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。     

中国近海及其邻近海域海气热通量的模式计算

应用美国宇航局Goddard地球观测系统四维资料同化系统计算和分析了近海海域感热通量和潜热通量的季节性变化规律和地理分布特征.结果表明,近海各季感热通量冬、秋季较大,春、夏季较小.其地理分布特点是冬季感热通量的分布随纬度变化十分明显,纬度越高感热通量越大,且等值线分布密集.在台湾以东、日本以南海域,感热通量等值线呈西南一东北走向.在南海海域,感热通量比周围海域略低,感热通量等值线在该海域呈一低值倒槽分布;潜热通量冬、秋季在台湾东北部、日本南部和东南部海域形成最大值区,等值线呈西南东北走向.春、夏季在黄海海域存在潜热通量的极小值区,同时春季在日本南部海域存在潜热通量的极大值区或最大值区.因为台湾以东、日本以南海域正好是黑潮流经的区域,所以此海域的热通量与黑潮有密切关系.     

穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响

用数值方法研宄穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响时,有些学者人为地设定了风速和热通量。这种做法可能会出现风速和热通量数值不匹配的问题。为了弥补这一缺陷,本文采用国内外常用的块体公式计算热通量的方法来代替人为设置,并以北太平洋为例,研究了穿透性太阳短波辐射对海洋混合层深度的影响。结果表明:低风速(U10<10m／s),且海表短波净辐射处于40～200 W／m2时,穿透性太阳短波辐射对混合层深度影响很显著;高风速(U10>10m／s)和短波净辐射高值区(S*(0)>200 W／m2),穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响较小。     

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。     

海气界面热通量交换对南海深水海盆SST持续增暖的可能贡献

20世纪后50年南海深水海盆SST持续增暖了0.64℃,为了探究其持续增暖的机制,使用IPCC模式比较试验CGCM3.1(T47)、CGCM3.1(T63)、CSIRO-Mk3.0、GFDL CM2.0这4个模式输出资料中的辐射通量、湍流热通量、比湿、风、云量、气温、海平面气压及海温数据,计算了各海洋、气象要素的变化趋势,估算了热通量各分量,发现20世纪后50年期间SST的持续增暖似乎不能依据海面热通量的变化来解释。主要证据如下:夏季风的减弱使得海面潜热减少了约4.9W/m2,但由于海温升高、蒸发加强又使潜热增多了大约同样的值,使得夏季南海深水海盆总的潜热通量变化较小;夏季大气水汽含量的增多促使海面长波辐射增多了约1.8 W/m2,加上感热通量等变化的效应,海洋净得热增多了约3.0 W/m2;但是,20世纪后50年内冬季风的增强和冬季海温升高致使海洋潜热增多了约7.3 W/m2。由于20世纪后50年潜热释放大于海面长波辐射增多,无法只用海面热通量解释SST持续增暖现象,指出了南海海洋动力过程可能在维持南海深水海盆50年来SST持续增暖中的重要性。     

西太平洋暖池区域热通量变化及其与南海夏季风爆发的关系

利用卫星遥感资料反演出的海洋大气参数,应用目前世界较为先进的通量算法(CORAER 3.0),计算了西太平洋区域海-气热通量(感热通量和潜热通量)。首先分析了海-气热通量的多年平均场和气候场变化的基本特征,以及年际和年代际变化特征;进而对其与南海夏季风爆发之间的关系进行了初步探讨。结果表明,西太平洋海-气热通量具有明显的时空分布特征,感热通量的最大值出现在黑潮区域,潜热通量的最大值出现在北赤道流区和黑潮区域。在气候平均场中,黑潮区域的感热通量和潜热通量最大值均出现在冬季,最小值出现在夏季;暖池区域感热通量除了春季较小外,冬、夏和秋季基本相同,而潜热通量最大值出现在秋、冬季,最小值出现在春、夏季。另外,海-气热通量还具有显著的年际变化和年代际变化,感热通量和潜热通量均存在16 a周期,与南海夏季风爆发存在相同的周期。由相关分析可知,4月份暖池区域的海-气热通量与滞后3 a的南海夏季风爆发之间存在密切相关关系,这种时滞相关性,可以用于进行南海夏季风爆发的预测,为我国汛期降水预报提供科学依据。基于以上结论,建立多元回归方程对2012年的南海夏季风爆发进行了预测,预测2012年南海夏季风爆发将偏晚1～2候左右。     

