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。     

黄海、东海夏季环流的数值模拟

基于ECOM -si,建立了一个垂向取σ坐标、水平取球面坐标的三维高分辨率湍流闭合的黄海、东海海洋环流数值模式 .考虑实际岸线和水深、边界通量、密度梯度力和风应力 ,应用该模式较成功地模拟出了夏季黄海、东海环流 (黑潮、台湾暖流、对马暖流、黄海冷水团环流和沿岸流 ) ,摸拟结果与以往实际观测和研究结果较为一致 ,表明所建立的模式能较成功地应用于该海区环流的研究     

东中国海秋季三维环流诊断计算分析

基于2000年秋季东中国海水文观测资料,应用三维有限元模式FEOM(Finite Element Ocean circulation Model),在温盐保持不变的情况下进行诊断计算100 d,模拟结果再现了环流的主要特征:由于海表面风的影响,秋季东中国海表层的环流以西南向流为主,在10m深以下由于风的影响减弱环流特征比较清晰完整。黄海北部出现一个气旋式涡旋,10m层流速大小为5 cm/s左右;浙闽沿岸流从表层到50～60m深都是存在的,流速基本不变;台湾暖流在10m层流速较大,且向陆架方向入侵明显,但是越向下越不明显,流速也有所减小。诊断计算60d后的后报计算结果显示,松弛尺度为5d可以更好地消除资料的不匹配。因此最终在诊断计算60d后开展了松弛时间为5d的40d的强诊断计算,强诊断模拟结果显示:强诊断计算能更好的模拟东中国海环流结构,相较于诊断计算,表层流速有所减弱,10 m层流速有所加强,各层流向强诊断计算和诊断计算基本一致。     

夏季东中国海环流三维数值实验

东中国海由渤、黄、东海三部分组成，为典型的陆架边缘海。对这一海域环流的认识，过去多依赖于温盐资料分析和有限的测流数据。近年来随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟已成为研究环流的结构、起源和动力机制的重要手段。国内、外学者在这一领域进行了大量的工作，袁耀初等(1982)使用单层模型对东中国海风生-热盐环流进行诊断计算；王卫等(1987)使用一个正压模式计算了黄、东海黑潮流系和涡旋现象；袁耀初等(1987a，b，1989)采用诊断数值计算方法求解涡度方程，得出其所测海区的三维夏、冬季海流流场；袁耀初等(1990)采用一种预报模式研究东中国海的冬季环流；Chao(1991)用三维有限差分模式探讨了黑潮、季风及长江流量等因子对东中国海环流的影响；袁耀初(1993)针对东海东部的流动建立了一个三维预报模式；朱耀华等(1994)建立了一个三维正压模式研究了渤、黄、东海冬、夏季的环流情况；梁湘三等( Liang et al.，1994)用二层模式模拟了黑潮在台湾东北入侵陆架的现象；王凯于1998年在冯士筰提出的浅海Lagrange余流理论上建立了一种三维斜压陆架环流模式，对渤、黄、东海冬、夏季环流进行了诊断数值模拟；王辉(1996)基于一种三维斜压浅海Lagrange余流的弱非线性理论，模拟计算了南黄海和东海夏季三维Lagrange余流；朱建荣等(1998)建立了一个σ坐标系下三维非线性斜压陆架模式，对东中国海冬、夏季环流进行模拟计算，并数值实验了长江径流量、台湾暖流、黄海冷水团、风场等因素对长江冲淡水扩展的作用。以上这些工作对了解东中国海环流的结构、起源和动力机制都具有重要意义。但是这些工作由于当时计算机速度和容量的限制，其数值模式不够完普，有的使用了二维(单层)或诊断模式，有的网格较粗，多数未考虑实际的海岸线和海面热交换对温度场的影响等，从计算结果来看，没有一个模式能全面地模拟出发生在东中国海的环流现象。 本文作者试图采用Blumberg等(1983,1987)建立的σ坐标系下三维斜压预报模式，考虑了东海主要水道间的流量交换、长江径流、海面风应力、海面热通量等诸多因素的影响，对东中国海夏季的环流进行了数值模拟，结果较全面地模拟了东中国海的环流现象，为今后进一步开展此项工作提供科学依据。     

陆架和浅海环流的一个三维正压模式及其在渤、黄、东海的应用

本文发展了一种σ坐标下海洋环流的三维正压数值模式,模式中垂直涡动粘性系数由混合长度理论确定,因而可随流场的瞬时垂直结构而变化。计算采用了全部交错的网格结构,对计算稳定性有重要影响的垂直涡动粘性项采用了隐式差分格式。文章应用该模式模拟了渤、黄、东海冬、夏季风生环流,解释了黄海暖流的可能成因,数值计算结果表明,台湾暖流对对马暖流有重要贡献,在东中国东都海域存在南高北低的水位分布,以及地势效应对台湾-对马暖流系统有重要影响。     

东中国海陆架环流的单层模式

对于东中国海的环流概况(参看图1),总的来说东中国海的海流是由来自黑潮及其分支、(台湾暖流、黄海暖流)和中国沿岸流两个系统所组成的.关于东中国海海流的研究,国内外已有不少学者做了工作.     

