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。     

海洋中尺度涡旋源汇空间分布特征研究

借助卫星高度计数据,对中尺度涡进行识别和追踪;以16年内中尺度涡个数上的生消为判据,发现中尺度涡在除赤道外的全球大洋中生消频繁,但在海盆内区并没有明显的生成占优区或消亡占优区;而在中纬度近岸的狭窄东边界内中尺度涡生成居多,在另一侧近岸的狭窄西边界中尺度涡消亡居多。同时,我们以一阶斜压模态所对应的特征深度作为两层结构的内界面深度,并假定涡动能平均分配于正压模态和一阶斜压模态,计算得到了包含涡动能和涡有效重力位能的中尺度涡能量年平均净生成率和净耗散率,发现虽然海盆西边界是涡场能量耗散大于能量生成的区域,但强耗散过程实际上在海盆西侧内区的强流及其回流区均有发生。另外,中尺度涡生消个数差值的分布与中尺度涡能量净生成率和净耗散率的分布表明,虽然海盆东边界近岸区域内中尺度涡的生成居多,但该区域中尺度涡的能量偏弱,因此该区并非涡场能量的主要源区。     

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...     

南海十问

南海环流及其与世界大洋的联系带来许多重要的科学问题.本文前瞻性地提出了南海十个近期值得关注的重点研究方向,包括季风控制南海的通风问题、水团的形成和变性、海洋热盐及其质量平衡、环流能量学与海洋混合、中尺度涡、台风的海洋效应、深层海洋环流与古气候记录、南海与邻近大洋的相互作用、上升流与生态系统、以及对南海气候变化的响应.     

1973年夏季一个反气旋型涡旋的初步分析

六十年代以来,海洋学上的一项重要成果是发现了海洋中存在着“中尺度”涡。其空间尺度为数百公里,时间尺度为数月,流速约为10厘米/秒。它可与大气中的气旋、反气旋相比拟,并具有巨大的能量,是决定海洋水文变化的重要因子之一。这种巨大的能量,在海洋能量分配和转化过程中起着重要的作用。“中尺度”涡的发现和研究,不仅对搞清大洋总环流的变异有重要意义,而且对于反潜战环境条件、海洋生物分布和海-气交换等的描述也有重要作用,并将对海洋环境预报提供重要的理论基础。近几年来,人们发现中尺度涡不仅存在于世界大洋,而且还存在于边缘海。1975年,     

中国近海中尺度涡分区分类与影响初探

海洋中尺度涡作为物质循环、能量串级和信息传递的关键尺度和重要环节,具有丰富的热动力学内涵。文章基于中国近海及毗邻海域的涡动能分区,重点综述中尺度涡的运动属性、动力学本质和局地特征,从尺度局限与尺度关联的角度阐示中尺度涡旋的扰动生成、传播、能量级联和耗散,及其在海洋多尺度动力过程、热盐配置、生源要素调控和中尺度海气相互作用中的影响,并就相关科学问题和进展提出研究建议。研究结果表明：研究中尺度涡的演变规律对理解海洋物质能量传递的多维度层次、尺度规模和过程形式具有重要意义,需整体加深海洋中尺度涡自适应观测和可预报性研究,增强海洋中尺度涡的尺度演绎分析和特异性分析,建立从天气尺度到气候环境变化、生物生态影响以及致害致灾风险的能量信息通道,构建中观海洋生态系统动力学理论与模型,探索海洋中尺度涡精细化灾害风险预评估区划和安全保障新途径。     

南海中尺度涡对深层流调控作用的个例研究

南海深层环流作为印太海域热盐环流的重要组成部分,研究其时间变异特征对于深入认识印太海域大洋环流具有重要意义。中尺度涡作为南海极为活跃的动力过程,有观测显示其影响深度可超过2000m。结合海表面高度计资料与潜标观测资料,识别南海区域中尺度涡,并分析了中尺度涡对深层流场以及温度场的影响。针对三个中尺度涡的潜标实测结果表明:在涡旋经过时,海洋深层流动有明显的变异,表现在速度、温度方面,速度增加量能达到5.5cm/s,温度变异可达到0.02℃。涡旋经过时,海洋上层、深层流向呈相反态势,第一斜压模动能显著增强。     

