2008年南海季风爆发前后西沙海域海气通量变化特征

基于2008年4至5月在南海西沙永兴岛进行的海气通量观测试验资料和NCEP资料,应用COARE3.0通量算法计算了海气通量,分析了季风爆发前后西沙海域天气变化特点和海气通量对南海季风爆发的响应。结果表明:2008年南海季风首先于5月第1候在南海南部爆发,受热带气旋等因素的影响,北部海区季风爆发推迟到5月18日。季风爆发和热带气旋活动对西沙海域的风速和海气通量影响较大,其中热带气旋的影响更强烈。热带气旋来临之前,潜热通量、感热通量以及动量通量均较小;在气旋活动及此后的季风爆发时期,大风使潜热通量和动量通量显著增强,感热通量则在降水期间变化明显;动量通量的最大值出现在热带气旋活动期间,其在此过程中的均值是观测初期均值的3倍以上。在整个观测过程中,潜热通量明显大于感热通量,后者是前者的16∶1。不同类型天气过程中,潜热通量的日变化相似,而感热通量的日变化有差异。湍流交换系数与风速有较好的相关关系。     

台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究

本文以2006年9月日本以南海域的台风YAGI为例,应用黑潮延伸体附近的KEO浮标观测资料,并结合卫星遥感等融合资料,分析海洋飞沫在台风不同发展阶段对海气界面间热量通量和动量通量的影响。首先,定量地分析台风期间海洋飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫能够显著地加剧海气界面间的热量交换,尤其是潜热交换。海洋飞沫增加的热通量随着风速的增强而增大,随着波龄的增大而减小。随后,通过动量分析表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫显著地增强了由大气向海洋的动量转移。当风速达到台风量级后,考虑海洋飞沫所增加的动量通量与界面动量通量大小相当,同时,在此风速条件下,海洋飞沫在海气界面形成极限饱和悬浮层,抑制风到海表面的动量转移,导致海气界面间总的动量通量的增长率随之减小。     

海面动量、热量及水汽通量的浪沫效应──Ⅱ．数值计算及结果比较

本文是“海面动量、热量及水汽通量的浪沫效应”的第２部分。文中根据本课题第１部分方程组及初值化等改写所得方程组,对不同初始滴径和垂直速度的飞沫,在不同背景风场和温度场的情况下,计算飞沫入海距离、速度、滴径和滴温,以及估算飞沫出入海面所携带的动量、热量及水汽量等的变化量。计算结果所作比较说明了飞沫在海气相互作用中的重要作用。     

渤海海峡悬浮体分布、通量及其季节变化

渤海海峡是渤黄海物质交换的重要通道,同时也是黄河入海泥沙向黄海搬运的必经路径。本文以2006—2009年渤海海峡8个站位四个季节的悬浮体、CTD数据为基础,将标准层悬浮体浓度数据与浊度数据对比获得高垂直分辨率的悬浮体浓度数据,分析其季节变化特征,并结合日均风场驱动的高精度数值模型模拟的渤海海峡流场,计算了四个季节渤海海峡悬浮体通量。结果表明,北黄海冷水团的入侵和退缩是渤海海峡温盐及其季节变化的重要特征之一,四季节流场特征均为"北进南出";渤海海峡中上层悬浮体浓度分布为海峡南部浓度高、北部浓度低,夏季海峡北部下层北黄海冷水团控制海域悬浮体浓度高于周围水体。春季、夏季、秋季、冬季悬浮体浓度依次增高。观测期间渤海海峡悬浮体的年净通量约为251.63万吨,其中输往黄海方向的悬浮体通量约占黄河年平均输沙量的4.27%。     

一次春季冷空气过程中东海海域海气通量与界面热交换分析

利用船测资料分析一次冷空气过程中东海海域海气通量特征及海洋表面热收支变化特征。2017年5月5日20时—6日14时冷空气过境期间,动量通量平均值为0. 22 N·m~(-2)。感热和潜热通量的平均值分别为27. 17 W·m~(-2)和90. 25 W·m~(-2),是春季整个观测期间(2017年4月20日—5月26日)平均值的2. 8倍和1. 1倍。冷空气爆发当天,净热通量为-12. 73 W·m~(-2),海洋失热。白天海表面热收入58. 36 W·m~(-2),影响海面热收支变化的主要是净辐射通量和潜热通量。夜间海表面热支出156. 89 W·m~(-2),海洋作为热源向大气释放潜热99. 79 W·m~(-2),占海洋释放能量过程的63. 61%,向大气释放感热27. 11 W·m~(-2),占海表释放热量的17. 28%,海表面损失的热量主要以潜热的形式向大气传输。     

