黑潮环流的数值模拟

黑潮是太平洋一支强的西边界流,具有高温、高盐、流幅窄、流速高、流量大的特征,主要来源于北赤道洋流,把大量热量从低纬输送到高纬,它的季节和年际变化都会对气候产生重大影响,对我国近海的温盐分布及环流的影响起到至关重要的作用.     

1997年夏季西北太平洋环流模拟

采用1997年7月中日副热带环流合作调查资料,即“向阳红14”号、“东方红”两调查船CTD观测资料、日本TK和IK断面资料以及GTSPP同步资料,应用开边界情形的MOM2模式计算了西北太平洋21.875°～35.125°N,120.875°～137.125°E范围的环流,主要结果如下:在此期间,(1)黑潮在台湾以东并不存在东分支流向琉球群岛以东海域;(2)东海黑潮的流量约为30×106m3/s,日本以南黑潮流量最大约为70×106m3/s;(3)在21.875°～25°N之间大约有15×106m3/s的流量向西流去.速度分布与流函数分布均表明这一支向西的海流大约在冲绳岛西南分为3支,主要分支转向东北沿冲绳岛以东海域向东北流去;(4)琉球海流主要来自上述西向海流.     

基于Argo浮标的西北太平洋环流特征分析

基于2004 年1 月～2009 年12 月月平均Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)温盐格点资料, 结合P-vector 方法重构了西北太平洋绝对地转流, 重点分析了西北太平洋环流时空变化特征。结果表明, 基于Argo 资料西北太平洋三维结构特征与以前的研究结果是一致的。与WOA09(World Ocean Atlas 2009)计算的纬向流相比, Argo 资料计算的纬向流要偏大。北赤道逆流(NECC)、北赤道流(NEC)、黑潮再生流(KCC)和黑潮延伸体(KE)都有明显的季节和年际变化。NECC 和NEC 基本上呈现春强秋弱的季节变化特征, KCC 和KE 的季节特征与NECC 和NEC 存在反相关系。NECC 和NEC 表现出周期为1～2 a 的年际信号, KCC 和KE 为非周期性的年际信号。表层NEC 流核所在位置以及NEC南边界位置都有南移的趋势。另外, NEC、KCC 和KE 的流量也呈逐渐增大的趋势。     

边界条件对北太平洋海盆尺度环流模式的影响

采用Stevens开边界条件,将一个闭边界海盆尺度环流模式改造成开边界模式,对20°S以北太平洋大尺度环流进行了系统模拟。考察了开边界和不同等密面扩散系数对北太平洋环流和温盐结构的影响。模式较好地再现了太平洋大尺度环流特征,模拟出了表层赤道流系(包括北赤道流、黑潮和北太平流)以及对应的顺时针环流,同时还较好地反映了温盐场的基本分布特征。从年平均的纬向平均温度和盐度的断面分布可以看出,温跃层深度呈“W”型分布,在亚极地海区有一个梯度比较大的盐度锋区。南边界打开后使得模拟的北太平洋中层水温度和盐度更低,低盐水舌加深和向南延伸加强,更加接近观测值。增加沿等密面扩散系数后得到的中层水强度更大,尤其是34.6等盐线更接近观测资料。质量输运流函数分布表明,赤道两边各有一个翻转区,亚极地地区也存在一个浅的翻转区,打开南边界可以消除因为闭边界存在产生的假的下沉流,这些都为将来进行示踪物模拟打下基础。     

一个高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式的初步结果

利用LASG/IAP发展的一个0.25°×0.25°高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式,初步分析了模式在太平洋区域的模拟结果,并与海洋同化资料以及前人的研究结果作比较,检验此模式对该区域平均气候态、年际变化的模拟能力。分析表明,模式较好地再现了海表温度（SST）分布、赤道温跃层和纬向流结构、赤道流系分布形态、海表高度以及正压流函数空间分布特征;同时,对显著的El Ni?o和La Ni?a事件的模拟等方面与Simple Ocean Data Assimilation（SODA）2.0.2版本结果相近。此外,模式模拟北赤道流（NEC）分叉点位置的季节和年际变化以及吕宋海峡流量的年际变化与已有研究结果基本一致。进一步分析还发现,在年际尺度上,NEC分叉点位置和吕宋海峡流量与ENSO密切相关。     