印度洋中尺度涡遥感调查和验证

海洋湍流的基本结构之一是各种尺度的涡旋,既有构成背景场流的随机小尺度涡旋,又有在统计意义上存在拟序结构的中尺度涡。针对印度洋广泛存在的中尺度涡,研究使用长时间序列、空间分布均匀的卫星测高数据,开展了印度洋中尺度涡遥感调查和结果验证。结果显示,印度洋中尺度涡主要分布在南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡以及北印度洋的阿拉伯海以及孟加拉湾。北印度洋由于空间区域所限,其中尺度涡生命周期和移动距离均较小;而南印度洋存在大量长生命周期的中尺度涡,部分涡旋可以横跨整个南印度洋运动。基于ARGO现场观测数据以及多源海洋三维再处理数据,对中尺度涡遥感调查结果进行了验证,中尺度涡表层遥感信号与水下温度信号显示了较好的一致性。     

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。     

西北太平洋中尺度涡半径与涡动能的统计关系

中尺度涡的半径与涡动能之间的关系及其内在机制的研究,对我们理解中尺度涡旋的三维结构特征及其变异规律有很大的帮助。本文利用AVISO卫星高度计融合数据,基于流场几何特征的识别方法对西北太平洋(10°～52°N, 120°～180°E)的中尺度涡进行了识别追踪,并由此分析了该区域内中尺度涡的半径与涡动能(Eddy Kinetic Energy, EKE)的统计关系。结果表明该区域中尺度涡的半径与EKE之间存在类似翻转高斯函数的递增关系,特别是在涡旋半径达到一定程度后,EKE将不随半径的变大而继续增强。而且该关系与纬度密切相关,相同半径条件下,涡旋的EKE近似与其所在纬度的第一斜压Rossby变形半径的平方呈反比。进一步分析表明该统计关系与中尺度涡所处的发展阶段没有明显的联系。该结果为建立一个实用性的参数化、归一化的中尺度涡模型提供了一定的理论基础。     

Surface available gravitational potential energy in the world oceans

Satellite altimetry observations, including the upcoming Surface Water and Ocean Topography mission, provide snapshots of the global sea surface high anomaly field. The common practice in analyzing these surface elevation data is to convert them into surface velocity based on the geostrophic approximation. With increasing horizontal resolution in satellite observations, sea surface elevation data will contain many dynamical signals other than the geostrophic velocity. A new physical quantity, th...     

南黄海涡动能及其谱特征的季节性变化

为进一步了解南黄海涡动能的季节变化特点,本文利用气候态月平均数据分析了南黄海涡动场的季节变化规律,并通过计算动能通量谱探讨了相关的变化机制。结果显示,南黄海涡动能在季节变化尺度上存在双峰结构,9月和1月各存在一个峰值,9月峰值较大,1月峰值较小。而且,上半年南黄海存在的涡主要为经向伸长,下半年主要为纬向伸长。动能通量谱的计算结果显示,9月存在的涡动能峰值主要是斜压不稳定过程直接作用的结果,而1月的峰值主要与涡涡相互作用相关。本文从一个新的角度(涡动能)对南黄海进行了探究,有利于加深人们对该海域海水动力机制的认识。     

基于CMIP5模式与Argo观测数据的海洋有效重力势能分析

有效重力势能作为重力势能中活跃的部分，能够参与海洋能量循环。本文计算和评估了CMIP5中9个模式的全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能和200～500 m深度范围内的中尺度有效重力势能，并与由BOA_Argo观测数据计算的结果进行比较。分析表明，就全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能而言，多数模式的计算结果均大于由Argo观测数据计算的结果。通过比较有效重力势能的空间分布特征，发现在强动力活跃区（特别是黑潮、湾流、南极绕极流区），模式与观测相差较大，其差别主要来源于观测与模式中扰动密度的差异。此外，在黑潮和南大洋区域，涡动能和有效重力势能具有较高的时间相关性，而在北大西洋湾流区域，两者的相关性较低；功率谱分析显示中尺度有效重力势能与涡动能都存在显著的半年和年变化周期。     

Seasonal variation of eddy kinetic energy in the South China Sea

Mesoscale eddy activity and its modulation mechanism in the South China Sea (SCS) are investigated with newly reprocessed satellite altimetry observations and hydrographic data.The eddy kinetic energy ...     