黄海海浪天气时间尺度变化的数值模拟研究

利用第三代海浪数值模式(SWAN)系统研究了黄海海浪有效波高的天气时间尺度变化的时空分布特征和相关动力学过程。结果表明黄海海浪有效波高的天气变化强度(S_W)具有显著的时间变化特征和空间分布特征。其多年平均值在黄海的中东部存在由南向北延伸的高值区,同时向两侧近海区域逐渐减小。S_W在冬季最大,夏季最小。从11月到翌年5月,S_W月气候态平均值的空间分布与其年平均值的空间分布类似;从6月到同年10月,S_W的月气候态平均值在黄海与东海的分界处存在较强的由黄海到东海的空间梯度。进一步分析表明黄海海域的S_W以风浪占主,涌浪的贡献远小于风浪贡献。数值实验表明,黄海海浪有效波高的天气时间尺度变化主要是由大于天气变化周期的海面风强迫通过四波非线性相互作用产生的。     

基于ERA-20C再分析数据的中国近海波候研究

基于ERA-20C再分析数据,综合分析了1950—2010年间中国近海的海表风速、风浪、涌浪和混合浪的分布特点。结果表明,中国近海的风场主要受东亚季风控制,在南海南部靠近越南的海域夏季形成7 m/s的风速大值中心,冬季风速则可达9 m/s。风浪场的空间分布特点与风场相似,而受传播效应和浅水效应的影响,涌浪场四季均在吕宋海峡和东海东南部出现波高的大值中心。春夏季节中国近海大部分海域涌浪占优,与风速大值中心对应,夏冬季节南海南部10°N附近存在风浪池。趋势分析结果显示,风速和混合浪有效波高的线性趋势呈现相似的空间分布,南海的风速和波高分别以0.27 cm·s^-1/a和0.74 cm/a的速率显着增加。而渤海分别以-0.49 cm·s^-1/a和-0.85 cm/a的速率显著降低,黄海的变化率分别为-0.43 cm·s^-1/a和-0.79 cm/a。将中国近海风速和波高的年际变化分别与气候指数尼诺3.4进行相关分析,结果显示,冬季大部分海域的相关系数为负,而夏季在南海和东海海域则为正。     

2006年春季珠江口海岸带近地面层热通量收支的观测研究

利用中国气象局广州热带海洋气象研究所在珠江口岸边2006年3—5月观测的气象资料,用涡动相关法计算了该区域近地面层的热通量(潜热和感热通量),同时分析了海面净辐射和净热通量的一些特征.经分析发现,热通量在观测期内逐月增大,其在 5月份的增幅比前两个月更加明显.各个不同时段和天气过程的平均值显示,热通量的交换在此季节内以潜热为主.冷锋入侵时带来的干、冷空气活动引起的水汽蒸发、感热巨变的“脉冲”过程对热通量有较大的影响,观测期内冷空气出现的天数占总观测天数的16.5%,而在冷空气活动期间交换的热通量值占总观测期内的25.6%,其中潜热占17.4%.月平均的海面净辐射和净热通量从3月到4月有一个较大的增幅,净辐射从4月到5月也是增加的,增幅较小,但是净热通量的值在5月反而小于4月,只略高于3月,这归因于5月份热通量的交换能力增强,海水释放的热量增多,使得海洋储存起来的净热通量在5月份反而减少,表明春季该海域储存在海洋中的热量在4月份是最多的.在各月或者季节平均的日变化中,各通量在相同时次的量值都逐月增大.潜热在15时左右达到峰值,感热在9时前后达到最大,感热的最小值发生在夜间而非午间,二者均在夜间比较稳定、少变.海面净辐射与净热通量基本同步变化,都呈单峰型.白天,二者均为正值,且净辐射值大于净热通量值;夜间,二者均为负值,净热通量的绝对值大于净辐射的绝对值.在3—4月的日变化中,净辐射与净热通量之间的差值较小,5月份二者的差值增大,虽然净辐射强度在5月接近4月的值,但是感热和潜热在日变化中的相同时次都有较大幅度的增加,使得海洋净支出热量增多.     