热带太平洋平均环流数值模拟

用中国科学院大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(区域为南北纬30°,经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°,垂直方向分为不等距14层),在观测到的海表面风应力和热量及淡水通量驱动下,对热带太平洋平均环流进行了数值模拟.结果表明,模式成功地模拟了海面起伏中赤道槽、赤道脊、北赤道逆流槽及中小尺度涡旋(如棉兰老涡)系统等分布;与这些槽脊分布相对应的北赤道流,南赤道流和北赤道逆流等热带流系;对气候有重大影响的海表温度分布;次表层温跃层结构和赤道潜流等.文中特别讨论了海面起伏与模式其他变量场间的关系及其应用.     

FIO-ESM气候模式北太平洋海表温度和降水的季节性预报技巧评估

The seasonal prediction of sea surface temperature(SST) and precipitation in the North Pacific based on the hindcast results of The First Institute of Oceanography Earth System Model(FIO-ESM) is assessed in this study.The Ensemble Adjusted Kalman Filter assimilation scheme is used to generate initial conditions, which are shown to be reliable by comparison with the observations. Based on this comparison, we analyze the FIO-ESM 6-month hindcast results starting from each month of 1993–2013. The model exhibits high SST prediction skills over most of the North Pacific for two seasons in advance. Furthermore, it remains skillful at long lead times for midlatitudes. The reliable prediction of SST can transfer fairly well to precipitation prediction via air-sea interactions.The average skill of the North Pacific variability(NPV) index from 1 to 6 months lead is as high as 0.72(0.55) when El Ni?o-Southern Oscillation and NPV are in phase(out of phase) at initial conditions. The prediction skill of the NPV index of FIO-ESM is improved by 11.6%(23.6%) over the Climate Forecast System, Version 2. For seasonal dependence, the skill of FIO-ESM is higher than the skill of persistence prediction in the later period of prediction.     

区域海气耦合模式FROALS模拟的西北太平洋环流及其年际变率

本文利用区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System)对西北太平洋地区1984-2007年连续积分结果,对比SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化资料讨论了西北太平洋海表温度和表层洋流的气候态及年际变率。结果表明,FROALS基本能够再现冬、夏季季节平均的海温型,但均存在一个明显的冷偏差;FROALS对气候平均态的表层洋流有较高的模拟技巧,对于冬、夏季的表层洋流型都能够再现。另外,表层洋流的模拟偏差与海表高度的模拟偏差直接相关。由于模式模拟的黑潮热输送较观测偏强,使得模式模拟的海洋热输送倾向于使黑潮路径上的海温呈现正偏差。从表层洋流的年际变率来看,模式模拟的与ENSO(El Nio-South Oscillation)相联系的年际变率信号与观测相似:在El Nio年,北赤道流和棉兰老流增强,低纬度西太平洋海表高度降低,而在La Nia年则呈现出相反的形态,但是在模式中这种信号稍强于观测。     

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.     

北太平洋风海流季节变化的数值模拟

用绝热表层风海流模式,以1949～1979年COADS资料,研究北太平洋表层风海流及相应水位场随季节变化的特点、某些特定年表层风海流的异常。模式采用二次动量守恒的有限差分方法,保证了计算稳定性。在数值积分中考虑了陆界、水界条件和近岸地形对风海流及水位场的影响。计算表明:模式反映了北太平洋主要流系的季节变化规律,能较敏感地反映上层海洋对大气动力作用的响应。给出了北太平洋主要流系的强弱与黑潮大弯曲的对应关系。     

The seasonal variation of the North Pacific Meridional Overturning Circulation heat transport

