日本南部黑潮路径发生弯曲的最优前期征兆及其发展机制

基于正压出入流模式, 利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法研究初始异常的位置与模态对日本南部黑潮路径变异的影响。以模式模拟出的黑潮平直路径的平衡态作为参考态, 计算CNOP, 考察该扰动随时间的发展, 并与随机扰动的发展进行对比。结果表明, CNOP 能够导致黑潮弯曲路径发生, 随机扰动则不能。因此, CNOP 可以作为导致日本南部黑潮路径发生弯曲的一种最优前期征兆。通过分析CNOP 和随机扰动的发展过程, 可以得出: (1) CNOP 使黑潮发展成弯曲路径的过程是一个气旋涡向下游传播并增长的过程。(2) 气旋涡的向东传播都是非线性项的作用, 也就是涡度平流造成的。(3) CNOP和随机扰动发展过程中所产生的气旋涡均会传播到下游区域, 但是CNOP 产生的气旋涡能够增强, 最终导致弯曲路径发生, 而随机扰动产生的气旋涡则会减弱, 并不能导致弯曲路径发生。分析发现, 在CNOP 实验中, 非线性作用使气旋涡增大; 但在随机扰动实验中, 非线性作用使气旋涡减弱, 所以非线性作用对日本南部黑潮路径发生弯曲有重要影响。(4) 底摩擦效应对日本南部黑潮路径变异影响较小。本文揭示的黑潮路径发生弯曲的最优前期征兆及其非线性发展机制, 对提高黑潮路径变异的预报技巧具有重要意义。     

条件非线性最优扰动方法在黑潮目标观测研究中的应用

对近年来利用条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)方法开展的黑潮目标观测研究进行了总结,主要包括日本南部黑潮路径变异的目标观测研究、黑潮延伸体模态转变的目标观测研究和源区黑潮流量变化的目标观测研究。通过计算这些事件的CNOP型扰动,发现这些事件的CNOP型扰动具有局地特征,可以作为实施目标观测的敏感区。理想回报试验结果表明,如果在由CNOP方法识别的敏感区内实施目标观测,则会大幅度提高上述事件的预报技巧。     

Zebiak-Cane模式中条件非线性最优扰动对ENSO春季预报障碍的影响

使用Zebiak-Cane模式和条件非线性最优扰动(CNOP)方法,研究初始误差和参数误差共同作用对ENSO春季预报障碍现象的影响。选取模式中的8个El Ni?o事件,包括4次强事件和4次弱事件,每个El Ni?o事件又分别从8个不同的起始时间做1 a的预报,这样一共64个预报实验。对每个实验分别计算CNOP误差(初始误差和参数误差同时存在时的最优误差),通过分析误差增长,发现CNOP误差引起的1 a后的预报误差随着初始预报时间的不同有较大差异,并且不同强度的El Ni?o事件也会影响CNOP误差的发展,增长位相中强事件的预报误差要比弱事件的预报误差大一些;而衰减位相中恰恰相反,弱事件的预报误差要比强事件的预报误差要大一些;同时也发现高频El Ni?o事件对误差增长率的影响较大。本结论有助于提高Zebiak-Cane模式预报ENSO的技巧。     

渤、黄海风生流场季节循环时空模态与变异

根据1978—2015年渤、黄海沿岸观测风应力场与二维非线性垂直平均风生流模式，以及旋转经验正交函数（REOF）、调和分析等方法，研究了渤、黄海月平均风生流速度势、流函数场季节循环时空模态与年际变异.渤、黄海月平均风生流速度势、流函数场主要有两种时空模态，季节周期分量是时空模态的主要分量.由于风应力场季节循环变异，渤海流函数场季节时空循环变异程度大于速度势场，速度势、流函数场第二模态是季节变异的主要分量，黄海速度势场季节时空循环变异程度大于流函数场，速度势场第二模态是季节变异的主要分量.由于月平均风应力场强度年际变化显著线性减弱，渤、黄海季节平均风生流场强度年际变化也显著减弱.渤、黄海暖流与冷水团季节生消是风生流水平环流与垂直对流对冷 暖水体输送与汇集共同作用的结果，渤、黄海春、夏季辐合上升环流延缓及减弱了浅层暖水向深层传播，是春、夏季冷水团与温跃层形成的重要动力因素，因此，速度势是研究渤、黄海风生流场十分重要的因素.冬季渤海中部、黄海东部反气旋型及辐散下沉环流与黄海中部气旋型环流、辐合上升环流是黄海暖流季节转换与强度的主要动力控制因素，夏季黄海东部气旋型环流、辐合上升环流与黄海中部反气旋型环流、辐散下沉环流是黄海冷水团季节转换与强度的主要动力控制因素.     

