风生近惯性波的传播和耗散综述

近惯性波广泛存在于全球海洋,对海洋中的能量级联非常重要。风输入海洋的近惯性能量在海洋中是如何传播和耗散的,能量在海洋中如何划分,一直是受到高度关注的话题。本文简要综述了风生近惯性波在海洋中的传播和耗散过程,包括影响近惯性波传播的因素,比如β效应、中尺度涡度、台风尾流和近惯性波自身的波数特征等;近惯性波在风暴等强天气过程下的传播方式;近惯性波在混合层中衰减时间尺度的模拟;近惯性能量在海洋中的分配以及现有研究中还未解决的问题。本文拟为今后的近惯性波研究提供一些思路,进一步促进近惯性波机制和模拟等方面研究的深入开展。     

基于潜标观测的黑潮-亲潮混合区近惯性能量季节变化特征研究

近惯性内波广泛存在于全球海洋,是维持深层海洋跨等密度面湍流混合及海洋层结的重要能量来源。基于黑潮-亲潮混合区的多年深海潜标数据,分析了:(1)该海域近惯性内波及其能量的季节变化特征与影响因素,(2)上层和深层近惯性运动的频率、波数谱及垂向分布等特征。结果表明,该海域存在丰富的近惯性动能,无论海洋上层还是深层均呈现显著的冬季强、夏季弱的季节变化特征,冬季(12～2月)上层的近惯性能量可占全年能量的41%,深层近惯性信号同样显著,同潮汐信号相当。平板模型分析表明,该区域近惯性动能的季节循环特征主要受风场的季节变化所主导,同时受到黑潮延伸体流轴的摆动调制。     

热带气旋过程中的近惯性振荡解及频散关系

基于简单的Slab模式,建立了热带气旋过程中上层海洋近惯性流与风应力之间的定量关系。在此基础上推导出了近惯性振荡在海面能量输入通量及在温跃层内能量耗散表达式,揭示了近惯性流在大尺度准地转流场作用下的频散关系。研究表明:上混合层近惯性流的产生是局地风应力直接作用的结果。海洋因其层化效应存在相应的斜压正交模,当风应力频率与海洋内部固有的斜压模态相近时,二者共振产生近惯性振荡。而当海面输入近惯性能量大于其在上混合层能量损耗的水深平均值时,近惯性振荡处于增长阶段,反之则处于衰减阶段。大尺度准地转流的作用是对近惯性振荡流产生频移效应,而对近惯性流的能量耗散没有贡献。     

基于观测资料的海浪与混合层深度相关性分析

从观测数据角度出发,考察海浪与上层海洋混合层深度的变化关系。采用卫星高度计和三套温度观测数据,利用改进的混合层深度提取方法,获得海洋混合层深度。简要分析了多年月平均的有效波高和混合层深度的空间分布特征及时间变化规律,并进一步分析了它们的相关性。二者直接相关性分析的结果表明,在南北半球的中纬度地区二者的相关系数较大,而赤道地区较小。滤除年周期的气候态月平均场后,计算的距平相关系数在赤道区域较小;但在太平洋东部、南部和南印度洋存在一个大值区。此外,进一步研究了有效波高和混合层深度年际距平的相关系数,其空间分布特征与二者的距平相关系数的分布特征类似。为探究混合层深度的影响因素,同时也分析了风场与混合层深度的相关系数。综合上述结果,海浪和上层海洋的混合层深度之间存在着一定的相关性,海浪过程是风输入能量向次表层海洋传播的一个重要途径。     

南海上层海洋环流两层半模式的数值模拟Ⅰ.闭边界海盆季节性环流

本文应用一个包含动力学和热力学的热带海洋两层半模式,模拟南海上层海洋闭边界条件下的季节性环流.模式海洋由不同密度的上混合层、季节性温跃层和静止的深水层组成.模式考虑挟卷(卷入entrainment和卷出detrainment)引起海洋上下活动层间的质量、动量与热量的交换,在海面月平均气候风场动力强迫和通过海面热通量的热力影响下,计算了封闭海盆假定下的南海上层海洋的季节环流.用数值试验的方法讨论了非线性效应、摩擦阻尼、侧向混合对大尺度环流的影响,并得出有关模式稳定性的结论.模拟结果与南海海洋实测和动力诊断的环流趋势吻合较好,显示了模式对南海海盆尺度的环流系统有较好的模拟能力.     

