北极径流增加对大西洋经向翻转环流影响的模拟研究

观测显示过去几十年间北极入海径流呈现增加趋势,CMIP5耦合模式预测表明21世纪北极入海径流仍会增加,在RCP8.5路径下,21世纪末北极入海径流量将会是1950年的1.4倍。本文利用冰-海耦合数值模式研究了北极径流增加对大西洋经向翻转环流的影响。基于两个数值实验的结果表明,如果北极入海径流按每年0.22%的速度（与RCP8.5路径下的速度相当）增加,大西洋经向翻转环流的强度在100、150和200年后将会分别减弱0.6（3%）、1.2（7%）和1.8（11%） Sv。北极入海径流增加导致大西洋经向翻转环流减弱的主要原因是,北极入海径流增加的淡水被输运到北大西洋后,会抑制北大西洋深层水的生成,这也会导致北大西洋深层水海水年龄的增加。     

大西洋经向翻转环流对岁差响应的气候背景依赖性

大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC）是气候系统重要的组成部分,其强度变化可直接影响南北半球的热量分配,厘清其变化机理对全球变暖背景下的未来预估至关重要。海洋沉积物记录发现,在晚更新世,AMOC的变化与地球岁差周期有紧密联系,但其物理机理尚不清楚。本文利用海洋−大气耦合气候模型—COSMOS（ECHAM5/JSBACH/MPIOM）模型,通过敏感试验,分析在冰盛期冷期和间冰期暖期气候背景下,AMOC对地球岁差变化的响应机理。结果表明：岁差降低引起的北半球夏季太阳辐射增强,会导致间冰期暖期背景下的AMOC显著减弱,但对冰盛期AMOC的影响并不明显。通过进一步分析发现,在间冰期暖期,夏季太阳辐射增强,造成高低纬大西洋海表的升温,同时促进北大西洋高纬度地区的局地降水,两者导致北大西洋表层海水密度降低,共同削弱大西洋深层水生成。而在冰盛期冷期,大西洋高低纬度地区的响应对AMOC的影响反向—副热带升温触发的海盆尺度低压异常,通过其南侧的西风异常削弱大西洋向太平洋的水汽输送,导致净降水增多,海表盐度下降;同时,高纬度升温造成的海冰减少,促进了海洋热丧失,海表失热变重,有利于大西洋深层水的生成,最终两者的共同作用导致AMOC对岁差变化的响应偏弱。本文系统揭示了不同气候背景下,岁差尺度AMOC变化的控制机理,对理解晚更新世AMOC重建记录中持续存在的岁差周期具有重要启示意义。     

北太平洋经向翻转环流季节变异机制的模拟研究

北太平洋经向翻转环流(NPMOC)是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称。其中,热带环流圈(TC)、副热带环流圈(STC)和深层热带环流圈(DTC)位于北太平洋热带-副热带海域,是该海域经向物质和能量交换的重要通道。基于NEMO模式分别对TC、STC和DTC经向流量的季节变化特征和机理进行了模拟研究,驱动场增强和减弱情况下的敏感性试验表明,风应力是TC和STC南、北向输送以及DTC南向输送季节变化的主要影响因素,而热通量和淡水通量的影响较小;风应力和热盐通量季节变化情况下的敏感性试验表明,TC和STC的南、北向输送以及DTC的南向输送主要是由风应力的季节振荡引起的,而热通量和淡水通量的影响较小。     

北太平洋经向翻转环流年际变化的数值模拟

北太平洋经向翻转环流(NPMOC)是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称,拥有5个环流圈结构.其中,热带环流圈(TC)、副热带环流圈(STC)和深层热带环流圈(DTC)位于北太平洋热带-副热带海域,是该海域间经向物质和能量交换的重要通道.主要运用NEMO模式对这3个经向翻转环流圈的年际变化特征和机理进行了研究.结果表明,TC、STC和DTC的经向流量都具有显著的年际变化特征:在El Nio期间,TC的南、北向流量均减弱,STC的北向流量增强、南向流量减弱,DTC的南向流量减弱;而在La Nia期间则相反.敏感性试验表明,在风应力强迫下得到的TC、STC南、北向流量和DTC南向流量的年际变化特征都很显著,并与在风应力、热通量和淡水通量共同强迫下得到的结果非常一致;而仅在热通量和淡水通量的强迫下,各分支流量的年际变化均较小.由此可见,风场驱动是引起北太平洋经向翻转环流年际变化的主要驱动因素,而热通量和淡水通量的影响却较小.     

