基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要的作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而可对中尺度涡带来的物质和能量输送进行系统认识。     

基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现,其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前,对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而系统地认识中尺度涡带来的物质和能量输送。     

基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础.针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型.该模型在海洋...     

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。     

海洋中尺度涡的机械能及其源汇研究*

由于观测手段的限制,海洋中尺度涡的能量输送及生成与耗散动力过程一直是世界大洋能量循环中悬而未决的一个问题,而中尺度涡在海洋中又广泛存在,它不仅占据海洋表层动能的绝大部分,而且是能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演着重要的角色。文章以中尺度涡场机械能的大小、分布、源汇为主线,结合作者在这方面的最新研究成果,综述当前对中尺度涡机械能及其源汇的研究进展。     

印度洋浮游生态系统的特点及其对全球变暖的响应

与太平洋和大西洋相比,印度洋有独特的季风和洋流系统和由此驱动的浮游生物分布及生产规律.在全球变暖的背景下,印度洋的变暖趋势比太平洋和大西洋更为显著,是研究变暖对海洋浮游生态系统影响的热点海区之一.文章结合国内外文献,评述印度洋浮游生态系统的现状、特点及对全球变暖的响应,包括印度洋的浮游生物地理分布、南北印度洋浮游生态系...     

黄、东海及邻近水域浮游有孔虫地理区划的初步探讨

浮游生物地理分布的界限,通常是与大洋环流系统或较大水团的分布范围相符合。因此,在进行海洋浮游生物区系性质的分析时,除了考虑种类组成、地理分布以及区系的发展历史过程外,还应该结合环境条件和浮游生物的生态特点,进行综合分析。 浮游生物与底栖生物在生态性质上有很大的差别,它是随波逐流的,其地理分布界限     

琉球群岛附近海域中尺度涡的初步研究

采用1977年1月至2006年12月高分辨率全球大洋环流模型OFES输出结果对琉球群岛附近海域的中尺度涡进行了研究分析。结果表明:(1)尺度较大的涡旋的分布密集区主要有台湾以东海域、琉球海沟上层海域和四国以南海域。(2)琉球海流流经海域的反气旋涡旋占优势,有利于琉球海流的发展。(3)琉球海流受中尺度涡的影响十分显著,纬度越低,其受中尺度涡的影响越明显,而黑潮相对比较稳定,受中尺度涡的影响并不显著。(4)四国以南海域暖涡从黑潮脱落之后向西南移动,该涡旋的移动对琉球海流和黑潮产生特别显著的影响。文章的最后还讨论了中尺度涡与黑潮弯曲以及琉球海流可能存在的联系。     

中尺度涡控制悬浮体的分布——以帕里西维拉海盆区为例

为研究帕里西维拉海盆区上层水体中悬浮体分布特征,对2003年冬季在该海区现场测得的上层水体悬浮体质量浓度数据进行详细分析。结果表明,调查期间研究区悬浮体质量浓度在水平上表现出西高东低的特征,垂向上的差异较小。现场大面站调查和同期卫星高度计数据显示,调查期间在研究区海域同时存在冷涡和暖涡活动,其中冷涡活动区位于研究区西部,暖涡活动区位于东部。分层分析表明,调查区中尺度涡活动对悬浮体分布有明显的控制效应:在冷涡活动区内,深层的富营养盐水体上涌,使冷涡内部的浮游生物量增多,导致冷涡活动区内的悬浮体质量浓度明显高于周围;在暖涡活动区内,因上层的寡营养盐水体下沉,使暖涡区的浮游生物量减少,导致悬浮体质量浓度明显低于周围。受洋流和中尺度涡活动的影响,调查海区西北部岛礁的物质供应也是导致研究区悬浮体分布呈现西高东低格局的重要因素。     

基于卫星高度计观测的全球中尺度涡的分布和传播特征

利用将近12 a的融合高度计资料获得了全球海洋中尺度涡的空间分布和传播特征。结果表明,中尺度涡在副热带海域呈明显的带状分布,反气旋涡和气旋涡的数目相当,但在某些海域它们的数目有很大不同;在40°S-60°N间,大多数涡的运动方向向西,然而在40°-60°S间约有70%的涡向东传播;对于西向传播的涡而言,纬向平均速度随纬度有明显的变化,在赤道附近的西向传播速度为13 cm/s,而在高纬度递减到不足1 cm/s,中尺度涡的传播表现出类似于Rossby波的传播特征。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。     

海洋中的天气式涡旋

将由海洋中各物理过程产生的海水特性分布非均匀性，分为小、中、天气式和全球4种时、空尺度。对比副势带急民生罗斯贝波变形半径，阐明海洋天气式涡旋小于和慢于大气中的数十倍。对比在高空锋带下方，低怪大气锋中出现地面涡，揭示海洋蛇曲中不产生高空锋带类似物及近海底锋；大洋中自由涡虽能集中于海洋上半部，便与大气中低空正、反气旋正相反。因而，锋流环和洋中涡能对局地天气起作用，流环能成为海洋子午向热传递的重要机制。     

