中国海高分辨率业务化风暴潮模式的业务化预报检验

国家海洋环境预报中心建立了中国海高分辨率风暴潮数值预报模式,模式在水平分辨率和网格的嵌套方面都较以往的业务化模式有改进和提高.自2003年起将模式投入业务化运行以来,连续三年共对11个台风风暴潮过程进行了跟踪预报,并将数值预报结果与实测资料相对比.本文将对预报模式三年来的预报结果进行检验.     

陆地水体对气候影响的数值研究

本文提出了一个非静力平衡中小尺度数值模式,在模式中包含云的微物理学参数化方案、地面温度和水温预报方案、边界层湍流参数化方案、长波和短波辐射参数化方案,且包含地形。模式具有较好的积分稳定性,能精确地模拟边界层内气候的演变过程。本文用该模式研究了陆地水体对温度、湿度、风和湍流强度的影响,模拟结果与实测资料一致,反映了陆地水体对周围气候环境的影响过程和规律。     

数值预报模式中大气边界层的处理

本文叙述一些数值预报模式中大气边界层的处理。着重讨论大气边界层模式和自由大气模式的耦合、混合层的演变、表面层参数化、卷夹的参数化以及湿热力过程和辐射的作用。指出大气边界层的处理对海洋环境数值预报的重要性。     

中尺度海气浪耦合模式对西北太平洋双台风影响下的海浪预报研究

为了分析中尺度海气浪耦合模式对西北太平洋双台风影响下的海浪预报效果,采用GFS全球预报系统和西北太平洋海洋预报系统预报场驱动区域中尺度海气浪耦合模式,针对西北太平洋一次"双台风"共同影响下的台风浪进行了连续5 d逐日72 h预报,并分析了海浪场预报分布特征,检验了耦合模式的海浪预报性。结果表明,耦合模式能较好地预报出双台风移动路径,以及双台影响下的海浪分布、演变特征。台风浪的最大有效波高与近中心最大风速成正比、中心最低气压成反比的演变规律与模式预报的较为一致,波高的整体预报效果与卫星高度计观测值较为吻合。但台风浪的预报效果受台风强度、所处海域等影响,远海期间海浪的预报效果要优于近海和台风强度明显变化期的。研究结果可为后续耦合模式的台风浪业务化定量预报发展提供有益参考。     

耦合模式中海浪参数对台风浪预报的影响研究

以西北太平洋一次"双台风"共同影响下的台风浪为例,针对模式中风摄入和白帽耗散、底摩擦、波破碎、波-波非线性相互作用等海浪物理过程对台风浪预报的影响进行了敏感性试验分析。在此基础上,基于各物理过程最优参数化方案探讨了耦合模式和单独海浪模式的海浪预报性能,分析了耦合模式的海浪预报场分布特征。结果表明:不同海浪物理过程参数化对于波高预报的准确性是有所差异的。在相对最优的海浪各参数化方案组合下,无论耦合模式还是单独海浪模式都能较好地反映波高的变化和分布趋势。相比而言,耦合模式对于台风浪大值区的浪高预报要比单独海浪模式的更接近观测,且可以很好地刻画出双台风影响下浪的分布演变特征,对于西太平洋台风浪的预报具有很好的适用性。     

基于区域海气浪耦合模式的海洋风场预报性能研究

为评估面向海洋风场的耦合模式预报性能,针对西北太平洋海域,基于一次有无台风过程开展了区域海气浪耦合模式的72 h风场预报应用研究,并重点对1 000 m以下低空风预报进行了GPS观测数据的比对检验评估。结果表明:无论是海面10 m风还是1 000 m以下低空风,耦合模式对无台风日的风场预报效果相对更好;有无台风过程的检验评估均显示,海面低空风预报随时间变化趋势与GPS观测的基本一致,且各高度上均是u分量预报效果好于v分量的;针对台风的耦合模式预报需从模式初始场和物理过程参数化等加以发展完善。     

2002～2003年冬季渤海的冰情及预报

本文简要地分析了2002～2003年冬季渤海冰情特征，将海冰数值预报模式与传统的中长期海冰统计预报有机地结合起来，有效地提高了海冰预报精度，初步形成预报时效互补、点面结合、预报产品多样化、预报传递网络化的业务化海冰预报系统，满足不同用户和社会的需求，在防冰减灾工作中提高了经济和社会效益。     

