春季南海北部上混合层的数值模拟与数值实验

根据 1 998年南海季风实验 (SCSMEX)北部“实验 3号”调查船的观测资料 ,采用一维湍动能模式 (TKE模式 ) ,对春季南海北部的SST及混合层随时间变化特征进行了数值模拟和数值试验。结果表明 ,TKE模式能够很好地模拟南海北部的海表面温度SST和上混合层深度随时间变化基本特征。在南海 5— 6月 ,SST的日振荡主要依赖于短波辐射的日变化 ,短波辐射是SST的主要维持机制 ;短波辐射会使SST升高 1— 4℃ ;风的垂直混合作用主要是抑制了SST的日周期振荡。春季南海海面潜热通量和感热通量与短波辐射和风应力相比较 ,是一个对SST影响较小的量。南海北部 5月份混合层深度的变化趋势和振荡特征受风应力和短波辐射共同控制 ,风应力使混合层深度加深 5— 1 0m ,短波辐射使混合层深度平均变浅 5— 1 0m。而 6月份南海北部 ,在夏季风爆发后短波辐射较小 ,短波辐射的作用只能使混合层深度变浅1— 2m ,潜热通量和感热通量对混合层的作用会使混合层的深度加深 1— 2m ,混合层深度主要受风应力控制。     

TOGA—COARE IOP海—气通量和SST季节内变化的分析

利用TOGA—COARE计划的强化观测资料,对《实验3号》科学考察船第一和第二两个航次期间暖池区内感热、潜热和海面净热通量、动量通量和混合层深度、SST变化进行计算和初步分析。指出:上述各量都存在明显的季节内时间尺度变化。从对计算结果的对比分析得出:SST的变化与垂直混合、潜热输送和云对短波辐射的调节作用有比较密切的关系。可以认为,海洋SST季节内时间尺度的变化可能与大气的动力和热力强迫有直接的关系。     

基于一个海洋混合层模式对中国近海浮标SST日变化的模拟

收集整理了中国近海18个浮标2011年全年的高时频实时观测资料,对中国近海SST日变化时空分布规律进行了分析,并利用一个改进了的一维海洋混合层模式对中国近海浮标资料进行了模拟。分析表明,中国近海SST日变化具有明显的季节变化特征。按照各季节SST日变化的明显程度,可以把近海海域分为两季型与四季型。两季型海域的SST日变化在春夏季非常明显,且变化幅度一致,而秋冬季日变化明显减小,如渤海、黄海北部和东海北部。而东海南部和南海北部等四季型海域的SST日变化幅度在各个季节均不相同,具有四季分明的特征。各个海域的短波辐射等热力通量、海面风应力等动量通量,以及上层海流等因素是造成上述分布特征的主要原因。文中使用的海洋混合层模式在对不同浮标观测SST的逐日演变过程中表现良好,对平均日变化的模拟比较合理,可以模拟出连续的、完整的SST日变化周期,并且与观测基本一致,该模式在中国近海区域具有良好的应用前景。     

春季南海南部上混合层数值模拟与数值实验

采用一维湍动能模式对南海南部的 SST及混合层进行数值模拟和数值试验。结果表明 :TKE模式能够模拟南海南部的海表面温度 SST以及除南海南部 5月中旬以外的上混合层深度随时间变化基本特征。在 5～ 6月 ,SST的日振荡主要依赖于短波辐射的日变化 ,风的混合作用抑制了 SST的日周期振荡。春季夏季风爆发期间 ,南海海面潜热通量和感热通量与短波辐射和风应力相比较 ,是一个对 SST和混合层影响较小的量。在春季南海南部 ,短波辐射作用能使 SST升高的最大值约为 4℃ ;潜热和感热通量能使 SST的下降的最大值为 3℃。风应力对南海混合层深度随时间变化趋势起着决定的作用 ,并能使其深度加深 2 0～ 30 m,而短波辐射则使混合层的深度变浅2～ 3m,潜热和感热通量会使混合层的深度加深 1～ 2 m。在春季南海南部 ,热通量对混合层深度的影响与风应力相比要小得多     