TOGA-COARE IOP部分观测资料初步分析

初步分析中国科学院南海海洋研究所《实验3号》科学考察船在TOGA—COARE IOP连续三个航次中部分CTD和ADCP原始观测资料指出:90-210m间大于35的盐度极值除存在准日周期变化外,在量值上还存在约73d的周期变化。但受资料长度的限制,目前尚无法确定上述周期是否属于稳定周期。在上述深度范围内亦存在较低盐度和温度水体侵入现象,其强度存在10—15d的周期变化。等温线和等密度线常出现振幅达10m以上,周期约3d的振荡,而且有时表现出次中尺度涡(submesoscale eddy)及涡旋链特征。比较风、SST、混合层深度间的关系时发现,风强度和大风维持时间对SST和混合层深度的影响很大,如西风暴发过程可使平均SST降低0.5℃左右,使平均混合层深度加深8m以上。分析西风暴发过程及西风暴发后洋流铅垂变化和洋流随时间变化发现,西风暴发过程导致79m以浅深度上的东向射流,且19m深处流动随时间顺时针改向,79m深处流动随时间逆时针方向改向。     

2008年南海季风爆发前后西沙海域海气通量变化特征

基于2008年4至5月在南海西沙永兴岛进行的海气通量观测试验资料和NCEP资料,应用COARE3.0通量算法计算了海气通量,分析了季风爆发前后西沙海域天气变化特点和海气通量对南海季风爆发的响应。结果表明:2008年南海季风首先于5月第1候在南海南部爆发,受热带气旋等因素的影响,北部海区季风爆发推迟到5月18日。季风爆发和热带气旋活动对西沙海域的风速和海气通量影响较大,其中热带气旋的影响更强烈。热带气旋来临之前,潜热通量、感热通量以及动量通量均较小;在气旋活动及此后的季风爆发时期,大风使潜热通量和动量通量显著增强,感热通量则在降水期间变化明显;动量通量的最大值出现在热带气旋活动期间,其在此过程中的均值是观测初期均值的3倍以上。在整个观测过程中,潜热通量明显大于感热通量,后者是前者的16∶1。不同类型天气过程中,潜热通量的日变化相似,而感热通量的日变化有差异。湍流交换系数与风速有较好的相关关系。     

2006～2007年北部湾海-气热通量变化特征

用2006年夏～2007年秋在北部湾获得的船测气象资料,由块体公式计算了海-气通量.结果表明:北部湾春、夏季节获得热通量,而秋、冬季节失去热通量.春季通过湍流交换造成的热通量对海面热平衡的贡献最小,其次是夏季、冬季和秋季.在年平均尺度上感热通量和潜热通量分别占净辐射通量的7.4%和77.4%,15.2%的净辐射热量通过海洋过程消耗掉.感热通量随海-气温差的加大而增大,而与风速之间呈现复杂的非线性关系.海-气温差增加1 ℃,感热通量增加6.7～12.7 W/m2;较大的感热通量(>30 W/m2)容易出现在5～10 m/s风速条件下.潜热通量与风速和相对湿度呈明显的相关关系:风速增加1 m/s,潜热通量增加约18 W/m2,而相对湿度下降1%会导致6 W/m2潜热通量的增加.     

20世纪90年代后期南海上层海温变化趋势的转折

In this paper, the interdecadal variability of upper-ocean temperature in the South China Sea(SCS) is investigated based on several objectively analyzed data sets and two reanalysis data sets. The trends of the SCS sea surface temperature(SST) have changed from warming to cooling since the late 1990 s. A heat budget analysis suggests that the warming of the surface mixed layer during 1984–1999 is primarily attributed to the horizontal heat advection and the decrease of upward long wave radiation, with the net surface heat flux playing a damping role due to the increase of upward latent and sensible heat fluxes. On the other hand, the cooling of the surface mixed layer during 2000–2009 is broadly controlled by net surface heat flux, with the radiation flux playing the dominant role. A possible mechanism is explored that the variation of a sea level pressure(SLP) over the North Pacific Ocean may change the prevailing winds over the SCS, which contributes to the change of the SST in the SCS through the horizontal heat advection and heat fluxes.     