北太平洋黑潮延伸体区域和副热带逆流区域中尺度涡能量特征研究

不同科研工作者对黑潮延伸体区域和北太平洋副热带逆流区域的中尺度现象进行过不同的研究，但对两区域中尺度涡进行统一比较分析的工作较少。因此，本文利用11年的卫星高度计海表面高度异常资料分别对这两个区域的中尺度现象特征及其能量变化过程进行系统的分析和对比。研究发现，两区域的气旋涡与反气旋涡在分布、振幅、能量和寿命上均存在差异；进一步的动能谱分析和能量串级讨论发现:两区域的动能谱密度虽均集中在2×10–3～4×10–3 周/km的波数域上，但黑潮延伸体区域大部分涡旋信号分布在经向上，而北太平洋副热带逆流区域主要分布在纬向上，这可能与两区域中尺度涡能量来源的不同有关。由于两区域在2×10–3～3×10–3 周/km的波数域上动能转移项以负值为主，这说明两区域在此波数域上均存在能量源，并且发生能量逆向串级。     

Features of eddy kinetic energy and variations of upper circulation in the South China Sea

The features of eddy kinetic energy (EKE) and the variations of upper circulation in theSouth China Sea (SCS) are discussed in this paper using geostrophic currents estimated from Maps of Sea Level Anomalies of the TOPEX/Poseidon altimetry data. A high EKE center is identified in the southeast of Vietnam coast with the highest energy level 1 400 cm2 ·s~(-2) in both summer and autumn. This high EKE center is caused by the instability of the current axis leaving the coast of Vietnam in summer and the transition of seasonal circulation patterns in autumn. There exists another high EKE region in the northeastern SCS, southwest to Taiwan Island in winter. This high EKE region is generated from the eddy activities caused by the Kuroshio intrusion and accumulates more than one third of the annual EKE, which confirms that the eddies are most active in winter. The transition of upper circulation patterns is also evidenced by the directions of the major axises of velocity variance ellipses between 10°and 14.5°N     

南大洋太平洋扇区中尺度涡旋的统计特性及其变化

中尺度涡旋在南大洋海洋动力学中具有重要地位,其对气候变化的响应表现也引起了海洋学家与气候学家的广泛关注。本文利用涡动动能与涡旋自动探测技术两种方法对南大洋太平洋扇区的涡旋特性及其变化进行了分析。与前人结果相一致的是,高值的涡动动能主要集中在南极极锋海区,并且自西向东逐渐减弱。在过去的20年里,涡动动能在太平洋扇区的显著增强也集中在中西部海域,这里也是南极绕极流斜压性较强的海域。涡旋统计特性揭示了涡动动能的空间分布及其年际变化主要归因于涡旋振幅与旋转速度,而并非涡旋个数或者涡旋半径。这些结果进一步确认了对应于南半球环状模正位相的绕极西风异常改变了南大洋的涡旋特性,从而表现出涡旋活跃性增强。     

南海冷涡区域SST及冷涡动能、有效重力位能对热带气旋的响应

选择了12个个例,分析了冷涡区域海表面温度(sea surface temperature, SST)对热带气旋(tropical cyclone, TC)的响应。在TC的影响下,冷涡区域SST降低的最大值在2.7—9.15℃,冷涡平均降温1.35—5.89℃。冷涡SST降低与TC移动速度有很好的反向关联,移动速度越慢,冷涡SST降低越多。冷涡SST降低与TC平均最大风速有较好的正向关联,最大风速越大,冷涡SST降低越多。TC对冷涡的能量改变起着重要的作用,TC经过冷涡后,冷涡的动能(eddy kinetic energy, EKE)、有效重力位能(available gravitational potential energy, AGPE)有明显增长,并且EKE的增长小于AGPE的增长。TC作用前后EKE、AGPE的增长与冷涡区域SST降低的平均呈正向关联,表明在TC的影响下,冷涡的EKE、AGPE的改变能够反映SST降低的程度,或者说SST降低的多少能够反映冷涡EKE、AGPE改变的程度。