大气模式中季节内振荡特征对不同海温强迫场的响应

利用美国国家大气研究中心 (NCAR)的全球大气模式 (CCM3) ,分别以月平均和周平均海表温度 (SST)为强迫场进行 2个积分试验 (称为 CCMM和 CCMW试验 )。积分结果与观测资料的对比分析发现 ,CCM3模拟大气季节内振荡 (MJO)信号的强度均较观测资料偏弱 ,而其中以CCMW模拟的强度略大而较接近真实。表明 SST强迫场包含更真实的季节内变化信息对提高模拟 MJO强度有作用。 CCMM与 CCMW模拟 MJO活动的时间位相均与观测差别较大 ,直接原因在于 CCM3中降水季节内振荡与 SST变化的相关关系不正确 ,而更根本的问题在于大气模式无法反映资料分析发现的季节内时间尺度的 SST与大气的相互作用。     

季节内振荡对热带印度洋SST日变化的调制——一维混合层模式的诊断结果

热带印度洋SST的日变化幅度受到大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)的调制,其在MJO对流最强(弱)位相达到极小(大)值,并且在MJO对流增强位相显著强于其对流减弱位相。本文利用逐时的再分析海表通量强迫一维海洋混合层模式,定量地诊断了MJO事件中SST日变化的差异成因。结果表明,SST日变化在MJO对流最强与最弱位相的显著差异主要是由短波辐射的季节内变化所致(40%),其次是风应力(38%)和潜热通量(14%),其他要素的影响较小。而SST日变化在MJO对流增强与减弱位相所呈现的不对称特征,主要是由纬向风应力的不对称性所致,这是MJO扰动结构与背景环流相互作用的结果。     

基于水下滑翔机观测数据的西北太平洋混合层特征研究

基于水下滑翔机在2019年8至10月观测到的温盐资料,本研究分析了西北太平洋混合层总体的变化情况,并探讨了混合层异常变化的原因。结果表明,混合层温度总体上呈现随季节转换逐渐降低的趋势,混合层深度总体上呈现随季节转换逐渐增大的趋势。进一步的相关性分析得出,该海域混合层温度、混合层深度的变化特征主要是由外部大气强迫场（海面风场和净热通量）所决定的。水下滑翔机还观测到了混合层温度异常降低、混合层深度异常变浅的现象。通过计算混合层热收支发现,垂向夹卷作用是海洋混合层内温度降低和混合层深度变浅的主要原因。通过进一步计算研究海域冷涡的上升速度与海水垂向夹卷速度的变化情况,并结合卫星遥感资料,得出海洋的中尺度涡旋活动主导了混合层异常现象的发生。     

分层热带海洋模式中的Rossby波和Kelvin波——初始混合层深度异常与大气热力强迫激发波动

利用一个两层半的热带海洋模式,采用数值实验的方法研究了热带海洋对于初始海洋混合层深度异常和大气季节内时间尺度热力强迫激发产生的Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波。研究表明,初始海洋混合层深度异常和大气热力强迫,可以在两层半热带海洋模式中激发产生东向传播具有Ｋｅｌｖｉｎ波性质的波动和具有Ｒｏｓｓｂｙ波性质的波动。热力强迫激发产生海洋Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波所需时间长于初始海洋混合层深度异常和大气季节内动力强迫激发产生两波所需时间,与大气季节内动力强迫激发的Ｒｏｓｓｂｙ波相比,初始深度异常与大气热力强迫激发产生Ｒｏｓｓｂｙ波具有不同的热力性质。     

南大洋混合层的时空变化特征

过去对南大洋的研究受限于长期观测的缺乏,而现在地转海洋学实时观测阵(Arrayfor Real-timeGeostrophicOceanography,Argo)项目自开始以来持续提供了高质量的温度盐度观测,使系统地研究南大洋海洋上层结构成为可能。本研究使用2000—2018年的Argo浮标观测数据,分析了南大洋混合层深度(Mixed Layer Depth, MLD)的时空分布特征。结果表明:南大洋混合层存在明显的季节变化,冬春两季MLD在副南极锋面北侧达到最高值并呈带状分布,夏秋两季由于海表加热导致混合层变浅,季节变化幅度达到400m以上;在年际尺度上,MLD受南半球环状模(Southern HemisphereAnnularMode,SAM)调制,呈现纬向不对称空间分布特征,这与前人结果一致;本文指出在所研究时段,南大洋混合层在90°E以东,180°以西有加深趋势,而在60°W以西,180°以东有变浅趋势,显示出偶极子分布特征,并且这种趋势特征主要是风场的作用。     

