渤海海峡拉格朗日余流的数值模拟

本文首先用二维非线性模式对渤海海峡的M₂分潮进行数值模拟,求得逐太阴时潮位和潮流场,进而导出欧拉型的潮余流,计算结果与实测资料符合良好. 在潮流模拟的基础上,对海峡中投放的标识质点的拉格朗日运动进行数值跟踪,获得典型潮时起算的拉格朗日漂移和拉格朗日余流,与欧拉余流相似,拉格朗日余流也呈北大南小之势,但二者的量值并不相同.对于确定的潮流场,欧拉余流是定常的,而拉格朗日余流却是潮位相的函数.     

内潮致拉格朗日余流的数值研究

利用MITgcm数值模式,研究了单海脊地形下的内潮致拉格朗日余流,发现余流结构与内潮结构相对应,从海脊附近沿波射线分布,向东、西两方向流动。与欧拉余流相比,拉格朗日余流在海脊附近呈现辐散的特征,欧拉余流则表现为辐聚的特征。改变地形、正压潮流速等参数,拉格朗日余流结构随之变化。当海脊变宽时,余流随波射线的消失而变得很小且混乱;当海脊变高时,海脊附近逐渐产生向海底方向的流动,与海面反射的余流形成平行的射线,余流整体增强,海脊附近的余流在向外流动过程中增幅减小;当正压潮流速增大时,余流结构基本不变,但在高窄海脊地形下海脊附近的平行射线会逐渐合为一支从海脊顶部产生的流动。     

基于拉格朗日方法的南海自动剖面浮标轨迹模拟系统

南海自动剖面浮标轨迹模拟系统包括高分辨率模式流场、拉格朗日追踪模型和垂向浮标运动参数化方案等三个核心部分。该系统可在南海范围内模拟两类自动剖面浮标:传统自动剖面浮标(停滞深度为1000m,最大下潜深度为2000m)和新型深海自动剖面浮标(停滞深度为距海底500m)。通过对南海现有的6个传统浮标的模拟,该系统可以预测其100d内的漂流轨迹。通过与真实浮标轨迹数据的对比,验证了该模拟系统的准确性。此外,根据该系统,我们初步探讨了深海自动剖面浮标阵列(时空分辨率为2°×2°×30d)在南海内区布放方案的可行性。该模拟系统的建立和完善将有助于对现有传统剖面浮标布放策略进行优化,并对未来深海剖面浮标在南海的推广应用提供初步的理论依据。     

第六章 渤海潮波系统及潮致拉格朗日余流

对渤海潮波系统的计算,我们分别采用二维有限差分方法、有限元方法进行了数值模拟,同时应用三维非线性潮波理论进行了数值计算,除计算潮流外,还计算了潮致余流。     

基于拉格朗日方法的南海自动剖面浮标轨迹模拟系统*

南海自动剖面浮标轨迹模拟系统包括高分辨率模式流场、拉格朗日追踪模型和垂向浮标运动参数化方案等三个核心部分。该系统可在南海范围内模拟两类自动剖面浮标: 传统自动剖面浮标(停滞深度为1000m, 最大下潜深度为2000m)和新型深海自动剖面浮标(停滞深度为距海底500m)。通过对南海现有的6个传统浮标的模拟, 该系统可以预测其100d内的漂流轨迹。通过与真实浮标轨迹数据的对比, 验证了该模拟系统的准确性。此外, 根据该系统, 我们初步探讨了深海自动剖面浮标阵列(时空分辨率为2°×2°×30d)在南海内区布放方案的可行性。该模拟系统的建立和完善将有助于对现有传统剖面浮标布放策略进行优化, 并对未来深海剖面浮标在南海的推广应用提供初步的理论依据。     

三维潮致拉格朗日余流的数值计算及其在渤海中的应用

根据冯士筰教授于1987年导出的三维质量输运速度的控制方程组出发,在垂直方向上用三次样条函数为基函数作谱展开,水平方向上应用有限差分格式来求解方程组,然后将所提出的计算方法应用于夏季渤海环流,取湍粘性系数随深度变化模式,通过计算可知,潮致余流改变了一般认为夏季渤海环流为一逆时针方向大环流的简单结论,并得到了观测的初步支持。     