台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风"康森(Conson)"进行数值模拟,并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明,模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致,台风"康森"在近海面的风场不对称结构非常明显,台风中心两侧的速度大小相差可达10m·s~(–1)。台风"康森"在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡,且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布,表明台风"康森"在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量,发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小,平均近惯性动能不超过35J·m~(–3)。随着气旋强度的增大,热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长,而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致,当最大风速半径(R0)增大一半(1.5R0)时,其产生的最大平均近惯性动能从81J·m~(–3)增大到631J·m~(–3),影响面积从大约600km~2增加到大于900km~2。     

海浪破碎对海洋上混合层中湍能量收支的影响

海浪破碎产生一向下输入的湍动能通量,在近海表处形成一湍流生成明显增加的次层,加强了海洋上混合层中的湍流垂向混合。为了研究海浪破碎对混合层中湍能量收支的影响,文中分析了海浪破碎对海洋上混合层中湍流生成的影响机制,采用垂向一维湍封闭混合模式,通过改变湍动能方程的上边界条件,引入了海浪破碎产生的湍动能通量,并分别对不同风速下海浪破碎的影响进行了数值研究,分析了混合层中湍能量收支的变化。当考虑海浪破碎影响时,近海表次层中的垂直扩散项和耗散项都有显著的增加,该次层中被耗散的湍动能占整个混合层中耗散的总的湍能量的92.0%,比无海浪破碎影响的结果增加了近1倍;由于平均流场切变减小,混合层中的湍流剪切生成减小了3.5%,形成一种存在于湍动能的耗散和垂直扩散之间的局部平衡关系。在该次层以下,局部平衡关系与壁层定律的结论一致,即湍动能的剪切生成与耗散相平衡。研究结果表明,海浪破碎在海表产生的湍动能通量影响了海洋上混合层中的各项湍能量收支间的局部平衡关系。     

南海西北部上层海洋对台风“杜苏芮”的响应分析

基于锚碇观测资料,本文分析了南海西北部陆坡区上层海洋对台风“杜苏芮”的动力学和热力学响应特征。在动力学响应方面,台风“杜苏芮”期间上层流速显著增强,混合层纬向流速可达1.20 m/s;“杜苏芮”经过后上层海水运动以近惯性振荡为主(流向顺时针旋转周期在36～40 h之间)。近惯性能量在垂向分布上存在两个高值中心,分别位于混合层和温跃层深度上。近惯性能量耗散过程的e折时间尺度约为3.7 d,我们认为能量的向下传播在局地近惯性能量衰减过程中起主要作用。对能量谱的分析表明,“杜苏芮”作用期间近惯性频率能量相对于其作用前增大了约29.4倍,而全日和半日频率(K₁和M₂)能量有所减弱。此外,能量谱显示近惯性频率存在明显的“蓝移”现象,即对于纬向和经向流速分量在400 m以浅平均的近惯性振荡频率分别为1.167 f₀和1.170 f₀(f₀为局地惯性频率)。蓝移与近惯性内波的向下传播及正的相对涡度的输入有关。在热力学响应方面,上层海洋在台风的搅拌作用下,40～250 m深度均出现较小增温,最大增温幅度接近1°C;此外70 m以浅盐度的降低可能与台风过境时的降水相关,而Ekman抽吸引起的上升流则可能对70～100 m深度盐度的升高具有重要作用。     

台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风“康森(Conson)”进行数值模拟, 并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明, 模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致, 台风“康森”在近海面的风场不对称结构非常明显, 台风中心两侧的速度大小相差可达10m·s^-1。台风“康森”在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡, 且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布, 表明台风“康森”在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量, 发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小, 平均近惯性动能不超过35J·m^-3。随着气旋强度的增大, 热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长, 而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致, 当最大风速半径(R₀)增大一半(1.5R₀)时, 其产生的最大平均近惯性动能从81J·m^-3增大到631J·m^-3, 影响面积从大约600km²增加到大于900km²。     

风生近惯性能通量和地形粗糙度对海洋内部混合的影响

使用细尺度参数化方法和2015-2019年全球的Argo温盐剖面资料,分析了风生近惯性能通量和地形粗糙度对全球海洋300-600 rn深度的涡流扩散系数的影响.结果 表明,在30°---45°N区域,月均涡流扩散系数与月平均风生近惯性能通量随时间的变化趋势较为一致,相关系数可达0.43,前者滞后1个月,与后者的相关系数...     