基于GPU技术的风暴潮集合预报

台风预报的准确性在风暴潮预报中起着重要作用。台风强度和路径的不确定性意味着使用集合模式来预报风暴潮。本文利用中央气象台的最优路径台风参数驱动国家海洋环境预报中心业务化的水动力学模型，开展华南沿海的风暴潮模拟，模式模拟结果与实测吻合较好。为了改进计算效率，采用CUDA Fortran 语言对模型进行了改造，改造后的模型在计算结果与原模型基本一致的基础上，计算时间缩短了99%以上。通过融合欧洲中期天气预报中心（ECWMF）的50条路径与3种可能台风强度构造出了150个台风事件，并用150个台风事件驱动改进的风暴潮数值模型，计算结果可以提供集合预报产品和概率预报产品。通过“山竹”台风风暴潮过程可以发现集合平均预报结果和概率预报结果与实测吻合较好。改进的数值模型可以运行普通工作站上，非常适合风暴潮集合预报，并且可以提供更好的决策产品。     

马尔代夫海域水位、海流数值预报研究

基于无结构有限体积法海洋模式(FVCOM),建立了马尔代夫双重嵌套的水位、海流预报模式,并实现了业务化运行。利用三角网格提高重点区域(马尔代夫大桥及岛屿附近海域)的分辨率,最高网格分辨率达到45 m。垂向分层采用σ-s混合坐标的方式划分,分为31层,分别在表层和底层进行加密。采用GFS预报的风场、气压场和热通量结果制作模式表面强迫场文件。在开边界处与HYCOM预报结果进行嵌套,在斜压条件下,采用热启动的方式,业务化模拟了马尔代夫海域2020年的水位流场过程。结果表明,模式能够较好地再现计算海域内天文潮和综合水位的预报,模式预报的水位值与潮位站实测值非常接近。     

WRF模式中台风"启德"模拟对 参数化方案的敏感性分析

为准确模拟台风路径和强度,采用WRF模式比较不同微物理过程和积云对流过程参数化方案对台风路径和强度模拟的影响,并基于集合预报方法考虑对台风预报系统误差进行优化。选用4种微物理过程方案和3种积云对流参数化方案,针对1213号台风“启德”进行模拟,结果表明不同的参数化方案对台风路径和强度的预报结果有明显影响,积云对流过程参数化方案相对于微物理过程参数化方案更加敏感。基于不同参数化方案扰动成员的集合平均预报方法,对于台风路径和强度的模拟误差均有明显改善,台风路径误差随时间增幅较小,其结果优于全部12个单方案试验的模拟结果;从台风强度方面来看,基于集合预报方法模拟得到的台风强度变化趋势与实况结果一致,且误差较小,优于大多数试验方案。结果表明:采用不同微物理过程和积云对流过程参数化方案的组合构建的集合预报模型,对于台风路径和强度的模拟均有一定程度改善,减小了采用不同参数化方案产生的路径不确定性,使其在台风“启德”的路径模拟上与实况更为接近,可为提升台风预报能力提供科学参考。     

夏季东、黄海沉积物中甲烷的分布和沉积物-水界面通量

沉积物释放是海洋环境中甲烷(CH_4)的重要来源。通过2013年7月和8月两个航次,对东、黄海泥质区沉积物中CH_4浓度的垂直分布和沉积物-水界面通量进行了研究。结果表明,除个别站位外,黄海沉积物(50 cm以浅)中CH_4的浓度变化范围在0.2～1.0μmol/L之间,长江口及浙闽沿岸附近的沉积物中CH_4浓度则要更高(1.0～2.0μmol/L),而东海东部海域沉积物中CH_4浓度波动范围为0.2～3.0μmol/L。总体来说,东、黄海沉积物中CH_4浓度偏低,这可能与观测到的高浓度硫酸盐(20 mmol/L)有关。通过整柱密室培养实验估算出东、黄海沉积物-水界面CH_4释放速率在0.64～2.12μmol/(m2·d)之间,东、黄海沉积物CH_4释放总量为6.7×108 mol/yr;但采用菲克定律估算的CH_4扩散通量则要比现场培养的结果低2～5倍,表明不同的方法在估算沉积物-水界面CH_4通量上还具有一定的不确定性。     

东海黑潮温、盐度与中国东部气温和降水的相互关系

采用东海黑潮主流段长时间序列的实测温盐资料,研究了东海黑潮上层温度、上层盐度的变化及其与中国东部降水和地面气温的关系.结果表明,在过去50 a内,东海黑潮上层海温呈上升趋势,而上层盐度略呈下降趋势.东海黑潮上层海温和我国东部地面气温的关系在冬季十分密切,呈现出大面积显著的正相关,这与冬季南下冷空气的整体降温作用有关.夏季,长江中下游江水的增多致使大量长江冲淡水入海,可能是导致黑潮上层水盐度下降的一个原因,此时东海黑潮上层盐度与我国大陆东部降水呈负相关.     

