据库与可视化平台两部分。其中,耦合同化数值预报模式由中尺度大气数值预报模式、海浪数值预报模式和区域海洋环流数值模式,在C-Coupler耦合器中进行耦合,引入集合调整Kalman滤波同化模块,在耦合预报前进行大气、海浪和海流的同化后报模拟,为耦合预报模式提供更为精确的初始场。预报结果经海洋动力环境数据库和可视化平台处理后,通过二维和三维可视化展示,向用户提供直观的南海及周边海域海洋环境预报产品。     

南海中尺度涡强度的季节和年际变化分析

为了研究南海中尺度涡强度的季节和年际变化规律,利用Matlab提取50 a(1958~2007年)简单海洋资料同化(Simple Ocean Data Assimilation,SODA)月平均数据集中流场和海表面高度场数据,应用一个涡旋自动探测算法对南海中尺度涡初始生成位置进行分析,并分析了海表面高度异常均方根值的季节变化和年际变化。结果表明:50 a里南海中尺度涡主要分布在吕宋岛西北海域、吕宋岛西南海域和越南以东广大海域,秋、冬季中尺度涡能量较高,春季中尺度涡最弱,中尺度涡强度高值区年际变化明显。从季节变化上看,海面高度异常均方根春、夏季最小,秋冬季最大;从年际变化上看,与同时期Nino3指数有显著负相关,周期大约为3 a。     

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。     

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。     

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。     

吕宋海峡两侧中尺度涡统计

利用1993-2000年间的T/P卫星高度计轨道资料的时间序列和MODAS同化产品中的卫星高度计最优插值资料对南海东北部海区中尺度涡旋进行动态追踪。按照给定的标准从2种资料中提取了涡旋信息并对其特征量进行统计分析。结果表明,南海东北部海区中尺度涡旋十分活跃,平均每年6个,其中暖涡4个,尺度一般为200~250 km,平均地转流速为44 cm/s;冷涡每年平均2个,尺度一般为150~200 km,平均地转流速为-37 cm/s。吕宋海峡两侧涡旋的比较分析表明,南海东北部海区仍属于西北太平洋副热带海区的涡旋带,冷、暖涡旋处于不断的形成—西移—消散过程中。南海东北部中尺度冷涡大多是南海内部产生的,而暖涡与吕宋海峡外侧暖涡有一定的联系又具有相对的独立性。分析认为西北太平洋的西行暖涡在到达吕宋海峡时,受到黑潮东翼东向下倾的等密度面的抑制和岛链的阻碍,涡旋停滞于吕宋海峡外侧并逐渐消弱,被阻挡于吕宋海峡东侧涡旋释放的能量,形成一支横穿吕宋海峡(同时横穿过黑潮)的高速急流,把能量传递给吕宋海峡西侧的涡旋,使其得到强化,这是吕宋海峡两侧涡旋联系的一种重要机制。     

南海及西北太平洋卫星高度计资料分析:海洋中尺度涡统计特征

采用AVISO提供的卫星高度计融合数据,对南海及西北太平洋(5°～35°N,105°～150°E)1993～2009年17a间的中尺度涡活动进行统计分析.结果表明南海中尺度涡活动具有明显的年际变化,每年观测到产生的中尺度涡个数平均为21～22个,标准差约为4个,占年平均值的20%;而西北太平洋中尺度涡个数的年际差异不大,平均每年观测到150～151个中尺度涡产生,标准差约为14个,仅占年平均值的9%.中尺度涡的逐月统计结果表明南海和西北太平洋的中尺度涡活动均有明显季节变化,1993～2009年间的各月南海和西北太平洋分别观测到30～31个和213～214个中尺度涡产生,标准差分别约为6个和41个,均占各自月平均值的19%.中尺度涡主要集中分布在南海东北部、越南东部和黑潮流轴附近海域.涡动能、海面高度距平均方根以及涡度均方根的空间分布大致与涡旋个数分布一致,但在西北太平洋的低纬海区和黑潮延伸体区域则不甚吻合.在相同的涡旋判别标准下,西北太平洋低纬海区(5°～15°N)观测到的中尺度涡个数比中高纬海区要少得多.     

Three-dimensional structure of an observed cyclonic mesoscale eddy in the Northwest Pacific and its assimilation experiment

Mesoscale eddies play an important role in modulating the ocean circulation. Many previous studies on the threedimensional structure of mesoscale eddies were mainly based on composite analysis, and there are few targeted observations for individual eddies. A cyclonic eddy surveyed during an oceanographic cruise in the Northwest Pacific Ocean is investigated in this study. The three-dimensional structure of this cyclonic eddy is revealed by observations and simulated by the four-dimensional variational data assimilation(4 DVAR) system combined with the Regional Ocean Modeling System. The observation and assimilation results together present the characteristics of the cyclonic eddy. The cold eddy has an obvious dual-core structure of temperature anomaly.One core is at 50–150 m and another is at 300–550 m, which both have the average temperature anomaly of approximately-3.5°C. The salinity anomaly core is between 250 m and 500 m, which is approximately-0.3. The horizontal velocity structure is axis-asymmetric and it is enhanced on the eastern side of the cold eddy. In the assimilation experiment, sea level anomaly, sea surface temperature, and in situ measurements are assimilated into the system, and the results of assimilation are close to the observations. Based on the high-resolution assimilation output results, the study also diagnoses the vertical velocity in the mesoscale eddy, which reaches the maximum of approximately 10 m/d. The larger vertical velocity is found to be distributed in the range of 0.5 to 1 time of the normalized radius of the eddy. The validation of the simulation result shows that the 4 DVAR method is effective to reconstruct the three-dimensional structure of mesoscale eddy and the research is an application to study the mesoscale eddy in the Northwest Pacific by combining observation and assimilation methods.     