东中国海拉格朗日环流数值模拟Ⅰ--自适应环流模型

海洋环流是海洋科学研究的1个焦点.本文首次建立了东中国海环流自适应数值模型.由于所设计的自适应网格既与边界适应,又在水深变化急剧的东海陆坡处得以加密,从而使坐标变换下的三维斜压模式克服了跨越陆坡计算这一难题,并以期获得更为精确的数值研究成果.该模型基于Lagrange时均观点,而非Euler观点.它可计算海域三维斜压流场,从而得到其风生-热盐-潮致Lagrange环流.模拟结果与实测及现有的数值研究结果比较,合理可信.其中黄海暖流的起源问题,计算结果与传统观点相悖,而与近期实测结果一致.本文为系列报道之首篇.     

东中国海拉格朗日环流数值模拟I——自适应环流模型

海洋环流是海洋科学研究的1个焦点。本文首次建立了东中国海环流自适应数值模型。由于所设计的自适应网格既与边界适应，又在水深变化急剧的东海陆坡处得以加密，从而使坐标变换下的三维斜压模式克服了跨越陆坡计算这一难题，并以期获得更为精确的数值研究成果。该模型基于Lagrange时均观点，而Euler观点。它可计算海域三维斜压流场，从而得到其风生-热盐-潮致Lagrange环流。模拟结果与实测及现有的数值研究结果比较，合理可信。其中黄海暖流的起源问题，计算结果与传统观点相悖，而与近期实测结果一致。本文为系列报道之首篇。     

THEDIAGNOSTICNUMERICALSIMULATIONOFTHREE－DIMENSIONALBAROCLINICCIRCULATIONINTHEYELLOWANDBOHAISEAS

给出一黄渤海三维斜压的数值诊断环流模式，并进行了环流的数值模拟。在黄渤海冬季及夏季的环流模拟研究中，考虑了影响环流的因素，如海面风应力、热盐效应、地形及边界流量交换等影响因子。由模拟结果，正确再现了黄海冷水团密度环流、黄海暖流和沿岸流等的三维特征，并对这些特征的成因进行了分析     

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。     

东海和南黄海夏季环流的斜压模式

基于拉格朗日余流及其输运过程的一种三维空间弱非线性理论，引进了黑潮边界力及长江径流，给出了东海和南黄海的夏季环流及上升流区的分布。计算结果表明：在黑潮西侧存在着台湾－对马暖流系统；进入朝鲜海峡的对马暖流来自台湾暖流、黑潮、东海混合水和西朝鲜沿岸流；黄海暖流主要来源于东海混合水，表面有部分来自对马暖流；闽浙沿岸存在上升流区且构成一带状区域；在长江口外、东海东北部和陆坡上也存在在上升流式；陆坡处上升流     

渤、黄、东海夏季环流的三维斜压模型

基于拉格朗日时均观点描述环流，建立起潮流与准定常流共同占优势系统中的陆浅海环流模型，并诊断计算了夏季渤、黄、东海的三维环流图。模拟结果较好地再现了渤、黄、东海主要流系的特征。对照冬季结果，对渤、黄、东海环流的季节变化做了阐述。从环流垂向分量的分布图上，可发现渐闽近海、长江口外存在较明显的上升流区。另外，对夏季渤、黄、东海的热盐环流和潮致余流分别进行了模拟，发现它们均能在黄海构成一逆时针向的五流系统，这对形成和维持夏季黄海冷水团的存在有重要作用。热盐环流的模拟结果表明，黄海冷水团环流含有“热成流”的成分；通过Lagrange余流的计算发现环绕黄河冷水团的环流还含有“潮成流”的成分。     

The Current System in the Yellow and East China Seas

During the 1990s, our knowledge and understanding of the current system in the Yellow and East China Seas have grown significantly due primarily to new technologies for measuring surface currents and making high-resolution three-dimensional numerical model calculations. One of the most important new findings in this decade is direct evidence of the northward current west of Kyushu provided by satellite-tracked surface drifters. In the East China Sea shelf region, these recent studies indicate that in winter the Tsushima Warm Current has a single source, the Kuroshio Branch Current in the west of Kyushu, which transports a mixture of Kuroshio Water and Changjiang River Diluted Water northward. In summer the surface Tsushima Warm Current has multiple sources, i.e., the Taiwan Warm Current, the Kuroshio Branch Current to the north of Taiwan, and the Kuroshio Branch Current west of Kyushu. The summer surface circulation pattern in the East China Sea shelf region changes year-to-year corresponding to interannual variations in Changjiang River discharge. Questions concerning the Yellow Sea Warm Current, the Chinese Coastal Current in the Yellow Sea, the current field southwest of Kyushu, and the deep circulation in the Okinawa Trough remain to be addressed in the next decade. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