利用Argo资料研究2001-2004年期间西北太平洋海洋上层对热带气旋的响应

利用Argo剖面浮标观测资料,对2001-2004年11月期间西北太平洋热带气旋经过后海洋上层的响应作了分析研究.结果显示,热带气旋经过后,55.6%的观测剖面其混合层深度会加深,范围在0-60m,并且在气旋过后5d内更为明显;由于混合加剧,大约有77.8%的观测剖面其混合层温度会下降,最多达5℃;61.1%的混合层盐度会下降,平均降盐约0.12;表层流速增大的占54%,平均增大30cm·s,表层流速的变化与风速的大小呈正相关,相关系数仅为0.06;混合层内温度变化与热带气旋风速呈负相关,相关系数为-0.15;混合层温度下降有明显的右偏现象,在气旋路径右侧50-150km处,温度下降尤为明显,而混合层盐度在气旋路径两侧的变化基本呈对称状分布;混合层深度在气旋路径右侧加深更为明显,在右侧100 150km范围内达到最大;混合层深度的变化与气旋经过前混合层的初始深度呈明显的负相关,相关系数达-0.42.     

The “slip law” of the free surface

A “slip law” connects the excess velocity or “slip” of a wind-blown water surface, relative to the motion in the middle of the mixed layer, to the wind stress, the wind-wave field, and buoyancy flux. An inner layer-outer layer model of the turbulent shear flow in the mixed layer is appropriate, as for a turbulent boundary layer or Ekman layer over a solid surface, allowing, however, for turbulent kinetic energy transfer from the air-side via breaking waves, and for Stokes drift. Asymptotic matching of the velocity distributions in inner and outer portions of the mixed layer yields a slip law of logarithmic form, akin to the drag law of a turbulent boundary layer. The dominant independent variable is the ratio of water-side roughness length to mixed layer depth or turbulent Ekman depth. Convection due to surface cooling is also an important influence, reducing surface slip. Water-side roughness length is a wind-wave property, varying with wind speed similarly to air-side roughness. Slip velocity is typically 20 times water-side friction velocity or 3% of wind speed, varying within a range of about 2 to 4.5%. A linearized model of turbulent kinetic energy distribution shows much higher values near the surface than in a wall layer. Nondimensional dissipation peaks at a value of about eight, a short distance below the surface.     

“暖池”表层对大气局地强迫的响应特征

利用湍流动能垂直混合模式和ＴＯＧＡ－ＣＯＡＲＥ加强观测期的观测资料,对“暖池”上混合层的垂直混合过程进行数值试验和数值模拟,分析表层温度、盐度的变化特征。结果表明：ＴＫＥ模式可以较好地模拟混层,尤其是表层温度、盐度对大气局地强迫的响应;太阳辐射是热源,感热、潜热通量等会造成“暖池”上混合层的温度降低,“暖池”对大气释放热量;降水有利于“淡水盖”形成和维持,从则使层结稳定,ＳＳＴ升高。但在气温低于海     

南沙群岛海域混合层深度季节变化特征

基于南沙群岛海域综合科学考察11个航次的实测资料,研究了南沙群岛海域的混合层深度季节变化特征。研究结果表明,南沙群岛海域混合层深度存在明显的季节变化,并且与季风和海表热通量的变化密切相关。春季,风速较小且风向不稳定,海面得到的净热通量全年最大,上层水体层结稳定,混合层深度较小;夏季,南海西南季风盛行,上层为反气旋式环流,海面得到的净热通量减少,混合层呈加深的趋势;秋季,海面净热通量继续减少,混合层深度达到最大值;冬季,东北季风驱动下形成的上层气旋式环流引起深层冷水的上升,限制了混合层的加深。     