Case study on the three-dimensional structure of meso-scale eddy in the South China Sea based on a high-resolution model

Meso-scale eddies are important features in the South China Sea(SCS). The eddies with diameters of 50–200 km can greatly impact the transport of heat, momentum, and tracers. A high-resolution wave-tide-circulation coupled model was developed to simulate the meso-scale eddy in the SCS in this study. The aim of this study is to examine the model ability to simulate the meso-scale eddy in the SCS without data assimilations The simulated Sea Surface Height(SSH) anomalies agree with the observed the AVISO SSH anomalies well. The simulated subsurface temperature profiles agree with the CTD observation data from the ROSE(Responses of Marine Hazards to climate change in the Western Pacific) project. The simulated upper-ocean currents also agree with the main circulation based on observations. A warm eddy is identified in winter in the northern SCS. The position and domain of the simulated eddy are confirmed by the observed sea surface height data from the AVISO. The result shows that the model has the ability to simulate the meso-scale eddy in the SCS without data assimilation.The three-dimensional structure of the meso-scale eddy in the SCS is analyzed using the model result. It is found that the eddy center is tilted vertically, which agrees with the observation. It is also found that the velocity center of the eddy does not coincide with the temperature center of the eddy. The result shows that the model has the ability to simulate the meso-scale eddy in the SCS without data assimilations. Further study on the forming mechanism and the three-dimensional structure of the meso-scale eddies will be carried out using the model result and cruise observation data in the near future.     

基于ROMS和4DVAR的沿轨与网格化SSH数据同化效果评价

Remote sensing products are significant in the data assimilation of an ocean model. Considering the resolution and space coverage of different remote sensing data, two types of sea surface height(SSH) product are employed in the assimilation, including the gridded products from AVISO and the original along-track observations used in the generation. To explore their impact on the assimilation results, an experiment focus on the South China Sea(SCS) is conducted based on the Regional Ocean Modeling System(ROMS) and the four-dimensional variational data assimilation(4 DVAR) technology. The comparison with EN4 data set and Argo profile indicates that, the along-track SSH assimilation result presents to be more accurate than the gridded SSH assimilation, because some noises may have been introduced in the merging process. Moreover, the mesoscale eddy detection capability of the assimilation results is analyzed by a vector geometry–based algorithm. It is verified that, the assimilation of the gridded SSH shows superiority in describing the eddy's characteristics, since the complete structure of the ocean surface has been reconstructed by the original data merging.     

南海中尺度涡年际变化特征及动力机制分析

基于Okubo-Weiss函数方法对20年高度计资料进行涡旋识别,分析了南海中尺度涡的时空分布,初步研究了中尺度涡旋活动的年际变化特征及其可能的动力机制。结果显示,南海中尺度涡旋活动具有较为显著的年际变化特征,通过对涡旋个数、涡区面积、涡动能计算分析表明涡旋活动与ENSO现象遥相关:南海中尺度涡活动在ElNio年较弱,在LaNia年较强。可用风场异常解释南海中尺度涡的年际变化与ENSO现象的负相关关系。ElNio期间南海年平均意义下的东北风场减弱,风应力旋度绝对值减小,从而导致了较弱的涡旋活动,相反LaNia期间强劲的风场导致了涡旋活动增强。     

海表地转流差商计算试验分析

基于卫星高度计海面异常高度资料反演的海表地转流场在海洋学研究中应用广泛。针对Arbic等(2012)提出的海表地转流差商计算改进算法,以南海为试验海区,通过涡动能和中尺度涡自动识别计算试验对差商改进方法进行有效性检验。结果表明,七点中差法计算的海表地转流场比其他常用差商方法更利于中尺度涡旋外边界确定,得出的涡动能分布规律和数值大小也更符合实际。     

东海黑潮周边中尺度涡的分布、运动规律以及生成机制

为了探究东海黑潮周边涡旋分布、形成机理及运动规律,基于法国国家空间研究中心(CNES)卫星海洋学存档数据中心(AVISO)的中尺度涡旋数据集展开了研究。首先,统计了近27年东海黑潮周边的涡旋分布,发现在黑潮弯曲海域产生了650个涡旋,在黑潮中段海域产生了271个涡旋,其中直径100~150 km之间的涡旋数量最多,涡旋振幅主要集中在2~6 cm。其次,分析了东海黑潮的运动路径和涡运动过程,结果表明,黑潮气旋式弯曲海域内侧易产生气旋涡,且移动路径较长,如台湾东北海域黑潮流轴气旋式弯曲处产生的涡旋,其平均位移达到了87.6 km;当反气旋式弯曲海域内侧产生反气旋涡时,涡旋往往做徘徊运动。黑潮中段海域的涡旋呈现出气旋涡在黑潮主轴西侧、反气旋涡在黑潮主轴东侧的极性对称分布特征,两类涡都沿黑潮主轴向东北方向移动。最后,结合再分析的流场、海面高度数据,讨论了涡旋运动规律和生成机制。黑潮弯曲处涡旋的生成与黑潮流体边界层分离有关,奄美大岛南部到冲绳岛西侧的黑潮逆流对黑潮中段海域涡的极性对称分布起到了关键作用,涡旋在运动过程中通常经历生长、成熟和衰变三个阶段。     

Seasonal variations of the Arabian Sea level anomaly fields and circulation

The changes in the field of the Arabian Sea level anomaly and the geostrophic currents are analyzed based on the data of satellite altimetry measurements in 1993–2008 within the framework of the AVISO project. On the intra-annual scale, the current field generally agrees with the circulation schemes published in a number earlier works. Their differences are due to the occurrence of the mesoscale eddies and jet currents revealed by the authors.