日本海末次冰期以来沉积作用和环境演化及其控制要素

基于对日本海南部、中部和西部3个沉积岩芯的综合研究,探讨了末次冰期以来日本海不同区域的沉积作用、环境演化特征及其控制因素。结果发现:在距今8ka以前,日本海南部、中部和西部陆源碎屑物质分别由河流物质、西风携带的风尘物质和海冰输运的物质组成;8ka以来日本海西部沉积物中存在连续分布的火山物质,推测与利曼寒流形成有关,标志着现代日本海表层环流格局的形成。在末次冰期,日本海中部和南部因为水体层化较强,导致底层水通风较弱,而日本海西部则由于盐析作用,通风较强。在冰消期早期,随着海平面上升,东海北部高盐水团再次入侵日本海,改善了日本海深层水体通风条件,但在日本海西部因受到常年海冰覆盖的影响,沉积物氧含量显著减小;在冰消期晚期和早全新世,日本海南部深层水体通风减弱,而在日本海中部和西部通风较好;但8ka以来日本海通风普遍增强。日本海的沉积作用和环境演化受海平面、东亚季风(西风环流)和对马暖流控制,但不同海域对上述3个因子的响应程度存在差异。海平面变化是控制日本海环境变化的首要因子,它直接制约着日本海与周围水体的交换程度;东亚夏季风影响日本海表层水体层化,而东亚冬季风则控制着日本海西部海冰的形成和深层水体垂向对流;8ka以来对马暖流成为控制日本海环境演化的重要因子,它的入侵增强了表层和底层水体交换,提高了日本海深层水体和沉积物溶解氧的更新速率。     

东韩暖流驱动机制的正压数值研究

日本海 ,在韩国称为东海 (或简记为ＪＥＳ) ,是北太平洋的４个边缘海之一 ,面积大约有１０６ｋｍ２ ,最深处可达３７００ｍ ,是一个检验海洋环流思想的天然试验场。虽然对日本海的环流研究已有近百年的历史 ,但由于其复杂性 ,对日本海的总环流的认识还停留在相当肤浅的水平 ,甚至对一些基本的环流问题都没找到答案。有关日本海的数值研究工作 ,最早是由Ｙｏｏｎ（１９８２ａ,ｂ,ｃ）和Ｋａｗａｂｅ（１９８２ａ,ｂ）完成的 ,在他们的工作中注重讨论了对马暖流的分支问题。Ｙｏｏｎ认为对马暖流在日本海可有两分支 ,β-效应对形成东韩暖流…     

日本海环流研究综述

日本海作为东北亚地区最大的边缘海,是西北太平洋上的重要海区。由于特殊的地理位置和复杂的地形,使得日本海的环流结构呈现独有特征,如日本海内的亚极地锋现象,复杂多变的涡旋,北部形成的深水团等。概述了日本海环流状况,着重介绍了对马海峡、郁陵海盆环流情形和日本海特征水团;总结了目前仍存在的争议问题,如对马暖流源头、对马暖流空间结构等;指出了目前日本海尚待解决的科学问题,如对马暖流流量的长期变化及其原因、东韩暖流消失现象及其机制、日本海特征水的传播路径及其影响因素、日本海的某些变化产生原因及其与全球变化的响应等。     