逆式回声测量仪在全球海洋中应用及前景展望

系统总结了逆式回声测量仪（IES）的发展历史，重点介绍了其目前在世界范围内的应用情况，并阐述了CPIES（集成流速和压力传感器的IES）在我国吕宋海峡周边布放的意义及对未来应用的展望。结果表明采取不同的排列方式布放的IES阵列所获取的数据通过结合地转经验模态GEM（gravest empirical mode）以及最优插值方法能够获得观测海区的温度、盐度和流场的三维空间分布特征。基于CPIES的应用，可深入地研究多尺度的海洋动力过程，如内波、内潮和中尺度涡等，对后续大洋环流理论发展、中尺度涡产生和消亡机理、海洋中不同尺度能量串级等具有重要意义。     

现代海洋环境监测体系和海洋管理背景下的浮游生物监测

浮游生物在海洋生态系统中处于基础性地位,为促进我国浮游生物监测工作的发展,文章在现代海洋环境监测体系和海洋管理的背景下,从海洋生态系统保护、全球变化研究和现代海洋管理3个方面,系统梳理和分析浮游生物监测的意义和价值,并对我国相关领域的工作提出启示和展望。研究结果表明:浮游生物的恶性暴发和入侵对海洋生态系统造成严重影响,各类国际公约和政府间协议都将浮游生物监测作为保护海洋生物多样性的重要内容;浮游生物的分类信息以及其分布区和物候学特征对气候变化和海水温度的指示信息,可作为全球变化研究的重要指标;浮游生物监测已被广泛应用于国内外现代海洋管理中,主要包括海洋生态系统服务评价、海洋环境影响评价和海洋生物资源评价3个方面;我国浮游生物监测工作在浮游生物分类和鉴定以及大数据应用方面存在不足,未来应加强相关能力考核、标准化计量认证、数据整合共享和新技术手段运用。     

苏门答腊岛西北海域中尺度涡源区特征与形成机制

孟加拉湾内和湾口附近有丰富的中尺度现象,本文利用2.0版可分辨低纬地区中尺度涡的Chelton数据集,通过溯源的方法得到中尺度涡的源地分布。苏门答腊岛西北海域(以5°N,94°E为核心的区域)是中尺度涡重要源区之一。通过拉格朗日方法的涡旋追踪表明,1993—2017年该海域(3°N—6°N、92°E—95°E),分别有57个气旋式和40个反气旋式中尺度涡。频谱分析显示海表面高度异常存在180 d和360 d两个显著周期。地形和风场的共同作用是该海域产生中尺度涡的动力机制：沿5°N西传的罗斯贝波在海岭地形的作用下触发了中尺度涡的生成;赤道风场是源区重要的能量来源,局地风场能诱发中尺度涡的极性。本研究也揭示了以往文献虽刻画了苏门答腊岛西北部海域为高涡动能区,却没有识别出较多中尺度涡的原因。     

Impact of Alaskan Stream eddies on chlorophyll distribution in the North Pacific

The impact of the Alaskan Stream (AS) eddies on the chlorophyll a (chl-a) distribution in the central subarctic North Pacific was investigated through analysis of chl-a and altimetry data from satellite observations. Altimetry observations provided the locations of mesoscale eddies in time and space within the maps of chlorophyll distributions. The climatological chl-a distributions averaged in the area and time showing presence of AS eddies suggested that AS eddies contributed significantly to the chl-a distribution in the deep-sea region of the subarctic North Pacific. The chl-a distribution was closely related to the AS eddies regardless of whether the eddy was located in or detached from the AS. A combination of two or three AS eddies sometimes formed high chl-a concentration belts that injected chlorophyll and coastal nutrient-rich waters southward from the Aleutian Islands far into the deep-sea region of the subarctic North Pacific. These results indicate that chl-a distribution in the central subarctic North Pacific was strongly impacted by AS eddies.     

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。     

Seasonal variability of mesoscale eddies in the Banda Sea inferred from altimeter data

Using the mesoscale eddy trajectory atlas product derived from satellite altimeter data from 1993 to 2016, this study analyzes statistical characteristics and seasonal variability of mesoscale eddies in the Banda Sea of the Indonesian seas. The results show that there were 147 mesoscale eddies that occurred in the Banda Sea, of which 137 eddies were locally generated and 10 originated from outside. The total numbers of cyclonic eddies (CEs, clockwise) and anticyclonic eddies (AEs, anticlockwise) are 76 and 71, respectively. Seasonally, the number of CEs (AEs) is twice larger than the number of AEs (CEs) in winter (summer). In winter, CEs are distributed in the southern and AEs in the northern basins, respectively, but the opposite thing occurs in summer, i.e., the polarities of mesoscale eddies observed at the same location reverse seasonally. The mechanisms of polarity distribution reversal (PDR) of mesoscale eddies are examined with reanalysis data of ocean currents and winds. The results indicate that the basin-scale vorticity, wind stress curl, and the meridional shear of zonal current reverse seasonally, which are favorable to the PDR of mesoscale eddies. The possible generation mechanisms of mesoscale eddies include direct wind forcing, barotropic and baroclinic instabilities, of which the direct wind forcing should play the dominant role.