WRF模式空间分辨率对南海台风模拟的敏感性分析

为准确模拟南中国海台风路径和强度,对建立的WRF模式开展水平和垂向网格分辨率的敏感性分析。水平网格分辨率分别采用5 km,10 km,20 km,30 km以及15 km和5 km的嵌套方案等5种情况,垂向网格分辨率采用35层、28层和20层等3种情况,顶部最大压强采用1000 Pa,2000 Pa,3500 Pa和5000 Pa等4种情况,针对台风"启德"的路径和强度进行模拟分析。对不同条件组合下的台风路径、风速和海面压强进行对比,发现水平和垂向网格分辨率对台风路径的影响比较有限,对台风强度的影响相对显著。基于高精度空间分辨率模拟得到的台风强度与实测值吻合更好,采用嵌套网格技术对计算结果精度的提高效果显著。采用35层的垂向分辨率得到的模拟结果明显优于基于20层和28层得到的模拟结果。经过对比分析,确定适用于本研究的最优参数设置：水平空间分辨率采用15 km和5 km的双向嵌套网格方案;垂向分层为35层,顶部最大压强为2000 Pa。     

基于地球系统模式FIO-ESM v2.0对1850~2014年大西洋经向翻转环流变化的研究

大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)作为全球大洋的极向热量输送带,对大西洋附近区域的天气及全球气候变化都存在至关重要的影响。采用自然资源部第一海洋研究所研发的地球系统模式FIO-ESM v2.0(First Institute of Oceanography-earth system model version 2.0)分析了1850~2014年AMOC的空间分布特征及时间变化规律,并进一步讨论造成该变化的可能因素。研究结果表明:1850~2014年AMOC最大值出现在40°N、1 000 m深度附近,其时间序列总体呈现-0.079 1×10⁶ m³/(s·a)的减弱趋势,该期间伴随着Labrador、Irminger海域冬季混合层深度的变浅。通过将模式计算的AMOC强度与RAPID (rapid climate change programme)和OSNAP (overturning in the subpolar North Atlantic program)观测资料进行对比,结合模式间并行比较结果显示该模式能较好地再现观测数据期间的AMOC变化规律。FIO-ESM v2.0模式模拟的AMOC具有55 a左右的年代际周期,Labrador、Irminger海域冬季混合层深度变化揭示的对流变化以及Labrador、GIN海域表层海水密度变化造成的海水下沉对AMOC强度的周期性振荡贡献较明显,其周期性变化与海表盐度(sea surface salinity,SSS)、海表温度(sea surface temperature,SST)、蒸发与降水的差值、北大西洋涛动(North Atlantic oscillation,NAO)等要素的变化密切相关。     

北太平洋经向翻转环流和热盐输送研究综述

北太平洋经向翻转环流是北太平洋所有经向翻转环流圈的总称,目前它拥有五个环流圈,即副热带环流圈(the subtropical cell,STC)、热带环流圈(the tropical cell,TC)、副极地环流圈(the subpolar cell,SPC)、深层热带环流圈(the deep tropical cell,DTC)和温跃层环流圈(the thermohaline cell,THC)。这些环流圈是北太平洋经向物质和能量交换的重要通道,它们的变化对海洋上层热盐结构和气候变化皆有重要影响。迄今,人们已对STC、TC和DTC的结构形态、变化特征与机理开展了广泛而深入的研究,并对STC的极向热输送特征也做了一些初步分析。但应指出的是,关于SPC和THC的研究仍较少,迄今尚不清楚这两个环流圈的三维结构和变异机理;而且,对北太平洋经向翻转环流的热盐输送研究尚处于起步阶段,目前对各环流圈的热盐输送特征、变化规律和变异机理仍知之甚少,这些科学问题亟待深入研究。     