“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     

2008/2009年冬季南海冷涌天气过程的海-气热通量交换及热量收支

冬季风期(11月—翌年3月)南海显著的气候特点是盛行东北季风并频繁地发生冷涌天气过程。使用2008年10月到2009年4月在西沙群岛永兴岛近海进行的海-气通量观测试验资料,分析了西沙海域冬季风期,尤其是冷涌时段的海-气通量交换和热量收支特征。结果表明:冬季风前期由于海-气温差增大,感热通量比西南季风期稍增加;潜热通量平均值与西南季风期接近;太阳总辐射明显降低,大气长波辐射减小,海洋热量净收入成为负值,使得秋季之后海面温度不断降低。冷涌期间海-气之间的感热通量高于冬季风期平均值,潜热通量大部分(1月份之前)也高于冬季风期平均值;由于潜热通量增大和太阳短波辐射减小,1月份之前的冷涌过程海洋热量净收支普遍出现较大负值,海洋失热量强于冬季风期,甚至强于2008年台风过程平均值。到了冬季后期太阳总辐射增强,海洋热量净收入转为正值,海水温度又逐渐升高。季节之间比较,观测区感热通量以冬季风期间最大,秋季次之,春季最小;而潜热通量夏季风期出现最大值,冬季次之,秋季最小。     

南海混合层深度的季节变化及年际变化特征

通过分析新的SODA(Simple Ocean Data Assimilation)资料,得到南海混合层时空场的分布特征,剖析了南海混合层深度的季节及年际变化特征。资料分析表明:南海混合层存在着显著的季节和年际变化,且两者的均方差分布存在一定的差异。在季节变化中,冬季混合层在南海北部及西北陆架区深,在南海南部及吕宋冷涡处浅;夏季混合层在南海西北部浅,东南深。南海这种混合层深度分布特征除了与热通量的季节变化有关外,在相当大的程度上与季风引起的Ekman输送及Ekman抽吸有关。混合层深度距平场EOF(Empirical Othorgnal Function)第一模和第二模时间变化的主信号均为周期的年际变化信号,其中第一模态约为3 a,第二模态则有1.8,2.4和4.3 a的3个显著周期。EOF第一模显示混合层深度在南海东南部年际变化幅度最大,且滞后Nino3指数7个月时相关性最好(相关系数为0.422 3);EOF第二模显示在南海南部和北部混合层深度呈反位相变化。     

2000年南海季风爆发前后西沙海域海-气热量交换特征

利用2000年5月6日至6月17日在西沙海域进行的第二次南海海-气通量观测资料,计算了南海季风爆发前后海洋-大气间的辐射收支、感热通量、潜热通量及海洋热量净收支;发现季风爆发后海-气热量交换突然发生变化,其中潜热通量、海洋热量净收支变化尤为显著。讨论了季风爆发前后各种天气过程影响下海-气热量、水汽交换特点和海洋热量净收支变化,说明季风爆发前海洋是一个能量积累过程,季风爆发期海洋是一个能量释放过程,季风中断期海洋是一个能量再积累过程;季风爆发后西南大风期持续时间和强度,强烈影响水汽蒸发量大小,进而影响我国大陆上夏季降水,通过南海与阿拉伯海、孟加拉湾、西太平洋暖池等不同海域资料对比,分析了它们在海-气热量交换上的差别,指出这种差别是爆发后南海SST基本稳定而阿拉伯海、孟加拉湾SST明显降低的主要原因。     

Effects of the seasonal variation in chlorophyll concentration on sea surface temperature in the global ocean

The effects of biological heating on the upper-ocean temperature of the global ocean are investigated using two ocean-only experiments forced by prescribed atmospheric fields during 1990–2007, on with fixed constant chlorophyll concentration, and the other with seasonally varying chlorophyll concentration. Although the existence of high chlorophyll concentrations can trap solar radiation in the upper layer and warm the surface, cooling sea surface temperature (SST) can be seen in some regions and seasons. Seventeen regions are selected and classified according to their dynamic processes, and the cooling mechanisms are investigated through heat budget analysis. The chlorophyll-induced SST variation is dependent on the variation in chlorophyll concentration and net surface heat flux and on such dynamic ocean processes as mixing, upwelling and advection. The mixed layer depth is also an important factor determining the effect. The chlorophyll-induced SST warming appears in most regions during the local spring to autumn when the mixed layer is shallow, e.g., low latitudes without upwelling and the mid-latitudes. Chlorophyll-induced SST cooling appears in regions experiencing strong upwelling, e.g., the western Arabian Sea, west coast of North Africa, South Africa and South America, the eastern tropical Pacific Ocean and the Atlantic Ocean, and strong mixing (with deep mixed layer depth), e.g., the mid-latitudes in winter.