Based on the 50-year Simple Ocean Data Assimilation (SODA) reanalysis data, we investigated the basic characteristics and seasonal changes of the meridional heat transport carried by the North Pacific Meridional Overturning Circulation. And we also examined the dynamical and thermodynamic mechanisms responsible for these heat transport variability at the seasonal time scale. Among four cells, the tropical cell (TC) is strongest with a northward heat transport (NHT) of (1.75±0.30) PW (1 PW=1.0×10^15 W) and a southward heat transport (SHT) of (-1.69±0.55) PW, the subtropical cell (STC) is second with a NHT of (0.71±0.65) PW and SHT of (-0.63±0.53) PW, the deep tropical cell (DTC) is third with a NHT of (0.18±0.03) PW and SHT of (-0.18±0.11) PW, while the subpolar cell (SPC) is weakest with a NHT of (0.09±0.05) PW and SHT of (-0.07±0.09) PW. These four cells all have diff erent seasonal changes in their NHT and SHT. Of all, the TC has stronger change in its SHT than in its NHT, so do both the DTC and SPC, but the seasonal change in the STC SHT is weaker than that in its NHT. Therefore, their dynamical and thermodynamic mechanisms are diff erent each other. The local zonal wind stress and net surface heat flux are mainly responsible for the seasonal changes in the TC and STC NHTs and SPC SHT, while the local thermocline circulations and sea temperature are primarily responsible for the seasonal changes of the TC, STC and DTC SHTs and SPC NHT.     

近惯性内波破碎混合方案对MOM4模式的影响

风生近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合在海洋内部混合中起重要作用。然而其参数化对海洋模式的模拟影响仍有待进一步认识。本文给出的是在模块化海洋模式（MOM）中海洋表面边界层以下引入一个考虑风驱动近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合参数化方案的研究工作。模拟结果显示,该方案有效改善MOM4模拟的上层1 000 m以上的温盐偏差,特别是在北太平洋和北大西洋的通风地区。数值试验表明,风生近惯性内波破碎有可能是维持海洋通风过程的重要机制之一,它使得海洋通风区的位温变冷,盐度变淡,整层等位密面加深。维持的通风过程使得北太平洋副极地大涡的影响延伸到副热带大涡。从而模拟的北太平洋中层水源头及其副热带大涡东侧的温盐更接近观测实际。同时,模拟的北大西洋经圈翻转环流强度也更为合理。     

A preliminary study on the intermediate water masses in the tropical West Pacific

INTRODUCTIONIntermediatewaterexistsinalloceansandhasreceivedattentionasanimportantpartoftheoceancirculation.ThefirstsystematicresearchontheintermediatewaterinthePacificwasdonebyReid(1965)andthenbyNitani(1972).ItisgenerallyconsideredthatthereexisttwokindsofintermediatewaterinthePacific.OneofthemisthelowsalinitywaterformedbysubsurfacemixinganddescendinginthenorthpartoftheSubantarcticConvergenceZone,whichisgenerallyknownastheSouthPacificintermediateWater(SPIW).TheSPIWmovesnorthwardata…     

论IPCC-AR4模式对影响西北太平洋热带气旋的大气动力环境场的气候特征模拟性能

评估了23个IPCC-AR4模式在低纬地区1948—1999年7—9月大尺度环流场的模拟性能,重点关注西北太平洋区域的西太副高、季风槽以及台风活动海域的垂直风切变。结果显示,绝大多数模式的7—9月低纬地区500hPa平均高度场、850hPa风场空间分布与NCEP都具有很高的相似性,但大多模式500hPa高度场存在系统性偏低,而850hPa风场偏强。所有模式模拟的西北太平洋副高脊线与NCEP都有一致的西南-东北走向,但有些模式的脊线位置偏离NCEP的较远。有4个模式没有模拟出类似于NCEP的季风槽线。综合模式对夏季热带环流场、西北太平洋副热带高压、季风槽以及西北太平洋热带气旋活动关键区域垂直风切变气候特征的模拟性能,按性能优劣,排在前10的模式依次是mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a;排在后6位的模式是inmcm3_0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er。     

北太平洋850和500hPa夏季副热带高压的年际和年代变化

利用NCEP\NCAR再分析位势高度场资料和Hadley中心SST资料,将北太平洋500和850hPa夏季副热带高压异常变化结合在一起进行了分析,发现夏季500和850hPa副高的位置和强度的年际和年代变化都有明显差异,并且850hPa副高远比500hPa副高稳定。上下两层除了同时增强和同时减弱外,还存在着500hPa增强850hPa减弱,以及500减弱850hPa增强等不同类型。相关分析表明,夏季500和850hPa副热带高压年际和年代异常变化与同期不同海区海表温度(SST)异常之间存在明显的关系。     