模式参数的不确定性对日本南部黑潮大弯曲路径预报的影响

基于1.5层浅水方程模式,利用条件非线性最优参数扰动(CNOP-P)方法,研究模式参数的不确定性对黑潮大弯曲路径预报的影响。研究表明,单个模式参数误差如侧向摩擦系数误差、界面摩擦系数误差以及在不同季节具有不同约束的风应力大小误差,对黑潮大弯曲路径预报的影响较小,并且对背景流场的选取具有一定的敏感性;所有模式参数误差同时存在时对黑潮大弯曲路径预报具有一定的影响,并且预报结果在9个月左右不能被接受。因此,要提高黑潮大弯曲路径的预报技巧,模式中的参数需要给出更好的估计。     

北太平洋SST的时空分布特征及其与黑潮大弯曲和El—Nino的关系

用EOF分析方法对北太平洋及赤道太平洋地区1949～1979年31年海表面温度距平场进行分解,得到几个主要距平海温模态(EOF1～3),分析了EOF1～3的时空分布特征。得到海温距平场的EOF1和EOF2～3模态分别对E1—Nino事件和黑潮大弯曲有很显著的相关性,指出SST第三模态场对黑潮大弯曲的影响具有很好的持续性,持续时间为1～2年。最后讨论了相互的影响过程,为黑潮大弯曲和E1—Nino事件的预报的可能性提供了依据。     

AMSU-A微波资料变分同化对双台风预报的影响研究

选取2015年发生在西北太平洋的一次双台风"灿鸿"和"莲花",考察微波辐射率资料同化在双台风数值预报中的应用,采用WRF-3Dvar系统,将AMSU-A微波辐射率资料同化进数值模式用于改善模式的初始场。试验结果表明:直接同化AMSU-A辐射率资料能有效缓解台风在海面上观测资料的不足,对于数值模式初始场的改进效果要优于仅同化常规资料的效果,并且从大尺度环境场上看使模式具备更合理的环流形势,从而提高了对台风路径以及强度模拟的精度,同时对降水强度、落区的模拟更加准确。     

北太平洋风应力场变异规律及其与黑潮大弯曲和El—Nino的联系

利用COADS资料,计算北太平洋(包括赤道海区)1949—1979年海表面风应力,对其距平场进行矢量场的EOF分解,得到几个主要的距平风应力模态(EOF1—3)。分析了各自的时空分布特征,分析发现,风应力距平场的EOF1和EOF2模态分别对黑潮大弯曲和E1—Nino事件有重要影响,并讨论了其影响过程,为黑潮大弯曲预报的可能性提供了依据。     