2016下半年安达曼海潮、余流观测分析

The characteristics of currents and tidal currents in the Andaman Sea(AS) are studied during the second half of2016 using observed data from a moored acoustic Doppler current profiler(ADCP) deployed at 8.6°N, 95.6°E.During the observation period, the mean flow is 5–10 cm/s and largely southward. The root mean square and kinetic energies of the low and high frequency flows, which are divided by a cutoff period of 5 d, are at the same level, indicating their identical importance to the total current. A power spectrum analysis shows that intraseasonal oscillations, a tidal-related semilunar month signal, a semidiurnal tidal signal and periods of 3–4 d are prominent. The barocliny of an eddy kinetic energy is stronger than the mean kinetic energy, both of which are the strongest on the bottom and the weakest at 70 m depth. Residual currents are largely southward(northward) during the summer(winter) monsoon season. Two striking peaks of the southward flow cause the 80 d period of meridional currents. The first peak is part of a large-scale circulation, which enters the AS through the northern channel and exits through the southern channel, and the second peak is part of a local vortex. The 40 d oscillation of the zonal current is forced by geostrophic variations attributed to local and equatorial remote forcing. The tidal current is dominated by semidiurnal constituents, and among these, M2 and N2 are the top two largest major axes. Moreover, astronomical tidal constituents MM and MSF are also significant. Diurnal constituents are weak and shallow water tides are ignorable. The aims are to introduce the new current data observed in the AS and to provide initial insights for the tidal and residual currents in the Andaman Sea.     

Argo浮标观测溶解氧数据的原理与质量控制

Argo剖面浮标已成为海洋溶解氧观测数据的主要来源,截至2018年7月已在全球范围内获取了超过13万条溶解氧剖面,然而目前其数据的质量控制仍然存在不足。本文首先介绍了Argo浮标上携带的溶解氧传感器的测量原理、主要误差来源以及两种校正方法:气候态校正法与空气测量校正法,并提出了目前在溶解氧传感器数据质量控制研究亟需解决的技术问题,包括:①由于传感器伸出水面的高度不够,一些浮标并不能有效测量空气氧含量,因为无法进行空气测量校正方法;②Argo观测的溶解氧数据库中目前存在一些异常测量剖面没有得到有效剔除,影响校正系数的计算;③使用平均值确定校正系数的方法容易受到异常剖面的干扰。     

渤海中部长期流的观测与余流分析

本文用渤中8号平台长期流观测取得的资料,分析了余流的变化特征。同时,用日平均流与日平均风的互相关函数,探讨了流与风的关系。     

南海Argo浮标观测结果初步分析

对投放在南海内部的4个Argo浮标轨迹特征,温、盐结构及漂移速度进行诊断分析发现,Argo浮标剖面温、盐观测结果和气候态资料一致,同时上层海洋温、盐剖面资料表现出周期约2月的扰动信号,并且温跃层起伏与同期海表高度异常相关显著。和高度计资料计算而得的海表地转流相比,由Argo浮标漂移轨迹计算的表观流量值较小。在季节时间尺度上,Argo浮标表观流和Argo浮标所停留的中层参考面季节性海流相一致。     

海洋观测浮标体水中平衡性分析

海洋观测浮标系统应用广泛,浮标体的平衡性能是影响海洋观测浮标使用的重要因素之一(着重观测波浪等水文参数除外)。以一种主体直径为2.3 m的浮标体为例,运用动力学平衡理论,通过数学分析法进行推演计算,分析后得到了此浮标体的重心和浮心的位置。其中,重心位于主浮体的中轴线偏下位置;按照浮标体倾斜一定角度的情况下,推算出浮标体浮心位置,并由此得出其稳心的位置。依据计算,得出浮标体倾斜20°的情况下,此浮标体依然处于稳态平衡,理论结果表明此浮标体设计具有一定的可行性。通过海上实际测试,验证了理论计算分析的正确性。文中对浮标体平衡性的研究采用了理论分析与实验印证相结合的方法,其分析计算方法具有普适性,适用于其他型号的海洋观测浮标体,乃至所有水面浮体的平衡性分析,可为水面浮体设计提供借鉴。     

全球ARGO浮标及其观测资料状况分析

以中国ARGO资料中心获取的全球ARGO浮标观测资料及其相关信息为基础，从ARGO浮标的所属国家、仪器类型、布放时间和运行寿命及其观测资料的地理分布、观测时间分布、质量状况等几个方面，对目前全球共享的ARGO浮标及其观测资料状况进行了初步分析，说明了ARGO计划实施以来全球ARGO浮标观测网的建设现状和各国ARGO计划实施的进展情况，为我国ARGO计划实施、海洋管理和资料应用提供借鉴。     

基于志愿观测船舶和浮标数据的SST日产品质量评价研究

选用浮标、志愿观测船舶(VOS)数据作为验证数据对MODIS Aqua,MODIS Terra,AVHRR-OI,OSTIA和RTG五种SST日产品进行了时相差异、近海SST偏差和SST偏差区域整体差异分析的质量评价,以期为日产品的后续应用提供依据。结果表明:不同分析方案得到结论基本一致,在时相差异方面,各季节及年度分析显示各日产品优劣特性相近,其中AVHRR-OI最优(年数据分析回归系数为0.973 6,R2为0.976 0,RMSE为0.71℃),RTG、MODIS Aqua和MODIS Terra次之,OSTIA最差(年数据分析回归系数为0.945 4,R2为0.943 7,RMSE为1.08℃);在近海区域,AVHRR-OI比其他日产品能更真实地反映海表温度状况,OSTIA最差(二者Grade分别为30和13);在海洋表面区域整体特性方面,AVHRR-OI日产品质量在研究区海域存在更少的高正值和低负值,且均值和RMSE也更理想(最低仅分别为0.40和0.59℃);而RTG和OSTIA则差于AVHRR-OI。     

