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。     

东海黑潮温度锋分布特征研究

采用WOA13气候态季节温度数据,利用绝对梯度法对东海黑潮不同水深海洋锋的季节变化特征进行了分析,得出结论：东海黑潮温度锋具有显著的季节变化特征,它的范围和强度存在多个大值区,不同季节,温度锋的大值区存在于不同深度。在200 m以浅海域,按照冬季、春季、夏季的季节顺序,温度锋的大值区由表层逐渐增加到100 m层处;在200 m以深海域温度锋的大值区没有季节变化,大值区大约出现在400 m层附近。     

北太平洋北部的风能输入门户

风不仅驱动了上层海洋的环流,也是深层海洋运动的主要能量来源。本文主要研究了北太平洋北部的风能输入的季节性分布特征和年际变化趋势,包括风向表面波、表层地转流和表层非地转流的能量输入。基于SODA3数据的结果表明,风能输入门户随季节变化显著,其中黑潮延伸区是冬季门户,副极地流涡是春、秋季门户,大洋东边界则是夏季门户,能量输入强度逐次递减。21世纪以来,秋冬风能输入明显减弱,春季增加,夏季无显著变化。就变化趋势的空间分布而言,向表面波的能量输入由风场主导,而向表层地转流和非地转流的能量输入则由流场主导。这些机械能输入结果对进一步认识该海域的动力机制有重要意义。     

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。     

基于观测的南海西沙海域深层近惯性振荡特征分析

近惯性内波运动普遍存在于全球大洋中,影响大洋中的质量、动量和能量输送,是大气强迫与海洋混合之间的重要纽带。由于目前海洋深层观测资料的缺乏,对于深层近惯性内波生消演变特征研究甚少。利用2009-2012年的潜标观测资料,采用带通滤波和谱分析方法研究了南海西沙海域深层近惯性内波生成、传播和消亡等演变特征。通过研究发现,南海西沙海域深层存在较强的近惯性振荡,其生成源为台风过境能量输入,绝大部分时段内,近惯性振荡能量在海洋浅层耗散,不向海洋深层传播;仅在少部分时段内,近惯性振荡能量的80%～85%耗散在500 m以浅区域,有大概15%～20%继续向海洋深层传播。     

南海上层海洋次中尺度过程空间差异和季节变化特征

南海是西太平洋最大的边缘海, 由于受季风影响显著以及北部海域的黑潮入侵, 其动力环境复杂多变, 次中尺度过程丰富, 且在空间上和时间上存在多变性。文章基于高分辨率数值模式的结果, 通过对次中尺度动力参数的分析, 对比讨论了南海北部、中部、西部和南部海域4个典型子区域上层海洋次中尺度过程的空间差异、季节变化、影响深度、影响因素等问题。研究发现各区域季节性变化特征和机制有所不同: 北部海域受冬季风和黑潮入侵影响, 冬季次中尺度的混合层不稳定较强; 中部海域同样表现为“冬强夏弱”; 西部海域受夏季风影响显著, 夏季次中尺度过程更为活跃; 而南部海域主要受岛屿地形影响较大, 容易产生地形尾涡, 季节性特征不明显。统计分析表明, 次中尺度过程往往表现出强正相对涡度与高应变特征, 在表层更容易出现负位涡, 流体稳定性较差。此外, 文章从能量学角度对次中尺度过程的主要能量来源、控制因素等进行了讨论。     

基于2007—2018年Argo数据分析全球混合层和障碍层时空特征

为了进一步认识上层海洋中混合层和障碍层的时空变化特征。本文基于Argo (Array for real-time geostrophic oceanography)海洋观测网2007—2018年的温盐数据,使用差值法计算了全球海洋混合层深度(Mixed layer depth, MLD)和障碍层厚度(Barrier layer thickness, BLT),讨论了二者的月均值、季节均值和年均值的空间分布特征和形成机制。研究表明,全球海洋的混合层普遍在夏季浅、在冬季深,随季节变化的特征显著。北半球混合层变化幅度较大,大西洋混合层比同纬度的太平洋深;赤道海区混合层较浅;南半球混合层呈纬向带状分布,60°S附近大洋海域存在显著的深混合层带,南极大陆与该深混合层带之间的海域混合层常年较浅。全球障碍层呈"哑铃状"分布,两半球的高纬度海区是障碍层高发区,障碍层不仅厚且持续时间长,以半年为周期变化,南大洋60°S附近海域显著的厚障碍层带随季节变化;南半球中低纬度海区长期存在障碍层,障碍层冬厚夏薄,且厚度大部分不超过40 m。     