北印度洋越赤道经向翻转环流的年际变化

利用50a(1950~1999)的SODA资料对北印度洋(7°S以北)越赤道的经向翻转环流及其年际变化进行了研究。结果表明,就年平均而言,上层向北的入流在越过赤道后最终通过Ekman层向南返回构成环流圈;在赤道附近的混合层,表层存在与Ekman流相反的流动。向北的入流主要通过西边界流实现,深度可达500m,向南的流动在西部较强。此环流有很明显的年际变化,周期约为4a;它的变化与海面风应力的变化是密切相关的。提出了反映此环流年际变化的2个指数。     

南海浅层经向翻转环流及相关的内部水体流动

The structure of the annual-mean shallow meridional overturning circulation(SMOC) in the South China Sea(SCS) and the related water movement are investigated,using simple ocean data assimilation(SODA) outputs.The distinct clockwise SMOC is present above 400 m in the SCS on the climatologically annual-mean scale,which consists of downwelling in the northern SCS,a southward subsurface branch supplying upwelling at around 10°N and a northward surface flow,with a strength of about 1×10~6 m~3/s.The formation mechanisms of its branches are studied separately.The zonal component of the annual-mean wind stress is predominantly westward and causes northward Ekman transport above 50 m.The annual-mean Ekman transport across 18°N is about 1.2×10~6 m~3/s.An annual-mean subduction rate is calculated by estimating the net volume flux entering the thermocline from the mixed layer in a Lagrangian framework.An annual subduction rate of about 0.66×10~6m~3/s is obtained between 17° and 20°N,of which 87% is due to vertical pumping and 13% is due to lateral induction.The subduction rate implies that the subdution contributes significantly to the downwelling branch.The pathways of traced parcels released at the base of the February mixed layer show that after subduction water moves southward to as far as 11°N within the western boundary current before returning northward.The velocity field at the base of mixed layer and a meridional velocity section in winter also confirm that the southward flow in the subsurface layer is mainly by strong western boundary currents.Significant upwelling mainly occurs off the Vietnam coast in the southern SCS.An upper bound for the annual-mean net upwelling rate between 10° and 15°N is 0.7×10~6m~3/s,of which a large portion is contributed by summer upwelling,with both the alongshore component of the southwest wind and its offshore increase causing great upwelling.     

太平洋内部副热带-热带经向翻转环流的季节变化特征

太平洋内部副热带-热带经向翻转环流(subtropical-tropical cell,STC)是连接热带和副热带的海洋通道.由于以往海洋观测资料的匮乏,前人多利用海洋模式数据进行研究,且仅限于沿单一纬度上的STC的分析,较少涉及沿不同纬度的STC的季节变异规律.利用地转海洋学实时观测阵(array for real-...     

暖池季节变化的数值模拟及其对海表热力和动力强迫的敏感性

对比3套不同来源的海表热通量和风应力资料在热带太平洋和印度洋区域的差异,然后把这些海表强迫场作为一个全球海洋环流模式(LICOM)的上边界条件,进行动力和热力强迫的敏感性试验.通过对比分析试验结果,评估了LICOM对印度洋和西太平洋暖池季节变化的模拟能力,探讨了印度洋和西太平洋暖池对动力和热力强迫的敏感性.首先,模式结果表明LICOM能较真实地模拟出印度洋和西太平洋暖池面积和强度的季节变化特征以及两海区暖池季节变化的差异,而且上层海洋垂向分层的加密能有效改善混合层深度季节变化的模拟.其次,模式中暖池的季节变化基本由海表净热通量和混合层深度的季节变化共同决定,但是试验结果中难以反映垂向挟卷和湍流混合对暖池区混合层深度的影响,可能原因是气候态月平均强迫场时间分辨率较粗,不能真实反映一些重要的天气尺度过程对混合层动力过程的影响,故有必要增加强迫场时间分辨率做进一步研究.最后,不同强迫场的敏感性试验对比分析结果表明,印度洋暖池对海表动力和热力强迫场的差异均较为敏感,而西太平洋暖池则只对海表热量强迫场的差异较为敏感,对动力强迫场的差异不敏感.     