长江口杭州湾海域冬半年海洋热动能对寒潮过程响应模拟研究

应用大气与海洋再分析资料和FVCOM-SWAVE区域海洋耦合模式,对2004—2009年长江口杭州湾冷季(11—3月)海洋热动能—主要为海流能和温差能进行特征分析,以及对北路及西路入海寒潮过程影响下的海洋热动能变化进行模拟研究。结果显示:该海域海流能主要受沿岸流和黑潮流系影响,此两流系强弱变化与南北季风的强弱变化,以及入海径流丰枯期的变化相关。2月海面温度SST低,且南北向水平温度梯度大,显示北方高纬冷海温的势力强盛。北路偏北寒潮大风在大陆近岸造成向南余流增强和余水位向岸增高。西路寒潮的偏西大风造成离岸向东的余流,在外海受地转力作用转为偏南流动,造成湾内负值余水位。海水表层温度的降低往往滞后于寒潮降温1—2 d。近海SST低于底层,其降温幅度大于底层,此种特征可持续3—5 d。外海站点寒潮影响造成的上下层海温迅速混合所需时间大约1—2 d,温度降幅小于近岸。增加波浪模式的耦合,增强了水位对寒潮的响应强度,显著改善模式产品质量。对3个SST海温槽脊系统的海流能与温差能比较显示,寒潮剧烈天气过程的影响,驱动自北向南的冷水团质量输送,造成海区热动能表现为短期迅速地显著增长。     

东海海面热收支的季节变化

本文研究了东海及其周围海域的热收支的季节变化。冬季在琉球群岛近海感热和潜热都最大,从海面释放的热量,以潜热为主。冬季在云量少的台湾南部海域和黄海,日射量最大,在云量多的琉球群岛近海较小。其夏季日射量,各海域虽有不同,但不显著。根据在海面的日射与长波辐射,感热、潜热各辐射通量,求得海-气之间净热输送。其年平均值是向上的,海洋损失热量。为补充损失,从周围海域,向东海和黄海应有能量流入。对这一热流入量做了估算,年平均值可达7.4×10~3W。如果换算为单位面积,相当于58Wm~(-2)。     

台湾海域海面粗糙度及曳力系数的研究

利用福建沿海海域南日岛、金门岛与广东南澳岛的近海面气象、水文观测资料及台湾海峡西南部与南部的浮标观测资料,通过COARE(Coupled-Ocean Atmosphere Response Experiment)算法(V3.0),计算了台湾海域近海面空气动力粗糙度、曳力系数及海气表面动量通量,并研究它们关于水平风速的分布规律。结果得出:摩擦速度与10m风速基本上呈线性分布,线性拟合系数在0.042～0.045之间。曳力系数对10m风速的线性分布与过去研究结果相近,线性拟合系数在0.064～0.067之间。海面空气动力粗糙度对10m风速的线性拟合系数在0.053～0.058之间。海面动量通量与10m风速呈明显的二次关系,其线性与非线性拟合系数对于进一步了解台海地区大气湍流结构,建立和完善台海地区数值预报模式可提供重要的参数依据。     

1979-2018年间山东半岛沿海台风浪危险性分布的数值模拟研究

台风浪灾害在山东半岛沿海时常发生,对人类生命财产和基础设施构成很大威胁,因此,对山东半岛海域台风浪的危险性分析具有重要的现实意义。本研究使用ADCIRC+SWAN耦合数值模式采用Holland模型风场与NCEP再分析风场组合的风场驱动,对1979—2018年36次台风过境期间的海浪过程进行了模拟。以台风过境时最大有效波高及历时频数作为危险性评价指标,给出了山东半岛近岸台风浪强度等级分布、历时频数分布以及危险性指数分布。研究结果显示,山东半岛北部为台风浪低危险区,台风浪强度等级低且历时短;南部二级强度（有效波高范围为1.3—2.5m）以上台风浪发生较为频繁,危险性高于北部;东部台风浪强度可以达到四级（有效波高4m以上）,危险性最高。     