基于潜标观测的吕宋海峡以东深海潮流特征研究

本文使用吕宋海峡以东的潜标观测的长达1年的海流数据,重点对该海域海流的高频波动(潮流)的垂向分布及其时间变化特征进行了分析,结果表明:该海域次表层(100～160 m)的潮动能比中层(1 550 m)和深层(2 560 m)大1～2个数量级,近底层(4 040 m)的潮动能略大于中、深层;次表层为不正规半日潮流,中、深层为不正规全日潮流;各层次潮动能均在夏季(6?9月)和冬季(2?3月)增强,与M₂分潮和K₁分潮在夏季和冬季的增强相对应;各层次海流的高频波动以顺时针旋转为主,次表层海流近惯性周期接近当地理论惯性周期,中、深层略小于当地理论惯性周期。     

台湾东北黑潮入侵东海陆架强度的变化规律:持续一年的ADCP现场流速观测

本文利用台湾东北陆坡附近海域持续一年的多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrent Profilers,ADCP)定点深水测流数据提取了观测站点处黑潮跨陆坡入侵强度的时间序列,并与美国海军混合坐标海洋模式(HybridCoordinateOceanModel,HYCOM)分析数据中提取的观测站点处以及台湾东北陆坡东西区段黑潮入侵强度的时间序列进行了对比研究。研究结果显示黑潮在观测站点处的跨陆坡入侵强度存在显著的季节和季节内变化特征,并且与台湾东北黑潮主轴位置的摆动有较好的对应关系,黑潮主轴东(西)移,则黑潮在台湾东北陆坡西段及观测站点处的入侵显著减弱(增强),而在台湾东北陆坡东段的入侵显著增强(减弱)。此外,观测站点处黑潮跨陆坡入侵强度的时间序列还显示出较强的10d和20d左右的短周期信号,其中10d的周期信号对应着东海黑潮斜压不稳定波动的特征周期,而20d的周期信号则体现了台湾东北附近海域局地涡旋的短期变化。     

冬季东海黑潮上层水变化特征的分析

东海黑潮水团是东海海域的主要水团。夏季,东海黑潮水团一般划分为四层结构:黑潮表层水、黑潮次表层水、黑潮中层水和黑潮深层水。在冬季,由于大陆沿岸水系势力减弱,以及强烈的表层冷却产生的垂直对流作用,使黑潮表层水变性而和次表层水融为一体,从而使海面至400米层左右的黑潮水体呈现高盐特征。因此,冬季的东海黑潮水团变为三层结构,即黑潮上层水、黑潮中层水和黑潮     

黑潮延伸体区跨等密度面湍流混合的次季节变化

海洋中的跨等密度面湍流混合对于热量和淡水输送、翻转环流以及全球气候变化都有重要影响,理解跨等密度面湍流混合的变化对于改进气候模式模拟和预测大尺度海洋环流的能力具有重要作用.基于细尺度参数化方法,本文利用黑潮延伸体区的一个长期潜标K7观测,对跨等密度面湍流混合的次季节变化进行了分析.结果 表明,在2004年6～9月,30...     

Numerical study of the storm-induced circulation on the Scotian Shelf during Hurricane Juan using a nested-grid ocean model

A nested-grid ocean circulation modelling system is used to assess the upper ocean response of the Scotian Shelf and adjacent slope to Hurricane Juan in September 2003. The nested-grid system consists of a fine-grid inner model covering the Scotian Shelf/slope and a coarse-grid outer model covering the northwest Atlantic Ocean. The model-calculated upper ocean response to Hurricane Juan is characterized by large divergent surface currents forced by the local wind forcing under the storm, and intense near-inertial currents in the wake of the storm. The sea surface temperature (SST) cooling produced by the model is biased to the right of the storm track and agrees well with a satellite-derived analysis. Over the deep water, off the Scotian Shelf, some of the near-inertial energy input by the storm is advected eastward by the Gulf Stream away from the storm track. The hurricane also generates shelf waves that propagate equatorward with the coastline on their right. In comparison with the outer model results, the inner model captures more meso-scale structures, greater SST cooling and stronger near-inertial currents in the study region.     

基于高分辨率风场的海洋近惯性能通量计算——时空特征及其影响因素

基于高分辨率CFSR(climate forecast system reanalysis)风场资料、气候态海洋混合层厚度资料和卫星高度计海面高度异常资料,本文估计了大气风场向全球海洋混合层的近惯性能通量和近惯性能量输入功率,并探究了混合层厚度、风场时间分辨率、经验衰减系数和中尺度涡旋涡度对近惯性能通量和能量输入功率的影响。浮标实测风场和流速表明,本文所用的风场和阻尼平板模型可用于估计风场向全球海洋的近惯性能通量。本文计算得到的大气向全球海洋输入近惯性能量的功率为0.56TW(1TW=10~(12)W),其中北半球贡献0.22TW,南半球贡献0.34TW。在时间上,风场的近惯性能通量呈现各个半球冬季最强、夏季最弱的特征,这和西风带风场的季节变化有关。在空间上,近惯性能通量的高值海域为南、北半球西风带海洋,尤其是南大洋。混合层厚度和风场空间不均匀性使得西风带近惯性能通量呈现纬向变化,即海盆西部强于海盆东部。风场时间分辨率对近惯性能通量的估计至关重要,低时间分辨率风场对近惯性能通量的低估达到13%—30%。阻尼平板模型中的经验衰减系数对近惯性能通量估计的影响不超过5%。中尺度涡旋涡度仅改变近惯性能通量的空间分布,而对全球近惯性能量输入功率的影响可以忽略。     

