中国物理海洋学研究70年:发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团，以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强，研究领域不断拓展，涌现了大量具有广泛影响力的研究成果，其中包括:提出了被国际广泛采用的“普遍风浪谱”和“涌浪谱”，发展了第三代海浪数值模式；提出了“准调和分析方法”和“潮汐潮流永久预报”等潮汐潮流的分析和预报方法；发现并命名了“棉兰老潜流”，揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等，系统描述了太平洋西边界流系；提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流)；不断完善了中国近海陆架环流系统，在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流，以及陆架波方面均取得了深刻的认识；从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结；发展了浅海水团的研究方法，基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制，在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献；阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制，揭示了中尺度涡的三维结构，定量评估了其全球物质与能量输运能力；基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征，提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制；构建了“南海内波潜标观测网”，实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识；发展了湍流的剪切不稳定理论，提出了海流“边缘不稳定”的概念，开发了海洋湍流模式，提出了湍流混合参数化的新方法等；在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识，并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响；研发了全球浪–潮–流耦合模式，推出一系列海洋与气候模式；发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统；建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模 型实验平台；发展了ENSO预报的误差分析方法，建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系，揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应；初步建成了中国近海海洋观测网；持续开展南北极调查研究；建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统，为中国气象减灾提供保障；突破了国外的海洋技术封锁，研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器；建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型，为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示，经过70年的发展，中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍，这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军。     

日本海中尺度涡旋时空变化特征研究

本文利用1993–2019年基于海表面高度异常的涡旋数据集和高度计数据统计分析了日本海区域中尺度涡旋的大小、极性、生命周期、振幅、传播等表面特征的时空变化规律。27年间,共探测到1 429个涡旋,气旋和反气旋数量基本相当,其中气旋675个,反气旋754个。两种极性涡旋均具有较强的季节变化:秋季较多,冬季次之,春季最少。郁陵盆地、大和盆地等为涡旋多发区域呈现西南–东北向带状分布。其中,南部海域反气旋占优,靠近津轻海峡的北部海域气旋占优。西部和南部受东韩暖流和对马暖流的驱动,涡旋移动方向与流场基本一致,北部涡旋与黎曼寒流以及副极地锋流有关。研究表明,动力学不稳定是涡旋在秋冬季大量产生的重要原因。此外,半封闭盆地、局地流场以及复杂的海气相互作用等都可能会对涡旋的产生和消亡造成一定影响。     

1951—2015年进入东海的台风频数及登陆点的变化

利用日本气象厅提供的西北太平洋台风最佳路径观测资料,选取东海海区为研究范围,统计处理1951—2015年台风各要素资料,研究进入东海海区的台风频数、台风登陆点位置、台风频数及登陆点位置与太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）及ENSO的关系、影响台风生成和移动的因素等。结果表明：1）每年的7—9月为东海海区的台风高发季,其中8月最高,登陆台风也有相似趋势。2）进入东海海域的台风频数存在较明显的年际和年代际变化趋势。当PDO处于暖位相时,台风频数较小且有上升趋势,反之亦然。El Niño年进入东海海区的台风频数较常年减少,反之亦然。Niño3.4指数与台风频数整体上为负相关关系,相关系数为-0.32且通过90%置信度检验。3）进入东海海域的台风登陆点纬度变化较大,处于24~36°N之间,且有年代际变化特征。当PDO处于暖（冷）位相时,台风登陆点偏北（偏南）且有向北（南）移动的趋势。而登陆点纬度与ENSO的关系较为复杂。4）西北太平洋副热带高压的位置和强度是引起台风频数及登陆点位置变化的主要原因之一。当PDO处于冷位相时,西北太平洋副热带高压强度偏弱,且副高中心向东向北方向移动,导致进入东海的台风频数偏多,且台风登陆点偏北,反之亦然。     

卫星高度计海面高度时间距平场反演平均场的理论基础

由于卫星高度计海面高度场中含有大地水准面信息,在目前测量和计算大地水准面不甚精确的情况下,对其时间距平场的分析应成为目前使用这种资料分析海洋动力学的主要途径。本文从海洋动力学角度,从理论上阐述了时间距平场中包含着平均场的信息,从而从理论上提供了一种时间距平场反演平均场的方法。通过数值实验获得模拟的Geosat高度计资料,定量分析了时间距平场对平均场的贡献,即T内尺度内脉动量对T际尺度运动的贡献,并对上述反演方法进行了模式检验。     