长江口南港底沙输移及其对南、北槽分汊口的影响

以1958年以来浏河口至横沙水文站之间南港系列水下地形图数字化分析资料为基础，以成形活动沙洲和隐形活动沙包作为底沙推移的判别标志，研究底沙输移规律，底沙输移对南港河槽分化和南、北槽分汊演变趋势的影响。研究结果表明长江口底沙活动范围向口门地区推移，底沙绝大部分进入南槽。     

长江口外赤潮多发区近几十年来的古生产力记录及环境意义

选取长江口外赤潮多发区沉积物柱状样,在高分辨率测年基础上,通过有机碳、有机碳同位素(δ13C)、生物硅、绿素等多项指标的分析获得了调查海区古生产力的变化信息。并结合近几十年来营养盐浓度及组成结构的变化探讨了海洋浮游藻类组成结构的变化在海洋古环境中的记录。柱状样年代可追溯到20世纪40年代初。δ13C值在柱中的分布为-26.15×10-3~-19.5×10-3,表明有机碳为陆源与海生的混合。生物标志物在柱状样中的分布可大致分为三个阶段,50年代以前含量均较低;50年代至80年代含量均增加,表明海洋浮游藻类活动强烈且以硅藻为主,与此阶段长江口营养盐浓度迅速增加相对应;80年代以后,生物硅的含量下降至整个柱中最低水平,绿素有所降低,但高于50年代前的水平,而有机碳含量增加,表明在该时段硅藻生物量降低,其他藻类生物量有所增加,这与长江口营养盐氮盐持续增加而硅酸盐逐年降低、氮与磷的含量比值、磷与硅的含量比值迅速增大有关。沉积记录还表明此阶段陆源有机碳的贡献增强。     

2008年夏季白令海和北冰洋异养浮游细菌丰度与分布特征

利用2008年夏季我国第3次北极科学考察资料,基于流式细胞技术,对白令海北部陆架区的微微型浮游植物丰度、细胞大小(碳含量)、色素浓度的分布特征进行了分析,并对该类群的环境适应性进行了研究。结果表明,微微型浮游植物中仅含聚球藻和真核藻,其丰度范围分别为0.14×106 2.69×106和0.23×106-12.49×106个/dm3。聚球藻的叶绿素a和藻红蛋白含量、微微型真核藻的叶绿素a含量与类群丰度以及微微型真核藻的类胡萝卜素含量与细胞大小间均存在同向变化趋势。两类藻偏向于喜温嗜淡型,更适合在寡营养环境中保持较高的丰度,但能在高营养盐浓度下形成相对较高的碳含量。越接近陆地,细胞越小,丰度越大,碳含量及FL2/FL3越低;所处层位越深、纬度越高,则细胞越大,碳含量及FL2/FL3越高。北极气温升高和径流量的增加有利于陆架区微微型浮游植物类群丰度的增加。     

波浪和太阳短波辐射对渤、黄海夏季温度垂直结构的影响

基于普林斯顿(POM)模式,采用不同的垂直混合方案并考虑太阳短波辐射的作用,对渤海、黄海夏季垂直热结构进行了数值试验。试验结果表明,夏季波浪混合控制着渤海、黄海上混合层的形成,加入波浪混合能明显改善陆架浅海的夏季温度垂直结构。太阳短波辐射对渤海、黄海夏季上层垂直热结构有一定的作用,研究夏季海洋上层垂直热结构应该包括太阳短波辐射的影响,特别是对于水深相对较深的黄海。     

崎岖列岛海区百年冲淤特征及其原因

由南、北两列岛屿群组成的崎岖列岛海区,近百年来总体表现为淤积,年均淤积速率约２．３ｃｍ／ａ。然而,不同时期表现不同的冲淤演变过程。通过图件对比分析并结合海区水文泥沙和长江口河槽演变的研究得出,近百年来该海区总体冲淤演变主要受制于长江口河槽演变：而局部的冲淤变化与该海区独特的动力泥沙及其峡道效应有关,海区的冲淤分布特点反映出峡道效庆的显著影响。