冬季黄海暖流西偏机理数值探讨

利用海洋数值模式(MITgcm)模拟了冬季黄海流场并对冬季黄海暖流西偏的机理进行了探讨。冬季黄海流场模拟试验表明,黄海暖流由济州岛以西约32.5°N,125°E附近进入黄海,然后沿着黄海深槽西侧70 m等深线附近向北偏西运动;海面高度调整对黄海暖流路径具有重要影响,沿着黄海暖流路径的海面高度梯度比周围海区大,由海面高度梯度产生的地转流引起的北向体积输运占总的北向体积输运的78%。狭长海湾地形控制试验表明,单纯的黄海地形分布不足以引起黄海暖流西偏。黄海典型断面试验与渤海、黄海、东海地形控制试验说明,黄海暖流进入黄海的地理位置对流场分布有重要影响,黄海暖流进入黄海的位置恰好位于深槽西侧地形坡度较大区域,在位涡守恒的约束下黄海暖流受地形捕获沿70 m等深线附近向北偏西运动;试验还表明,黄海暖流进入黄海的位置与东海北部环流和地形分布有关,在冬季风的作用下东海北部环流的一部分沿着地形陡坡进入黄海形成黄海暖流。由此认为,黄海、东海环流在其特殊地形的约束下对冬季风的响应和调整,是引起黄海暖流西偏的主要原因。     

深圳香港海域可能最高潮位和浪高计算分析

基于历史数据的分析,选择历史上强度最强的台风"荷贝"作为设计超强台风的强度,最不利路径的台风"雪莉"作为设计路径,作为深圳香港海域设计超强台风。采用海洋-陆架区-海岸三重嵌套网格建立的天文潮-风暴潮-台风浪耦合模型计算设计超强台风遭遇天文大潮的高潮位登陆时深圳香港海域的可能最高潮位和浪高。计算结果表明,大鹏湾北部和香港吐露港内,可能最高风暴潮位在3.00 m以上,浪高达到4.0～5.0 m;香港维多利亚港风暴潮位2.92 m,深圳香港水域东部南部在2.50 m以上,浪高3.0～5.0 m。可能最高风暴潮位比大鹏湾防潮警戒水位高1.62 m左右,比香港维多利亚港200年一遇的潮位高0.50 m。     

中国浙江和福建海域台风浪变化特征和趋势

基于非结构网格的海浪-海流耦合模式SWAN+ADCIRC(Simulating Waves Nearshore+Advanced Circulation model),模拟了1997—2016年共20年间所有影响浙江和福建海域台风过程期间的海浪过程。利用4个台风过程期间的海浪观测数据对模拟结果进行了验证,模拟结果和实测结果吻合较好。基于该长时间序列台风浪模拟结果,分别分析了浙江和福建海岸带台风浪有效波高极值以及台风浪有效波高大于1m和1.5m的持续时间。结果显示,在福建北部海岸带台风浪有效波高极值和台风浪有效波高大于1m的持续时间(tHs1)有显著增长的趋势。其中,台风浪高极值的增长趋势最大可达0.05m/a,tHs1的增长趋势位于0.54至1.72h/a之间。分析tHs1与ENSO指数的关系发现,福建省南部海域台风浪与ENSO指数有较显著的负相关,浙江省北部海域台风浪与ENSO指数有较显著的正相关,ENSO信号对这两个海域的台风浪有着较显著的影响。     

非结构网格模型在闽东沿海台风浪模拟中的应用

基于加密的非结构三角网格,以Holland模型风场叠加美国国家环境预报中心(NCEP)海面风场构造的合成风场驱动第三代浅水波浪数值模型(SWAN)对2017年影响闽东海域的"纳沙"和"泰利"台风过程进行数值模拟,并运用浮标站的实测数据对模拟结果进行验证.结果表明,模型计算的风速、有效波高与实测值符合较好,合成风场能较好地模拟台风期间的风速变化过程,SWAN模式能够合理地再现闽东沿海台风浪的时空分布特征.由模拟结果可见:台风"纳沙"中心越过台湾岛进入台湾海峡北部海面,受海峡地形的约束,其波浪场呈NE—SW向椭圆状分布,北部海域的浪高大于南部,闽东沿海遍布大范围的巨浪到狂浪;超强台风"泰利"未登陆闽东,当其台风中心与大陆的距离最近时,海面波浪场分布与台风风场结构一致,台风中心附近海域为14 m以上的怒涛区,巨浪遍布于闽东沿海.研究结果可为闽东沿海台风浪灾害预警和应急管理提供技术支撑和参考依据.     