The variation of turbulent diapycnal mixing at 18°N in the South China Sea stirred by wind stress

The spatial and temporal variations of turbulent diapycnal mixing along 18°N in the South China Sea(SCS) are estimated by a fine-scale parameterization method based on strain, which is obtained from CTD measurements in yearly September from 2004 to 2010. The section mean diffusivity can reach ~10~(–4)m~2/s, which is an order of magnitude larger than the value in the open ocean. Both internal tides and wind-generated near-inertial internal waves play an important role in furnishing the diapycnal mixing here. The former dominates the diapycnal mixing in the deep ocean and makes nonnegligible contribution in the upper ocean, leading to enhanced diapycnal mixing throughout the water column over rough topography. In contrast, the influence of the wind-induced nearinertial internal wave is mainly confined to the upper ocean. Over both flat and rough bathymetries, the diapycnal diffusivity has a growth trend from 2005 to 2010 in the upper 700 m, which results from the increase of wind work on the near-inertial motions.     

A near-inertial current event in the homogeneous deep layer of the northern Sea of Japan during winter

Under strong surface wind forcing during winter, direct current observations in the northern Sea of Japan show the existence of strong near-inertial currents in the deep water that is characterized by the extremely homogeneous vertical structures of temperature and salinity. However, the mechanism generating internal waves in the deep water of the northern Sea of Japan has not been well understood. In this study, to clarify the dynamical link between the surface wind forcing and near-inertial currents in the deep water of the northern Sea of Japan, we drive a general circulation model taking into account realistic wind stress, ocean bottom and land topography. In the northern Sea of Japan, the numerical results show that vertically coherent horizontal currents with a speed of ~ 0.05 m s^?1 are excited throughout the homogeneous deep water. A two-layer model successfully reproduces the pattern of the horizontal current velocities shown by the general circulation model, indicating that internal waves emanate westward from the northwestern coast of Japan through coastal adjustment to the strong wind forcing event and, while propagating into the ocean interior, they excite evanescent near-inertial response throughout the lower layer below the interface.     

Estimate of contribution of near-inertial waves to the velocity shear in the Bay of Bengal based on mooring observations from 2013 to 2014

Near-inertial motions contribute most of the velocity shear in the upper ocean. In the Bay of Bengal (BoB), the annual-mean energy flux from the wind to near-inertial motions in the mixed layer in 2013 is dominated by tropical cyclone (TC) processes. However, due to the lack of long-term observations of velocity profiles, our knowledge about interior near-inertial waves (NIWs) as well as their shear features is limited. In this study, we quantified the contribution of NIWs to shear by integrating the wavenumber-frequency spectra estimated from velocity profiles in the upper layers (40?440 m) of the southern BoB from April 2013 to May 2014. It is shown that the annual-mean proportion of near-inertial shear out of the total is approximately 50%, and the high contribution is mainly due to the enhancement of the TC processes during which the near-inertial shear accounts for nearly 80% of the total. In the steady monsoon seasons, the near-inertial shear is dominant to or at least comparable with the subinertial shear. The contribution of NIWs to the total shear is lower during the summer monsoon than during the winter monsoon owing to more active mesoscale eddies and higher subinertial shear during the summer monsoon. The Doppler shifting of the M₂ internal tide has little effect on the main results since the proportion of shear from the tidal motions is much lower than that from the near-inertial and subinertial motions.     

利用全球温盐观测剖面计划资料估算太平洋上层跨等密度面混合

基于全球多年来积累的大量温盐观测剖面计划资料,利用精细尺度参数化方案估算了太平洋上层600米区域内的跨等密度面混合系数。结果表明,在不同季节跨等密度面混合系数的整体分布类似,但是细节上存在很大的不同。跨等密度面混合系数的加强与底部摩擦、海表面近惯性能量输入、赤道效应等因素密切相关。由于粗糙的地形,混合在东北太平洋门多西诺断裂带附近存在明显加强。同时,在南大洋西风带区域,由于大风引起的近惯性能量输入也导致了混合的强化。 与前人的研究结果相比,本文的估算具有更好的空间覆盖率以及更高的分辨率,更重要的是我们的结果体现了季节性变化。由于我们给出的是网格化产品,非常适合在数值模式中的应用。