基于多套数据的印度洋深层经向翻转环流的动力特征

基于六套模式产品,研究了时间平均状态下印度洋深层经向翻转环流的动力特征。时间平均状态下,印度洋深层经向翻转环流(meridional overturning circulation,MOC)在各套数据中呈现一致的结构,即底层和深层水体向北进入印度洋,中上层往南流出印度洋的逆时针翻转结构。通过对经向翻转环流的动力分解,文章分析了其各动力部分在各套数据中的异同。在各套数据中,在南印度洋Ekman部分呈现一致的逆时针翻转结构,在10°S强度最大;地转和外模部分在10°S以南分别呈现相似的顺时针和逆时针的翻转结构,在27°S强度最大且符号相反;相对而言,Ekman部分在20°S及赤道之间,对MOC的影响更明显,而地转及外模部分则在25°S以南的区域更明显。基于不同的动力热力强迫,各套数据中各动力部分流函数的空间范围及强度存在显著差异:由于各套数据的风场相差不大,因此Ekman部分的整体结构相似,强度差异较小;对于地转部分,各数据表现出的顺时针翻转结构强度的差异主要受内区斜压流场强弱和西边界流结构的影响,内区斜压流场越强,翻转结构越强;西边界流流幅越宽,对内区斜压流场影响越大,对翻转结构强度的削弱越大;外模部分翻转结构的强度受西边界流强度的影响:西边界流强度越大,外模部分翻转结构强度越大。     

冬、夏季印度洋越赤道经向翻转环流的年际变化

利用50 a的SODA资料对1月(冬季)和7月(夏季)印度洋越赤道经向翻转环流的年际变化进行研究。通过对2类典型年份的合成分析指出:1月份正异常年对应的经向翻转环流偏强,向北的经向热输送增加;7月份正异常年对应的经向翻转环流则偏弱,向南的经向热输送减少;1月份和7月份的负异常年皆与其正异常年相反;越赤道经向翻转环流有明显的年际变化,平均周期在4 a左右;经向翻转环流的年际变化和海面风场的变化密切相关。提出了反映1月和7月此环流年际变化的几个指数。     

世界大洋中绝热运动导致的纬向翻转环流和纬向热输送

Zonal overturning circulation(ZOC) and its associated zonal heat flux(ZHF) are important components of the oceanic circulation and climate system, although these conceptions have not received adequate attentions.Heaving induced by inter-annual and decadal wind stress perturbations can give rise to anomalous ZOC and ZHF.Based on a simple reduced gravity model, the anomalous ZOC and ZHF induced by idealized heaving modes in the world oceans are studied. For example, in a Pacific-like model basin intensified equatorial easterly on decadal time scales can lead to a negative ZOC with a non-negligible magnitude(–0.3×106 m3/s) and a considerable westward ZHF with an amplitude of –11.2 TW. Thus, anomalous ZOC and ZHF may consist of a major part of climate signals on decadal time scales and thus play an important role in the oceanic circulation and climate change.     

湖区风环流对湖泊环流影响的探讨和数值模拟

本文对北半球大湖中普遍存在的大规模反时针环流的形成,提出了一种物理解释,认为大气在经过湖体时的地转适应过程产生了一个有利于这种环流形成的附加风场。这种环流的强度在一年四季中是变化的,夏季最强,冬季最弱。在此理论的基础上建立了一个三维非线性水动力学数学模型。数值试验表明,风场的有旋性对这种环流的形成起了决定性的作用。计算得到的环流形态基本上与实测结果相吻合。     