48ka以来日本海Ulleung海盆南部的海洋沉积环境演化

晚第四纪以来伴随底层水含氧量的剧烈变化,浅色和深色沉积层的交替出现是日本海半远洋沉积物的主要特征。沉积特征分析表明,日本海Ulleung海盆南部KCES1孔的沉积物具有四种不同的沉积构造:均质、纹层、纹层状和混杂构造。深色沉积层一般具有纹层和纹层状构造,并且与我国内陆的千年尺度东亚夏季风强弱变化记录有很好的对应关系,表明纹层沉积物也具有千年尺度的变化规律,从而进一步说明了冰川性海平面变化和东亚夏季风波动应该是Ulleung海盆南部底层水溶解氧含量变化的主要原因。在暖期,在东亚夏季风降水相对增强的影响下,低温、低盐的东海沿岸水对日本海表层水体的贡献要大于对马暖流的贡献,日本海水体间的交换减弱,最终造成缺氧的海底沉积环境。在冷期,夏季风强度的减弱(冬季风增强)加快了日本海西北部深层水的生成,Ulleung海盆南部的底层水含氧量高,相应地沉积了具均质构造的浅色沉积物;在末次盛冰期最低海平面时,日本海成为一个封闭的海盆,降雨量高于蒸发量,水体出现分层,底层水处于停滞缺氧状态。自距今17.5 ka(日历年,下同)以来底层水含氧量较高,对马暖流逐渐成为影响日本海海洋沉积环境的主要因素。Ulleung海盆南部底层水的含氧量在YD期间有一定程度的降低,东海沿岸水的短暂强盛制约了深层水的流通。自距今10.5 ka以来对马暖流强盛,日本海海底处于富氧的沉积环境。     

日本海西南陆坡全新世对马暖流演化的沉积学和地球化学记录

对日本海西南陆坡对马暖流主流轴下方高沉积速率沉积物柱状样,进行了沉积学和地球化学系统研究,以探讨全新世以来对马暖流在研究区的形成与演化,并得出了与附近地区古海洋学方法非常相近的结果,从而为今后研究区的对马暖流演化研究提供了沉积学和地球化学指标。据此,该柱状样中所记录的对马暖流演化可划分为5个主要阶段。全新世初期(9.6kaBP),对马暖流开始进入日本海,其强度较弱,同时,伴随着富营养东海沿岸水的影响,海底环境由还原性向氧化性转变;6.5kaBP时,对马暖流控制下的日本海南部现代对流模式最终建立起来,东海沿岸水的影响基本消失,随后,对马暖流明显减弱;3.0kaBP时,对马暖流再次增强并基本达到现在水平,且在随后的3ka里保持总体稳定,期间在2.0～0.7kaBP存在一次较弱的减弱过程。     

日本海主要海峡体积输运的季节变化特征

利用变分资料同化技术对P矢量方法进行优化处理,并采用此优化后的P矢量方法优化计算了日本海环流和日本海主要海峡的体积输运.日本海的主要环流系统,比如对马暖流(TWC)及其分支,东朝鲜暖流(EKWC)和日本近岸分支(JNB),极地锋海流(PFC),和日本海中的反气旋式涡,都能够被很好地一一反映出来.另外,优化后的P矢量方法...     

南黄海环流的若干特征

主要根据近几年来中韩黄海水循环动力学合作调查结果,结合有关历史资料,对南黄海环流的若干特征进行了分析。所得主要认识为:(1)南黄海环流存在明显的季节变异。冬、夏季环流的基本形态有着较大的差别。(2)黄海暖流的路径和强度均有一定的年际变化。分析显示,1997年冬季,暖流路径明显偏于槽的西侧;而1986年冬,暖流的主流路径则沿槽北上。(3)黄海暖流并非对马暖流的直接分支。黄海暖流水是对马暖流水和陆架水混合而成。而且,它主要是在济州岛西侧海域,从锋区中衍生出来的。(4)夏季黄海表、底层环流大致皆是由一大的道时针向流系构成。但在其表层海盐尺度的气旋式环流内部还存在小的气旋和反气旋流环。分析亦表明,不论表层或底层,皆无高盐暖水从济州岛邻近海域进入黄海东部的明显迹象。     

日本海西南陆坡对马暖流影响下的全新世沉积物物源演化

对日本海西南陆坡对马暖流主流轴下方高沉积速率沉积物柱状样,进行了典型元素比值和物源判别函数方面的系统研究,以探讨全新世以来研究区沉积物的物质来源变化.结果表明,韩国的洛东江和中国的长江为所研究沉积物的主要来源.它们对研究区的物质贡献变化可划分为5个阶段,并主要受对马暖流演化和海平面上升的影响.全新世早期(9.6～6.5...     