黑潮延续体区域多源观测资料的海洋涡旋的统计对比分析

本文首次利用海面温度、海面高度异常和表面漂流浮标数据等多元观测资料定量比较了获取的涡旋特征要素。结果表明：虽然不同数据源得出的涡旋统计特征具有一定的差异，但具有相似的分布特征。在此基础上，还发现该研究区域存在异常涡旋（逆时针旋转的暖涡和顺时针旋转的冷涡）。     

长江冲淡水与邻近海域生态环境的关系

基于实测资料和已有的理论结果,我们首先讨论了不同季节长江淡水的路径,还涉及了长江冲淡水对生态环境,特别对生物赖以生存的有机盐分布的影响。     

基于ConvLSTM机器学习的风暴潮漫滩预报研究

风暴潮是指由强烈的大气扰动所导致的海面异常升高现象,由热带气旋引起的风暴潮常对沿海地区造成巨大的社会经济、人类活动和生命财产危害。依靠数据驱动的强非线性映射能力的机器学习方法较传统数值模式预报在耗费研究资源和计算时间上更具优势。本文选取广东省珠江口为研究区域,基于卷积长短时记忆网络（Convolutional LSTM network,ConvLSTM）机器学习算法展开风暴潮漫滩预报研究,利用由再分析资料驱动的数值模式产品构建了历史台风漫滩数据集,用于机器学习模型训练、验证和测试。研究了两种预报方式,一种是基于海表面高度场的自回归预报,另一种是依赖预报风场和初始海表面高度场进行的预报;它们可以实现基于数据驱动的风暴潮漫滩预报,其中自回归预报模型表现更优。相较于传统动力学数值预报,基于数据驱动的ConvLSTM预报模型结构更为轻便,所需驱动数据更少,在缺少边界条件、地形、径流等信号时,在短临预报中仍能基本复现数值模式模拟的结果。     

Cross-shelf transport induced by coastal trapped waves along the coast of East China Sea

Cross-shelf transport is important due to its role in the transport of nutrients, larvae, sediments, and pollutants. The role of coastal trapped waves(CTWs) and their contribution to the cross-shelf transport is presently unknown. The impact of wind-driven CTWs on the structure of the cross-shelf currents and transport is investigated in the East China Sea(ECS) starting from theory. The cross-shelf currents are divided into four terms: the geostrophic balance(GB) term, the second-order wave(SOW) term, the bottom friction(BF) term and Ekman(EK) term, as well as three modes: the Kelvin wave(KW) mode, the first shelf wave(SW1) mode and the second shelf wave(SW2) mode. Comparison among these decompositions shows that(1) for the four terms, the effect of the GB and EK terms is continual, while that of the BF term is confi ned to 60–240 km of fshore, and the contribution of the SOW term can be ignored;(2) for the three modes, the KW and SW1 modes are dominant in cross-shelf transport. The results show that the total cross-shelf transport travels onshore under idealized wind stress on the order of 10~(-1), and it increases along the cross-shelf direction and peaks about-0.73 Sv at the continental shelf margin. With the increase of linear bottom friction coeffi cient, the cross-shelf transport declines with distance with the slope becoming more uniform.     

孟加拉湾南部冷池的极端事件及其机理初析

本研究利用多源卫星遥感数据对比分析了2018年和2015年孟加拉湾南部冷池的极端异常事件。孟加拉湾南部冷池早期出现在5月，8月和 9月强度达到最大，10月开始减弱，随后逐渐消失。数据显示2018年和2015年冷池海表温度距平值分别为-0.55 ℃和0.43 ℃，是1993—2018年26 年中冷池降温最强和最弱的年份。2018年孟加拉湾南部冷池风应力距平值为0.02 N/m2，而2015年距平值为-0.01 N/m2。2018年Ekman抽吸速度距平在冷池区域为正，2015年为负。经混合层热收支计算得到，造成冷池产生的主要原因是平流效应，且2018年与2015年的夏季（6—8月）降温平流项分别占49.2%和80.7%。冷池极端事件主要发生在6月，2018年6月冷池降温是2015年的2.76倍，并且海表净热通量项和平流项的异常对冷池极端事件的产生起了重要作用。