ECMWF对不同天气形势下影响浙江台风的路径预报评估

对2012—2016年影响浙江台风进行天气形势场基本分型,依次是:(Ⅰ)东侧副高+浅槽型、(Ⅱ)副高+深槽\低涡型、(Ⅲ)带状副高型、(Ⅳ)副高西伸脊型、(Ⅴ)近海块状副高型、(Ⅵ)其他型。基于此对ECMWF台风路径预报进行评估,包括路径预报距离误差、移向误差和二者的分布特性。结果表明:(1)不同天气型的台风预报:24 h、48 h、72 h的平均距离误差为:57 km,105 km,183 km,其随时效增长增大,以Ⅰ类、Ⅱ类预报效果最差,Ⅲ类和Ⅳ类效果较好,与此对应路径多为登陆浙闽交界或者登陆浙江后西行和登陆台湾二次登陆闽中或登陆闽中转向北上;移向误差绝对值看:24 h、48 h、72 h绝对移向误差分别为5.41°,4.85°,6.46°,从移向偏差看,24 h预报移向总体偏右概率大,而对Ⅰ类预报偏左概率大,Ⅲ类、Ⅳ类预报偏右概率大;Ⅳ、Ⅴ型偏离程度小,Ⅱ型偏离程度大,Ⅰ型、Ⅳ型、Ⅴ型偏离程度随时效增长变化较小,较为稳定,Ⅱ型和Ⅲ型较不稳定;(2)从两种误差的分布可知:影响浙江的台风24 h距离误差主要在100 km内,移向误差范围是-10°～10°;随预报时效增长,离散程度增强,说明移向误差随着距离误差的增大而增大。     

北印度洋海浪背景误差分析和同化预报初步评估

基于背景误差分析中的观测法,利用Jason-1卫星高度计沿轨有效波高数据并结合Wave Watch Ⅲ海浪模式预报结果,进行北印度洋海域海浪背景误差分析,得到海浪场背景误差方差和各向同性假设下背景误差相关长度的时空分布特征。按经验函数拟合该海域有效波高背景误差协方差时总残差平方和最小的原则给出了更为适用于该海域的描述公式。在上述工作基础上,采用最优插值同化方法将Jason-1和Jason-2卫星高度计有效波高数据连续同化到海浪模式Wave Watch Ⅲ,按业务化标准对2013年1月北印度洋海域的海浪场进行了同化预报试验,经浮标数据检验发现同化可使海浪24 h预报得到明显改进。     

在Zebiak-Cane模式中观测MJO强迫对ENSO可预报性的影响, 第1部分:对最大预报误差的影响

With the observational wind data and the Zebiak-Cane model, the impact of Madden-Julian Oscillation (MJO) as external forcing on El Ni(n)o–Southern Oscillation (ENSO) predictability is studied. The obs...     

Short-Range Prediction Experiments with Operational Data Assimilation System for the Kuroshio South of Japan

The short-range (one month) variability of the Kuroshio path was predicted in 84 experiments (90-day predictions) using a model in an operational data assimilation system based on data from 1993 to 1999. The predictions started from an initial condition or members of a set of initial conditions, obtained in a reanalysis experiment. The predictions represent the transition from straight to meander of the Kuroshio path, and the results have been analyzed according to previously proposed mechanisms of the transition with eddy propagation and interaction acting as a trigger of the meander and self-sustained oscillation. The reanalysis shows that the meander evolves due to eddy activity. Simulation (no assimilation) shows no meander state, even with the same atmospheric forcing as the prediction. It is suggested therefore that the initial condition contains information on the meander and the system can represent the evolution. Mean (standard deviation) values of the axis error for all 84 cases are 13, 17, and 20 (10, 10, and 12) km, in 138.5°E, in the 30-, 60-, and 90-day predictions respectively. The observed mean deviation from seasonal variation is 30 km. The predictive limit of the system is thus about 80 days. The time scale of the limit depends on which stage in the transition is adopted as the initial condition. The gradual decrease of the amplitude in a stage from meander to straight paths is also predicted. The predictive limit is about 20 days, which is shorter than the prediction of the opposite transition. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Kuroshio pathways in a climatologically forced model

A high-resolution ocean model forced with an annually repeating atmosphere is used to examine variability of the Kuroshio, the western boundary current in the North Pacific Ocean. A large meander (LM) in the path of the Kuroshio south of Japan develops and disappears in a highly bimodal fashion on decadal timescales. The modeled meander is comparable in timing and spatial extent to an observed feature in the region. Various characteristics of the LM are examined, including relative vorticity, transport, and velocity shear. The many similarities between the model and observations indicate that the meander results from intrinsic oceanic variability, which is represented in this climatologically forced model. Each LM is preceded by a smaller “trigger” meander that originates at the south end of Kyushu, moves up the coast, and develops into the LM. However, there are also many meanders very similar in character to the trigger meander that do not develop into LMs. Formation of an LM only occurs when a deep anticyclone associated with the trigger meander forms near Koshu Seamount. Furthermore, the major axis of that deep anticyclone must be oriented away from the coast, rather than alongshore. In the specific case of interaction of a trigger meander with a deep anticyclone with major axis oriented away from the coastline, LM formation occurs.     