对马海峡水团组成对日本海温盐分布影响的季节及年际变化

基于WOD13(World Ocean Database 2013)的温盐观测资料,分析了对马海峡断面和日本海内一断面上温盐分布的季节变化特征,并利用水团组成混合比的方法探讨了对马海峡断面处的水团组成对日本海内断面上温盐分布的影响的季节和年际变化。研究表明:对马海峡断面上水团组成呈现显著的季节变化。冬季,整个水层被高盐水占据;夏季,对马海峡表层出现高温低盐水,底层为高盐水,次表层为表层低盐水和底层高盐水的混合水体;春秋为过渡季节。日本海断面上,秋季温盐分布最为复杂,表层为高温低盐水,次表层为高盐水,其下为低温高密水。两个断面季节变化对比可以看出,夏季对马海峡断面处的水团组成会影响秋季日本海断面上的温盐分布。夏季对马海峡表层和次表层水是秋季日本海断面表层50m以浅出现低盐水的主要原因;对马海峡深层高盐水主要影响秋季日本海断面50～150m水层,混合比可达0.82;其下为日本海固有水。夏季对马海峡处水团组成的年际变化也会影响秋季日本海断面上温盐分布的年际变化。长江流量较大的年份,夏季对马海峡表层和次表层低盐水的核心盐度值偏低,秋季其在日本海断面上的混合比就高于其他年份;对马海峡底层高盐水在日本海断面上混合比的年际变化则决定于其影响水层上的流场结构和温盐分布。     

大西洋热盐环流年代际变化机制研究Ⅲ.北大西洋海气要素对热盐环流年代际振荡的影响

基于该系列文章前文研究中构建的海气耦合气候模式和所揭示的北大西洋热盐环流年代际振荡机制,针对海气要素对该振荡机制的影响问题进行了重点的探讨。为细致准确的研究北大西洋海洋要素同北大西洋热盐环流年代际振荡的关系,有针对性的定义了副极地海区表层密度指数和北大西洋暖流强度指数并对模式结果进行了全面分析。分析结果表明副极地海区表层密度变化领先大西洋径向翻转环流(MOC)变化7 a,北大西洋暖流的变化领先 MOC变化4 a,格陵兰－苏格兰海脊溢流水强度(包括丹麦海峡溢流水和法鲁海峡溢流水,是北大西洋深层水的重要来源)的变化领先 MOC的变化3 a;北大西洋大气要素变化对北大西洋热盐环流年代际振荡有非常重要的调制作用,当副极地流环和北大西洋暖流(NAC)达到最强的2 a之前,高纬度地区大气为气旋式环流异常,中纬度地区大气为反气旋式环流异常,海表热通量在大西洋副极地海区是负异常,这都有利于副极地流环和NAC的加强,更多高盐度的北大西洋水进入格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域,由此可以导致GIN海域表层密度上升,使水体的层结稳定性减弱,有利于深层对流的发生,同时大气变化通过风应力旋度和海表热通量也直接影响GIN海域深层水的生成,进而导致格陵兰－苏格兰海脊溢流水的强度增加。     

对马海峡环流季节变化的模拟及分析

在利用改进的POM模式的基础上,嵌套西北太平洋区域模式HAMSOM结果,建立1个日本海对马海峡海域斜压准预报模式.通过与已有的观测和研究进行对比,得到较为可信的模拟结果.以温度场和盐度场为参考,系统分析讨论该海域的环流结构及其季节变化.对于温度锋和盐度锋的位置,以及对马暖流的流核等存在争议的问题给出了相应的解释.对马海峡作为日本海的上层水体主要输入区域,对马暖流携带的高温高盐水经过该区域时,在温盐等方面呈现出自南向北的递减变化趋势.对马暖流被对马岛分为东西两支,流核深度随季节变化,并且明显存在双核结构.     