IPCC耦合模式对北太平洋海-气系统冬季重现的模拟

冬季重现(再现)是中高纬度大尺度海表温度重要的持续性特征,是热带外海洋特有的现象。北太平洋大气环流也存在这一现象,它可能会强迫产生这一海域海温的冬季重现。本文利用IPCC 20C3M耦合模式资料,评估了耦合模式模拟北太平洋海–气系统冬季重现的能力。北太平洋海温冬季重现的空间范围是海盆尺度的,中部重现时间比其周围晚。大气环流场的冬季重现主要是在北太平洋中部,它与海温冬季重现关系密切。大多数IPCC耦合模式基本上可以模拟出太平洋海温大范围的冬季重现现象。与重现范围的模拟相比,耦合模式对重现时间地理差异的模拟都比较差。各模式对大气环流冬季重现时空分布特征的模拟较差,大部分模式未能模拟出大气环流场中主要的重现区域。而且,大气环流冬季重现对海温重现的可能影响并没有体现在这些耦合模式中。耦合模式对北太平洋大气冬季重现的模拟还有待改善。     

北太平洋冬季SST、风场及环流对淡水强迫的响应

通过海气耦合模式CCSM3(The Community Climate System Model version 3),研究在北大西洋高纬度淡水强迫下,北太平洋冬季的海表温度SST、风场及流场的响应及其区域性差异。结果表明:淡水的注入使北太平洋整体变冷,但有部分区域异常增暖;在太平洋东部赤道两侧,SST的变化出现北负南正的偶极子型分布。阿留申低压北移的同时中纬度西风减弱,热带附近东北信风增强。黑潮和南赤道流减弱,北太平洋副热带逆流和北赤道流增强,日本海被南向流控制。风场及流场的改变共同导致了北太平洋SST异常出现复杂的空间差异:北太平洋中高纬度SST的降温主要由大气过程决定,海洋动力过程主要影响黑潮、日本海及副热带逆流区域的SST,太平洋热带地区SST异常由大气与海洋共同主导。     

北太平洋海洋带状流的正压特性

海洋中包含着多种时空尺度的运动过程,海洋带状流是近年来发现的一种新的流动形式。这种流动现象介于地转湍流和准定常流之间。上层海洋中大尺度运动的强度远大于海洋带状流而将其遮盖,因而带状流需要借助滤波方法提取出来。本研究基于纬向速度数据,通过切比雪夫高通滤波提取了北太平洋海洋带状流的三维结构,定义了“流向稳定度”指数,量化分析了北太平洋海域带状流的正压特性,从而进一步加深了对北太平洋海洋带状流结构特征的认识。     

西北太平洋波候与大气涛动的联系

利用ECMWF 1958-2001年44 a的ERA-40海浪再分析资料计算了西北太平洋海域(0°~45°N,99°~160°E)月平均有效波高(SWH)、平均周期(T)与北太平洋模态指数(NPI)、太平洋年代际振荡(PDO)和多变量ENSO指数(MEI)等大气涛动之间的时间和空间的相关性,重点探讨了NPI对北半球西太平洋波候(SWH和T)的影响。结果表明:NPI、PDO和MEI均与SWH和T有显著的相关性;NPI与SWH和T呈现正相关性,NPI超前SWH和T半年左右正相关最强,最强的相关海域位于日本和菲律宾以东洋面;NPI还存在3~5 a、8~9 a和13~15 a的年际和年代际周期变化; NPI高指数且PDO负位相或MEI负位相均使得SWH和T 增大; MEI冷位相且叠加PDO负位相时也利于SWH和T增大。NPI影响西北太平洋波候的可能机制是:NPI处于低(高)指数时,阿留申低压加深(减弱)且位置偏东(西),北太平洋西风带海面风速急流出现(消失),太平洋副热带东北信风大值区东移(西移),西北太平洋海域信风减弱(加强),西北太平洋海域有效波高和平均周期随之减小(增大)。中、东太平洋西向传播的涌浪对西北太平洋海域波侯有重要影响。