海浪破碎对海洋上混合层中湍能量收支的影响

海浪破碎产生一向下输入的湍动能通量,在近海表处形成一湍流生成明显增加的次层,加强了海洋上混合层中的湍流垂向混合。为了研究海浪破碎对混合层中湍能量收支的影响,文中分析了海浪破碎对海洋上混合层中湍流生成的影响机制,采用垂向一维湍封闭混合模式,通过改变湍动能方程的上边界条件,引入了海浪破碎产生的湍动能通量,并分别对不同风速下海浪破碎的影响进行了数值研究,分析了混合层中湍能量收支的变化。当考虑海浪破碎影响时,近海表次层中的垂直扩散项和耗散项都有显著的增加,该次层中被耗散的湍动能占整个混合层中耗散的总的湍能量的92.0%,比无海浪破碎影响的结果增加了近1倍;由于平均流场切变减小,混合层中的湍流剪切生成减小了3.5%,形成一种存在于湍动能的耗散和垂直扩散之间的局部平衡关系。在该次层以下,局部平衡关系与壁层定律的结论一致,即湍动能的剪切生成与耗散相平衡。研究结果表明,海浪破碎在海表产生的湍动能通量影响了海洋上混合层中的各项湍能量收支间的局部平衡关系。     

有限海域海水表温数值预报改进模式

以海洋上部混合层(UML)存在为基础,建立了考虑UML深度变化的二维层模式。探讨有限区域的短期海表温(SST)业务数值预报模式。预报方程有三:低频流(黑潮及其分支)的无幅散化余流方程组、动力预报方程和模式物理学方程。本模式用于3～5d的SST预报,同时也给出UML平均漂流的预报。指出在大风状况下的降温,UML深是一个重要的影响因子,并与UML为平底时情况进行了比较。     

热力学效应及斯托克斯漂流对混合层影响的研究

本文通过理想化的外部强迫以及海洋站点实测数据驱动普林斯顿海洋模式来研究海洋热力学效应和斯托克斯漂流对上混合层数值模拟的影响。在Mellor-Yamada湍流闭合方案中，经常出现夏季海表面温度偏暖和混合层深度偏浅的模拟误差。实验表明，斯托克斯漂流在冬季和夏季均能增强湍流动能，加深混合层深度。这种效应可以改善夏季的模拟结果，但与观测数据相比，将增大冬季混合层深度的模拟误差。斯托克斯漂流可以通过增强湍动能来加深混合层深度。结果表明，将斯托克斯漂流与冷皮层和暖层对上部混合层的热效应相结合，可以正确地模拟混合层深度。在夏季，海洋冷皮层和暖层通过“阻挡结构”和双温跃层结构模拟出更真实的上混合层变化。在冬季，海洋热力学效应通过增强上层海洋层结平衡了斯托克斯漂流的影响，并且由斯托克斯漂流引起的过度混合被校正。     

Diurnal sea surface temperature variation and its impact on the atmosphere and ocean: A review

The importance of the diurnal variability of sea surface temperature (SST) on air-sea interaction is now being increasingly recognized. This review synthesizes knowledge of the diurnal SST variation, mainly paying attention to its impact on the atmosphere or the ocean. Diurnal SST warming becomes evident when the surface wind is weak and insolation is strong. Recent observations using satellite data and advanced instruments have revealed that a large diurnal SST rise occurs over wide areas in a specific season, and in an extreme case the diurnal amplitude of SST exceeds 5 K. The large diurnal SST rise can lead to an increase in net surface heat flux from the ocean of 50–60 Wm⁻² in the daytime. The temporal mean of the increase exceeds 10 Wm⁻², which will be non-negligible for the atmosphere. A few numerical experiments have indicated that the diurnal SST variation can modify atmospheric properties over the Pacific warm pool or a coastal sea, but the processes underlying the modification have not yet been investigated in detail. Furthermore, it has been shown that the diurnal change of ocean mixing process near the surface must be considered correctly in order to reproduce SST variations on an intraseasonal scale in a numerical model. The variation of mixed-layer properties on the daily scale is nonlinearly related to the intraseasonal variability. The mixed-layer deepening/shoaling process on the daily scale will also be related to biological and material circulation processes.