东中国海拉格朗日环流数值模拟Ⅱ.环流模拟

依据自适应数值模型，模拟了东中国海冬、夏季三维斜压Lagrange环流。模拟发现：台湾暖流的上层水来自台湾海峡入流和台湾东北黑潮的表层水；50m以下的深底层水主要由台湾东北黑潮的次表层水入侵陆架生成。冬季对马暖流外海一侧主要由黑潮水构成，而其近陆一侧由台湾暖流和陆架混合水构成，西朝鲜沿岸流在济州海峡汇入对马暖流；夏季它还包含转向后的长江冲淡水。冬季黄海暖流并非对马暖流的直接分支，黄海暖流水是对马暖流水和陆架水混合而成，这与传统观点相悖，而与中韩黄海水循环动力学合作调查结果一致。黄海暖流东西两侧分别为2支向南流动的滑岸流。夏季黄海环流构成基本封闭的逆时针环流。冬季渤海环流主要有一逆时针大环流，但辽东湾的环流是顺时针向的。渤海环流冬强夏弱，水流在渤海海峡北进南出。     

冬季黄海暖流的诊断计算

采用ECOMSED三维水动力模式，诊断计算了冬季渤海、黄海和东海的近海环流状况，重点分析了黄海暖流的演变过程及其垂直结构，并探讨了黄海暖流的形成机理。结果表明，黄海暖流于12月初步形成，次年2月发展最强盛，3月开始衰退。黄海暖流在表层和次表层（0-30m）并不是一支持续稳定的流，其持续稳定性仅在近底层得到很好的体现。对黄海暖流形成机理的分析表明，压强梯度力、垂向摩擦力和柯氏力占主要地位。在表层及次表层，主要表现为风的正压作用，而在近底层，则由海平面起伏造成的正压梯度力和密度场引起的斜压梯度力形成的总压强梯度力与柯氏力基本平衡，因而黄海暖流可基本认为是准地转流。     

东韩暖流驱动机制的正压数值研究

本文基于POM(Princeton Ocean Model)建立起日本海环流的数值模式。通过几个在有入(出)流情况下的正压变水深数值实验,检验了地形对日本海环流的影响。结果表明地形是控制日本海环流的重要因子。对马暖流在日本近岸的分支较多地受到地形的影响,这与前人的结论相一致。本文的研究发现在真实地形下,东韩暖流在正压情况下却很难由行星β效应维持。因此,层化效应是形成东韩暖流的必要因素。     

“桑吉”号泄漏物质扩散与漂移数值模拟预测

基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式,对西北太平洋海域进行了水平分辨率高达4km的水动力环境数值模拟,该分辨率可以很好地分辨我国东海陆架环流以及中尺度涡旋等过程,此外模式考虑了8个分潮,模式结果很好地再现了黄、东海陆架环流等。基于模式结果,对"桑吉"号泄漏物质可能的扩散和迁移轨迹进行了数值模拟分析。在"桑吉"号沉船位置的表、底Ekman层内,释放拉格朗日粒子和示踪物来示踪"桑吉"号泄漏物质的可能影响范围。拉格朗日粒子和示踪物模拟结果表明:在未来3个月,"桑吉"号泄漏物质对我国黄海的影响较小,其主要随着对马暖流进入日本海和随着黑潮进入日本九州以南的太平洋海域。随着冬、春的季节转换,三个月后,北风会减弱,减弱风场的试验表明,风场减弱会减少泄漏物质向黄海的输送。5月份后黄海冷水团逐渐形成,由于斜压效应,在黄海深层水中会逐渐建立起气旋式环流,从而进一步阻碍了"桑吉"号泄漏物质向黄海的输送,该气旋式环流有利于"桑吉"号泄漏物质通过对马海峡向日本海的输送,而会抑制底层泄漏物质向我国黄海西侧的输送。     