基于自组织映射的日本南部黑潮与黑潮延伸体的典型时空模态及其因果关系研究

过去的研究认为,黑潮延伸体的年代际振荡受来自其下游的太平洋年代际振荡（PDO）相关联的信号主导,但最近的观测表明这种调控机制在2017年9月之后不再成立。与此同时,黑潮延伸体的上游即日本南部黑潮正在发生一次大弯曲事件。利用26年（1993–2018年）的卫星高度计提供的海表高度距平数据和自组织映射（SOM）方法,本文研究了日本南部黑潮与黑潮延伸体的时空模态及其因果关系。结果表明,SOM能有效地提取两个海区的典型空间模态,且它们的演变轨迹表明当日本南部黑潮处于大弯曲（离岸型非大弯曲）路径时,黑潮延伸体趋于稳定（不稳定）态。基于SOM识别得到的海表面高度距平（SLA）特征区及特征时间模态,我们进一步利用一种最近发展的定量因果分析方法研究了两个流系之间的因果关系。研究发现,当黑潮大弯曲发生时,日本南部黑潮和黑潮延伸体之间存在双向因果,但因果关键区不同。前者对后者的影响集中在纪伊半岛东南侧及黑潮延伸体“两脊一槽”区域,而后者对前者的影响则集中在黑潮延伸体“两脊一槽”区域及黑潮再循环流区域。这说明黑潮大弯曲的发展对黑潮延伸体的稳定性有重要作用,同时黑潮延伸体通过调制南部再循环流影响日本南部黑潮的路径。不同的是,当离岸型非大弯曲路径发生时,只有从日本南部黑潮向黑潮延伸体的单向因果关系,且因果性主要集中在伊豆海脊及再循环流区域。这与该时期海表高度负异常沿日本南岸不断向位于下游的黑潮延伸体再循环流的传播有关,它使得黑潮延伸体变得不稳定。     

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.     

Kuroshio extension variability explored through assimilation of TOPEX/POSEIDON altimeter data into a quasi-geostrophic model

Mesoscale features in the eastward extension of the Kuroshio were investigated using assimilation of TOPEX/POSEIDON (T/P) data into a three-layer quasi-geostrophic model. The T/P data exhibited an elongated state of the southern recirculation gyre in 1993–95 and 1997, between whose two periods the gyre had a contracted state in 1995–96. A few stationary eddies were located in the southern gyre during the contracted state. The baroclinic instability, which was indicated by the phase shift from the uppermost-to the lowest-layer anomalies toward the downstream side, was evident near the Kuroshio Extension (KE) path. Since the instability never appeared in the artificial model without bottom topography, the topographic barrier for the eastward flow in the lowest layer was a necessary condition for the instability. The instability synchronized with the transition in the western region of the KE axis from the elongated to the contracted states. This evolution was interpreted as if the baroclinic instability played some part in the KE states and was a trigger for the transition from the elongated to the contracted states.     

Temporal-spatial oceanic variation in relation with the three typical Kuroshio paths south of Japan

Empirical orthogonal function(EOF) analysis was applied to a 50-year long time series of monthly mean positions of the Kuroshio path south of Japan from a regional reanalysis. Three leading EOF modes characterize the contributions from three typical paths of the Kuroshio meander: the typical large meander path, the offshore nonlarge meander path, and the nearshore non-large meander path, respectively. Accordingly, the spatial variation characteristics of oceanic anomaly fields can be depicted by...