预估修正法对河口海岸海洋模式稳定性的提高

河口海岸海洋模式时间差分为欧拉前差格式，在涡动粘滞系数较小的情况下，模式存在着弱不稳定性。为提高模式的稳定性，采用预估修正法对模式中科氏力项作半隐式处理。首先在理论上证明了模式稳定性的提高，随后设计一个高分辨率网格，考虑实际岸线和水深、边界通量、密度梯度力和风应力，把模式应用于冬季渤、黄、东海环流的数值模拟，数值试验也证明了模式稳定性的提高。改进后的河口海岸海洋模式较成功地模拟出了冬季渤、黄、东海环流（黑潮、台湾暖流、对马暖流、黄海暖流和沿岸流），与实际观测和研究结果较为一致。     

东海对马暖流水来源的数值模拟

本文通过二维数值模拟对1986年6月～1988年12月东海对马暖流水的来源问题进行了初步探讨,结果得出东海对马暖流水的来源基本上分为三种类型:(1)东海对马暖流水主要为东海黑潮水继续北上部分构成;(2)东海对马暖流水由东海黑潮水、东海陆架水以及东海北部黄海大陆沿岸水几部分混合而成;(3)东海对马暖流水几乎全部由东海北部的黄海大陆沿岸水构成。模拟与实测结果基本一致.     

黄海冬季环流的数值模拟

在北黄海和渤海冬季环数值研究的基础上，利用其进一步改进的数值差分格式，对整个黄海的冬季环流进行了数值模拟。数模结果表明，改进的差分格式完全保持了计算海区的总能量和总质量守恒。就环流的总趋势而论，数据模拟结果与由资料所分析的结果几乎完全相同。     

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.     

Robust diagnostic modeling of the Japan Sea circulation

The Japan Sea circulation is numerically modeled with robust diagnostic terms included. The general features are nearly the same as previous prognostic models though small differences appear in local current fields, and agree with most of existing observation results. This model, however, seems to be more successful than prognostic ones in that the overshooting of the East Korean Warm Current, a northward western boundary current, is much reduced and the North Korean Cold Current, a southward western boundary current, is more enhanced. Based on the model results, discussions are made about the large convective structure and the global kinetic energy budget of the Japan Sea circulation.     

东海北部一个夏季气旋型涡旋的初步分析

近十年来,随着海洋探测技术的发展,在世界各大洋里都发现了中尺度涡旋,这是物理海洋学上的重大进展之一。目前所发现的中尺度涡旋,不管是在大洋里,还是在极地区,一般均处于千米以上的深水区。但在陆架浅海区，海底摩擦要消耗大量的能量,是否也会出现这类涡旋,这是一个令人感兴趣的问题。 根据现有文献和我们对近几年东海水文调查资料的初步分析得知,在我国陆架区至少有两个气旋型涡旋,一个在台湾东北的彭佳屿附近海域,另一个在济州岛西南海域。对前者,管秉贤(1978)和M.Uda(1974)等均从冷水团的角度进行过研究,特别是日本学者在此海域进行了多次调査。至于后者,井上尚文(1975)曾根据1969年11月投放的“人工水母”(即底层流示踪器)的资料分析指出:“在黄海暖流和黄海沿岸流两股底层流的中间区域,有黄海冷水伸入。在秋、冬期间,南北流向呈反时针方向旋转。从而可以认为,以调查海区的中部(济州岛南面)海底为中心,有一个范围相当大的环流存在。”由此人们自然会提出这样一个问题:在春、夏两季,这一反时针方向的水平环流是否继续存在。尤其在夏季,自南北上进入黄海和东海的黑潮及其分支(对马暖流和黄海暖流)与黄海、东海沿岸流系交错汇合,盘踞在下层的冷水又极度发展,使得环流结构和水文状况较冬季复杂得多,这时的情况又将变得怎样?本文主要根据1972年7-8月常规水文观测资料,同时参照近几年的水文资料,对此问题作一初步探讨。 本文研究的重点海区的范围是30°30′-33°00′N,124°00′-127°E,如图1阴影部分所示。为了便于资料的分析,在绘制温、盐度等平面分布图时,将其范扩大到28°-34°N之间的大部分海域。 本文引用的资料主要来源于国家海洋局标准断面调查资料,东海渔业资源调査资料，日本气象厅海洋气象观测资料和南朝鲜水产振兴院海洋观测资料。     

东海冷涡对东亚季风年代际变化

利用CORA、COADS和SODA 等高分辨率的海洋和大气再分析资料及区域海洋模式(ROMS), 研究了东海冷涡对1976/1977 年前后东亚季风年代际跃变(减弱)的响应。结果表明: (1)1976/1977年前后东亚季风跃变后, 夏季东海冷涡明显增强, 主要表现为冷涡的温度显著降低, 而冬季东海冷涡有所变弱但其温度上升不明显; (2)东亚冬季风跃变后, 济州岛西南侧的黄海暖流减弱, 冷涡区出现一个反气旋式环流异常, 这有利于冬季东海冷涡的减弱; (3)东亚夏季风跃变后, 台湾暖流外海侧分支及济州岛西南侧的黄海暖流分支增强, 使得冷涡区的气旋性环流变强, 这有利于夏季东海冷涡的加强。数值试验的结果表明, 东亚冬、夏季风的跃变在东中国海引起了不同的中尺度海洋环流异常, 从而导致东海冷涡对东亚冬、夏季风的跃变产生不同的响应。