48ka以来日本海古生产力和古氧化还原环境变化的地球化学记录

通过对日本海Ulleung盆地KCES-1孔元素地球化学分析,探讨了过去48 ka以来日本海古生产力和古氧化还原环境的变化规律和影响因素。多种替代指标质量累积速率(总有机碳、CaCO3,磷、过剩钡、镉含量)显示日本海古生产力自48 ka以来发生了显著的变化。在48~18 ka低海平面和有限的水体交换导致表层水古生产力相对较低。在18~11 ka随着海平面的上升,富营养盐水团(亲潮和东海沿岸流水团)的流入导致古生产力逐渐增大,在12.6~11.5 ka古生产力达到最大值。在全新世对马暖流成为影响古生产力变化的重要因素,并且自5 ka以来古生产力保持相对稳定。古氧化还原替代指标(总有机碳、钼、铀、锰、碳与硫含量之比、自生铀、自生钼含量)显示在12~9 ka日本海底层水可能为无氧环境。古生产力高和底层水体有限的交换是诱发底层水缺氧的主要因素,而这又与全球气候变化和海平面变化有关。     

渤、黄海冬、夏季节风生流场年际变化时空模态与环流变异

根据1975—2017年冬、夏季节渤、黄海沿岸25个气象站风观测资料,采用二维非线性垂直平均风生流模式、旋转经验正交函数(REOF)等方法,研究了渤、黄海冬、夏季节平均风生流速度势与流函数场年际变化时空模态与环流变异.由于冬、夏季节渤、黄海风应力场强度年际变化显著线性减弱趋势,冬季渤、黄海平均速度势与流函数强度年际变化线性减弱速率大于夏季,黄海冬、夏季平均速度势与流函数强度年际变化线性减弱速率大于渤海.渤、黄海冬、夏季节平均风生流速度势与流函数场年际变化主要有两种时空模态,冬季渤海垂直环流显著线性减弱以及水平环流准平衡态年际变化是主要分量,冬季黄海垂直与水平环流准平衡态年际变化是主要分量.夏季渤海垂直环流显著线性减弱以及水平环流准平衡态年际变化是主要分量,夏季黄海大部分海域垂直环流显著线性减弱与局部垂直环流显著线性增强年际变化是主要分量,夏季黄海水平环流形态此消彼长显著线性增强及减弱年际变化是主要分量.冬季黄海暖流暖水向南黄海西侧以及向渤海中部输送过程是在3～4个环流之间传递形成,并非由单一环流输送形成.冬季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部至渤海海峡的气旋环流、黄海东部辐散下沉反气旋环流是冬季黄海暖流强度与范围的控制环流,夏季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部辐合上升气旋型环流是夏季渤、黄海冷水团强度与范围的控制环流,冬、夏季节渤、黄海控制环流年际变化形态的变换形成冬季黄海暖流与夏季渤、黄海冷水团暖年或冷年的年际变化.     

末次冰盛期以来日本海浮游植物生产力和群落结构变化

生物标志物法已经被广泛应用于重建海洋浮游植物生产力和群落结构变化。本文利用这种方法重建了日本海末次冰盛期以来浮游植物生产力和群落结构变化。结果显示,生物标志物含量在末次冰期最盛期21～19 ka和14～4 ka时有高值,而在19～14 ka、4～0 ka有低值。末次冰期最盛期时生物标志物的高含量是由于分层导致的底层水缺氧,生物标志物得到较好保存的结果,而此时日本海盐度很低,使颗石藻相对含量很低;19～14 ka陆源输入减少,日本海生产力水平较低,不断增加的盐度使浮游植物群落结构由硅藻、甲藻占优转变为颗石藻占优;14～4 ka对马暖流流量的加大提高了日本海的初级生产力,同时高营养盐利于硅藻、甲藻的生长,使颗石藻的相对比例减小;4 ka以后随冬季风的增强和黑潮减弱,对马暖流减弱,供应的营养盐减少,日本海生产力水平降低,使颗石藻的相对比例增大,硅藻、甲藻的相对比例减小。     