海洋模式的水平分辨率对吕宋海峡深层环流数值模拟结果的影响

基于南海观测得到的垂向混合率修改KPP垂向混合方案,利用大洋环流模式HYCOM首次模拟得到了吕宋海峡深层环流的空间分布特征,并通过3个不同水平分辨率的实验(1/6(°)、1/12(°)、1/24(°))讨论水平分辨率对模拟吕宋海峡深层环流空间结构的影响。模拟结果表明:(1)1/6(°)水平分辨率过于粗糙,无法分辨巴士海峡和台东海峡地形特征,无法得到吕宋海峡深层环流的空间分布特征;(2)1/12(°)的水平分辨率可以很好的分辨吕宋海峡和台东海峡的地形特征,模拟得到吕宋海峡深层环流的空间分布和流场特征;(3)1/24(°)水平分辨率的模拟结果表明,更高的水平分辨率不会改变吕宋海峡深层环流的空间分布和主要出入口的垂向结构,只是会显示更细节的环流结构。1/12(°)和1/24(°)水平分辨率的模式结果都表明,西北太平洋深层水通过巴士海峡和台东海峡进入吕宋海沟,年平均流量分别为1.1和0.4Sv,然后沿吕宋海沟向南海方向流动,最后主要通过位于恒春海脊上的2个缺口进入南海,年平均流量分别为0.5和0.9Sv。     

北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响

利用NCEP再分析资料、Hadley中心的海表面温度(SST)资料等,从北大西洋秋季海表面温度异常(SSTA)变化入手,对其影响后期冬季大气环流场的机制进行了分析。研究结果如下:(1)北大西洋SST异常与大气环流异常之间存在着相互作用;(2)秋季北大西洋SSTA具有较好的持续性,"正负正"海温异常空间分布导致12月巴伦支海上空500hPa位势高度异常偏高;(3)异常环流形势对应的海表面风异常场(SSWA)通过阶段性风-蒸发-SST异常反馈机制(WES机制)利于海温异常分布的持续及对上空异常大气环流的反馈;(4)三极子海温结构中负异常海温自10月份开始有自西向东的移动,风作用下蒸发加大,伴随上升运动自欧洲西部爱尔兰群岛出现自西向东移动的降水正异常区,潜热释放有利于冬季巴伦支海上空的异常高压脊发展。研究表明,北大西洋秋季SSTA通过阶段性海气相互作用机制影响海洋温度分布和大气环流异常,对后期冬季中国东北部的气候变化产生影响。     

空间分辨率对水深遥感反演的影响分析

遥感水深反演中空间分辨率的影响是一个重要的科学问题。本文使用东岛的QuickBird和WorldView-2多光谱影像及实测水深点进行实验研究,实验使用了原始空间分辨率（2.4/2m）以及4种降空间分辨率（4m,8m,16m和32m）的影像,使用相同的水深控制点开展水深遥感反演,并对水深反演结果使用相同的检查点进行精度验证。实验结果表明,随着空间分辨率由2.4/2m降低至4m,8m和16m,水深遥感反演的精度呈现出逐渐提高的趋势,进一步降低空间分辨率则会导致水深反演精度下降。当影像空间分辨率为16m时,水深反演结果误差最小且与实测水深值相关性最高,此时两景影像的水深反演平均相对误差分别21.2%和13.1%,相对于最大值分别降低了14.7%和2.9%;平均绝对误差分别为2.0m和1.4m,相对于最大值分别降低了1.0m和0.5m。本文研究结果为水深遥感反演研究与应用中遥感数据的选择提供了参考。     

影响西太平洋和北大西洋热带气旋发生频数相关的大尺度环流分析

从近三十年西北太平洋台风和北大西洋飓风发生频数的资料中选取了四组最显著的年份,进行了大尺度环流的分析,发现两大洋热带气旋发生数的距平同时为正与同时为负的年份具有完全反相的长波型,并且高低纬的长波分布也趋于反向,在两大洋热带气旋发生数距平反号的两种情况下,热带和副热带长波型也是近于反相的,但高低纬长波分布近于同相.研究还揭示热带环流和海温场对于所选的对比年份也表现出不同的特征.