非结构网格模型在闽东沿海台风浪模拟中的应用

基于加密的非结构三角网格,以Holland模型风场叠加美国国家环境预报中心（NCEP）海面风场构造的合成风场驱动第三代浅水波浪数值模型（SWAN）对2017年影响闽东海域的“纳沙”和“泰利”台风过程进行数值模拟,并运用浮标站的实测数据对模拟结果进行验证.结果表明,模型计算的风速、有效波高与实测值符合较好,合成风场能较好地模拟台风期间的风速变化过程,SWAN模式能够合理地再现闽东沿海台风浪的时空分布特征.由模拟结果可见：台风“纳沙”中心越过台湾岛进入台湾海峡北部海面,受海峡地形的约束,其波浪场呈NE—SW向椭圆状分布,北部海域的浪高大于南部,闽东沿海遍布大范围的巨浪到狂浪;超强台风“泰利”未登陆闽东,当其台风中心与大陆的距离最近时,海面波浪场分布与台风风场结构一致,台风中心附近海域为14 m以上的怒涛区,巨浪遍布于闽东沿海.研究结果可为闽东沿海台风浪灾害预警和应急管理提供技术支撑和参考依据.     

黄河调水调沙期间黄河入海水沙的扩散与通量

以2007年夏季黄河调水调沙期间黄河三角洲海域3断面连续站及渤海南部24个大面站观测的流场、温度、盐度及含沙量资料为依据,分析了调查区水沙扩散特征,计算了各连续站的拉格朗日余流及泥沙输送单宽通量。结果表明,黄河入海泥沙扩散范围非常有限,主要分布在南至莱州湾西南部、北至北纬38°附近离岸约20km以内的带状沿岸区域;但黄河冲淡水出现大面积扩散,覆盖了整个莱州湾的北部和中部,最远可至龙口附近,黄河入海水沙扩散不同步。在现行河口和钓口流路废弃河口存在两个高浓度泥沙中心,分别对应于黄河入海泥沙和废弃钓口流路海域底质再悬浮产生的两个泥沙来源。河口及三角洲近岸切变锋的阻隔及辐聚作用,是大部分黄河入海泥沙沉积在河口及沿岸13m水深以内的主要动力因素。受余流方向及水体垂向湍动较弱的影响,两个高浓度泥沙中心很少有泥沙交换。冲淡水的大面积扩散主要受表层余环流的影响。余流及悬浮泥沙通量计算显示,夏季黄河入海水沙在近岸主要向东北方向扩散。     

利用卫星数据反演中国近海气溶胶浓度及干沉降通量

利用Aqua卫星MODIS光谱成像仪遥感的气溶胶光学厚度(AOD)资料,结合CALIPSO卫星给出的气溶胶消光系数和相对湿度垂直剖面数据,反演了中国近海低层大气气溶胶浓度,并依据水面干沉降模型估算中国近海气溶胶干沉降通量的时空分布,提出了一种订正AOD的方法;使用中国沿海城市气溶胶浓度监测值,在渤海、黄海、东海和南海4个海区拟合得到了4组AOD与PM10质量浓度的线性关系;反演了2014年3月—2015年2月中国近海气溶胶浓度。结果显示,中国近海气溶胶浓度全年均值为38.15μg/m3,渤海比南海高约149%,沿岸海域高出远海约30%,冬春月份高于夏秋月份约3.7%;气溶胶干沉降通量年均值为0.028g·m-2·d-1,同样表现出北部海域高于南部海域、冬春季高于夏秋季的分布趋势。     

1013号“鲇鱼”台风大气边界层低层动量通量逆梯度输送的观测特征

为了进一步揭示大气边界层低层动量通量逆梯度输运的观测事实,本文利用福建南部赤湖镇海边100m铁塔上观测得到的超声风温仪资料,采用诊断方法分析了2010年13号"鲇鱼"台风影响过程中近海面边界层大气中动量垂直通量逆梯度输送特征。结果表明:在逐小时时间尺度上台风近海面边界层大气中湍流动量垂直通量输送以沿梯度方向为主,但也存在一定比例的逆梯度方向输送现象,且越往高层该现象越明显,本文中其百分比最高不超过16%。并且这一现象出现的频率在台风环流的不同区域存在差别:在台风环流的内核区域最多,其次是登陆以后残余环流区,而在早期的台风外围环流中较少。湍流低频扰动的相干结构也是影响因素,当水平扰动与垂直扰动出现同位相变化时容易出现动量垂直通量逆梯度输送。大气动量通量逆梯度的水平和垂直平均空间尺度分别为258m和35m,平均时间尺度分别为123s和13s,均小于通常的顺梯度湍流低频扰动的时空尺度的1—3倍。