近30年日本海热容海平面年际变化及其对ENSO的响应

使用EOF分析与相关分析等高级统计方法,对近30年来日本海热容海平面的年际变化进行了研究,期间(1976年1月—2005年12月)日本海热容海平面异常TSLA与SOI存在较强的负相关,整个日本海的区域平均热容海平面异常TSLA与SOI的相关系数为-0.54,SOI超前热容海平面异常3至5个月。日本海热容海平面异常EOF第一模态的空间分布显示,日本海热容海平面在东南部海域的变化幅度明显强于西北部海域;相关分析表明,东南日本海的区域平均热容海平面异常TSLA响应SOI较快,与SOI的相关性更强,其相关系数达-0.57,SOI超前热容海平面异常1个月左右。计算还表明,日本海的热通量异常HFA比日本海热容海平面异常TSLA超前2至3个月,二者存在正相关,相关系数达0.54。这说明,日本海的热通量带来(或者带走)的热量对日本海的热容海平面上升(或者下降)做出了显著的贡献。进一步的研究表明,SOI与日本海热通量异常HFA之间存在相对较弱的负相关,相关系数为-0.43,SOI超前HFA1个月左右。这表明,日本海的热通量异常HFA受到ENSO循环的调制。由此可知,日本海热容海平面对ENSO有较好的响应:当厄尔尼诺事件发生时,SOI是负值,由于SOI与HFA负相关,因此,HFA为正值;与此同时,HFA与TSLA正相关,TSLA为正值。综上所述,近30年全球的ENSO循环对日本海热容海平面异常TSLA有反位相的调制。     

东中国海环流及其季节变化的数值模拟

关于东中国海环流的研究，国内外学者已做了大量的工作。早期科学家们主要依赖于对温盐资料和少数测流资料的分析研究对渤、黄、东海的环流结构有了较系统和深入的认识。东中国海环流是由一个气旋式的“流涡”组成，东侧主要是北上的黑潮-对马暖流-黄海暖流及其延伸部分；西侧为南下的沿岸流系。黑潮对东中国海环流的影响是如此之大，以致于除了某些局部区域外，上述海域主要流系的冬、夏季分布形式比较相似而无本质上的差异(胡敦欣等，1993)。但本文所研究海域正处于世界上最显著的季风区，冬、夏季盛行风向基本相反，过渡季节(春、秋季)风向多变，风力减弱；海洋热盐结构季节变化明显(如冬季混合强，而夏季层化明显等)，这些因素都使得东中国海环流存在着较明显的季节变化。 自20世纪80年代以来，东中国海环流的数值模拟工作逐步展开，并已成为研究环流结构及其形成机制的强有力工具。但由于数值模式本身以及计算方案的缺陷(如有些学者用固定的风场、温盐场对东中国海环流进行诊断模拟等)和观测资料的不足，数值模拟的结果难以得到验证，渤、黄、东海的环流研究中仍有大量的问题存在争议，以待澄清。例如，台湾暖流的来源、流径;对马暖流的来源;夏季黄海暖流的流径以及黄海冷水团环流等均有不同的论述。对黄、东海环流季节变化的数值模拟工作也较少，多用冬、夏典型月份的风场强迫积分至稳定态，给出冬、夏季环流，这种做法值得商榷。三维环流模式很难在1个月内达到稳定态，尤其是夏季层化明显、风力减弱的情况下，非常定风场的影响更应引起人们的重视。 本文采用比较符合实际的计算方案，用年循环风场和海面热通量场为外强迫，对渤、黄、东海的环流及其季节变化进行了模拟，并对一些争议问题进行了探讨。