基于卫星高度计和浮标漂流轨迹的海洋涡旋特征信息对比分析

本文基于Chelton提供的涡旋数据集和浮标漂流轨迹提取的涡旋结果,对1993—2015年的全球涡旋进行特征信息对比分析。结果表明,在全球范围内高度计涡旋数据集中的欧拉涡旋和浮标漂流轨迹提取的拉格朗日涡旋的配对成功率在空间分布上并不均衡,在中纬度(20°—60°S,20°—60°N)配对成功率最高可达25%,而在20°S—20°N区域内配对成功率不到10%。由于低纬度地转效应并不显著,卫星高度计无法有效观测到涡旋,但通过浮标漂流轨迹识别出的拉格朗日涡旋却大量存在,这说明在低纬度区域内,采用漂流浮标手段对涡旋进行观测,能够有效地弥补卫星高度计识别涡旋的区域限制。进一步分析表明,总体而言,提取的欧拉涡旋半径要大于拉格朗日涡旋闭合回路半径。两种识别方法获得的涡旋(闭合回路)在20°—50°S, 20°—50°N的副热带和中纬度海区半径大致相当; 20°S—20°N度以内(特别是近赤道区域)、高纬度区域以及西边界流区域,欧拉涡旋半径是同期拉格朗日涡旋闭合回路半径的3倍或更多。此外,对配对涡旋的Rossby数分析结果显示,拉格朗日涡旋较小的闭合回路对应较大的平均相对涡度,这表明浮标在被中尺度涡俘获后,更容易在相对涡度较大的地方(如中尺度涡中心、中尺度涡边缘等)形成闭合回路。     

基于卫星高度计和漂流浮标数据间数学校验关系的黑潮流轴和流路主成分估计

由于卫星高度计数据分辨率高、观测范围广的特点,我们使用该数据开展了黑潮流的研究。在之前的研究中,卫星绝对地转流都被用于对黑潮流域的表层流场的时空变化特征进行研究,并采用了一些探测方法提取了黑潮流轴和流路。然而,海面绝对地转流是由绝对动力地形估计得到,应该被当做实际流场的地转分量,在实际应用中并不能代表真实流场。在本研究中,建立了气候态绝对地转流与网格平均的漂流浮标流场间的数学校验关系,以此对卫星绝对地转流场进行修正,即便这两种数据的性质存在些许偏差。因此,基于主成分探测法,修正后的卫星绝对地转流被用于探测黑潮流轴和流路。对比结果表明,由修正后的卫星地转流场探测得到的黑潮流轴和流路均要好于地转流和表层流估计结果。修正后的地转流有助于开展更加准确的黑潮流轴和流路的逐日探测。     

福岛核事故释放的137Cs在西北太平洋海水中输运的模拟与预测

2011-03-11日本福岛核电站放射性物质发生泄漏事件,本研究基于MASNUM(Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海洋环流模式,建立了西北太平洋海洋放射性物质输运扩散模式,对事故释放的~(137)Cs在海洋中的输运和扩散过程进行了20a的模拟与预测。根据与观测资料的比较,验证了所建立的模式具备模拟放射性物质在海洋中的输运扩散过程的能力。结果显示:至2015年,~(137)Cs表层活度浓度已经扩散至整个中国海域,活度浓度值在0.01Bq/m~3左右;事故发生10a后,研究海域~(137)Cs表层活度浓度趋于均匀,为0.20~0.60Bq/m~3左右;20a后,~(137)Cs在海洋表层的活度浓度要小于0.15Bq/m~3。垂向扩散的结果显示:事故发生10a后,黄海海域~(137)Cs垂向分布较为均匀,东海东部陆架海域活度浓度高于西部海域,且上层海水中~(137)Cs活度浓度高于底层海水,南海北部海域~(137)Cs活度浓度高于南部海域,且略小于黄海和东海;至2030年,中国近海~(137)Cs的活度浓度的垂向分布趋于均匀,南海略高于黄海和东海;日本海~(137)Cs活度浓度主要集中在表层,最大活度浓度出现在2016年,约为0.20Bq/m~3;西北太平洋海域~(137)Cs活度浓度要高于其他4个海域;2030年以后,整个海域~(137)Cs活度浓度在水平和垂向分布均趋于均匀,均小于0.15Bq/m~3。     

基于不规则矩形划分的高效海洋环流数值模式并行算法

使用序列化和不规则矩形划分的方法,开发了基于消息传递接口(MPI)的环流数值模式并行算法,并通过邻近点交换策略(NPES)进一步提升了计算效率。在HP C7000刀片系统上设计了两个实验,数值结果表明,使用了NPES的并行版本(PVN)的计算效率要高于原并行版本(PV)。在第二个实验中当进程数为100时PVN的计算效率仍可达到0.9以上,然而此时PV的计算效率已迅速下降至0.39。并用环流模式的PVN版本对一个高分辨率的区域进行了模拟,效果较好。该算法具备普适性,可用于其它环流模式的高效并行。     

湍流混合输运通量的数学物理描述基础——高确定性闭合的湍流二阶矩和基本特征量控制方程组

湍流,在海洋动力系统其他类运动的控制方程组中,主要以输运通量剩余项的形式出现,它是最重要的海洋混合运动主体。本文的主要研究目标是,在湍流最新研究成果及其子系统控制方程组基础上,提出高确定性的二阶矩闭合原理,导出闭合的二阶矩和基本特征量控制方程组,建立湍流输运通量的数学物理描述基础。现有的湍流基本特征量方程组,其右端项的闭合办法实际上是非独立的。因此要么在今后的研究中引入独立的闭合办法,要么回归到湍流的现场实验分析研究,给出独立的特征量实验关系,从而有可能得到湍流混合系数的解析估计。