基于拉格朗日方法对黑潮路径的数值模拟

利用ROMS模式和拉格朗日方法,研究了完整的黑潮路径及其特点。首先通过比较拉格朗日粒子的概率分布与HYCOM再分析资料和OSCAR海流反演产品统计的流场结构,验证了拉格朗日方法对黑潮路径的模拟效果。在此基础上,通过分析拉格朗日粒子的轨迹研究了黑潮路径的主要特征,发现黑潮入侵东海大陆架主要包括台湾东海岸北向路径、菲律宾离岸气旋式环流路径以及南海-台湾海峡北向路径3条主要路径,同时得到了黑潮路径主要通道上的净流量分布。     

海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法

综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。     

Argos漂流浮标的若干观测结果

表层漂流浮标是一种利用Argos卫星系统定位与传送数据的海洋观测设备,它可以利用Lagrangian法则连续观测表层海流及表层水温。文章利用近年在南海和西太平洋投放的部分卫星跟踪表层漂流浮标所取得的观测资料,分析观测海域的表层海流特征及其漂移路径上的温度变化,得出以下结果。(1)由浮标的漂移轨迹看出,黑潮表层流路年际变异相当大。(2)2003年1月,黑潮表层水有入侵南海的趋势,似无西北太平洋表层水深入南海的迹象;夏季南海表层水由南海流出经吕宋海峡汇入黑潮主干。(3)秋季台湾东北海区存在一个强反气旋涡,空间尺度约270km。(4)黑潮主干在秋末冬初经过东海时明显呈弯曲流动,并形成许多小尺度的气旋式涡。(5)在九州西南海域,黑潮表层流并无分支北上进入对马暖流区。(6)2003年春季,黑潮在日本以南的弯曲不明显,并伴随有冷、暖涡产生,暖涡的强度和空间尺度都要比冷涡大得多。(7)由漂流浮标观测得到的的表层海水的温度分布明显呈日变化和季节变化的特征。在浮标漂移路径呈反气旋或气旋式转动的区域,表层水温对应出现高或低温区;但出现在台湾以东的低温区则与此时期的台风过境有关。     

碟形浮标观测方向波谱误差分析及修正

改进了方向波谱的分析方法及噪声谱经验公式，使本法随测波环境及仪器特性自动修正经验参值，更易于实际应用。基于Maximum heave/pitch quad-spectrum method，由时域及频率域上的浮标动力反应数值计算，推求反应增益因子及相位延迟项，并进一步将其导入方向波谱计算，使其能修正资料浮标对波浪之轴不对称动态反应所造成的相位延迟不一致及主波向误差。经数值仿真验证，该方法的确能消减因资料浮标对波浪之轴不对称动态反应所造成的相位延迟及对主波向估算所造成之影响。应用花莲现场观测资料验证改良之主波向估算方法，得出是否考虑波浪运动与浮标运动间之振幅响应因子及相位延迟因子，所得之主波向的差异介于0－12℃之间。     

基于卫星漂流浮标的南海表层海流观测分析

基于1989~2013年的卫星跟踪漂流浮标资料和1993~2012年的卫星高度计资料,分析了南海表层流场,给出南海各季节多年平均的实际流场和地转流场结构,对南海实际流和地转流的季节变化特征进行了初步探讨,并比较了南海各季节表层实际流场和地转流场的异同。结果表明,南海海域各季节上层环流结构与海域季风关系密切,实际流场和地转流场总体均呈现显著的季节变化特征。通过比较发现,在夏、秋、冬这3个季节,实际流场和地转流场大的环流形势特征基本相同,中小尺度的环流特征有所差别;在春季,两者则呈现出相反的环流特征,环流特征差异明显。     

GPM和TRMM卫星与海洋定点浮标观测降水日变化的比较

基于热带大洋地区共23个海洋定点浮标雨量器数据比较了GPM和TRMM两种卫星降水数据(IMERG和TMPA)对热带海洋降水日变化的观测能力,选取时间为2014年4月1日—2018年4月30日。相较于浮标观测结果,2种卫星数据都低估了降水日变化范围。在太平洋和印度洋,IMERG和TMPA都能捕捉到降水极大值出现在早上、极小值出现在傍晚的特征,与浮标观测结果基本吻合。在大西洋,两种卫星数据与浮标观测的降水日变化特征有较大差异,主要是由于大西洋降水较少,而卫星对小降水的观测存在较大偏差,同时浮标观测在小降水区域更容易存在误差。