基于2007—2018年Argo数据分析全球混合层和障碍层时空特征

为了进一步认识上层海洋中混合层和障碍层的时空变化特征。本文基于Argo (Array for real-time geostrophic oceanography)海洋观测网2007—2018年的温盐数据,使用差值法计算了全球海洋混合层深度(Mixed layer depth, MLD)和障碍层厚度(Barrier layer thickness, BLT),讨论了二者的月均值、季节均值和年均值的空间分布特征和形成机制。研究表明,全球海洋的混合层普遍在夏季浅、在冬季深,随季节变化的特征显著。北半球混合层变化幅度较大,大西洋混合层比同纬度的太平洋深;赤道海区混合层较浅;南半球混合层呈纬向带状分布,60°S附近大洋海域存在显著的深混合层带,南极大陆与该深混合层带之间的海域混合层常年较浅。全球障碍层呈"哑铃状"分布,两半球的高纬度海区是障碍层高发区,障碍层不仅厚且持续时间长,以半年为周期变化,南大洋60°S附近海域显著的厚障碍层带随季节变化;南半球中低纬度海区长期存在障碍层,障碍层冬厚夏薄,且厚度大部分不超过40 m。     

飓风Isidore与海洋相互作用数值模拟研究

本文利用MM5大气模型和HYCOM海洋环流模型,模拟研究了2002年飓风Isidore过境墨西哥湾后上层海洋的响应以及墨西哥湾常态水(Gulf common water,GCW)和湾流(Loop Current,LC)对飓风Isidore的不同响应。飓风Isidore穿过GCW区后,导致海表最大降温接近5℃,混合层深度由30m加深到70m,上层海洋损失热量较多,上层海洋的结构恢复时间较长;但在LC区,由于亚热带持续不断的高温、高速水体输运,该区域水体具有较深的混合层和较大的能量,虽然在飓风过程中损失了较多的热量,但仅造成2℃的海表面降温,上层海洋的结构恢复时间较短;此外,飓风过境后,在上层海洋激发近惯性震荡,在LC区可导致1.0m/s近惯性震荡流,能量可传播至1500m以深,但在GCW区,由于较浅的上混合层、较弱的流速和较强的层化结构,近惯性震荡运动影响深度较浅。     

基于观测的南海西沙海域深层近惯性振荡特征分析

近惯性内波运动普遍存在于全球大洋中,影响大洋中的质量、动量和能量输送,是大气强迫与海洋混合之间的重要纽带。由于目前海洋深层观测资料的缺乏,对于深层近惯性内波生消演变特征研究甚少。利用2009-2012年的潜标观测资料,采用带通滤波和谱分析方法研究了南海西沙海域深层近惯性内波生成、传播和消亡等演变特征。通过研究发现,南海西沙海域深层存在较强的近惯性振荡,其生成源为台风过境能量输入,绝大部分时段内,近惯性振荡能量在海洋浅层耗散,不向海洋深层传播;仅在少部分时段内,近惯性振荡能量的80%～85%耗散在500 m以浅区域,有大概15%～20%继续向海洋深层传播。     

暖池季节变化的数值模拟及其对海表热力和动力强迫的敏感性

对比3套不同来源的海表热通量和风应力资料在热带太平洋和印度洋区域的差异,然后把这些海表强迫场作为一个全球海洋环流模式(LICOM)的上边界条件,进行动力和热力强迫的敏感性试验.通过对比分析试验结果,评估了LICOM对印度洋和西太平洋暖池季节变化的模拟能力,探讨了印度洋和西太平洋暖池对动力和热力强迫的敏感性.首先,模式结果表明LICOM能较真实地模拟出印度洋和西太平洋暖池面积和强度的季节变化特征以及两海区暖池季节变化的差异,而且上层海洋垂向分层的加密能有效改善混合层深度季节变化的模拟.其次,模式中暖池的季节变化基本由海表净热通量和混合层深度的季节变化共同决定,但是试验结果中难以反映垂向挟卷和湍流混合对暖池区混合层深度的影响,可能原因是气候态月平均强迫场时间分辨率较粗,不能真实反映一些重要的天气尺度过程对混合层动力过程的影响,故有必要增加强迫场时间分辨率做进一步研究.最后,不同强迫场的敏感性试验对比分析结果表明,印度洋暖池对海表动力和热力强迫场的差异均较为敏感,而西太平洋暖池则只对海表热量强迫场的差异较为敏感,对动力强迫场的差异不敏感.     

基于CCMP卫星遥感海面风场数据的渤海风浪模拟研究

CCMP（Cross Calibrated Multi-Platform）风场数据是一种具有较高的时间、空间分辨率和全球海洋覆盖能力的新型卫星遥感资源。在充分分析CCMP海面风场数据可靠性的基础上,以该卫星遥感海面风场数据为强迫输入项,运用第三代浅水波浪模式SWAN对渤海一次风浪过程进行了模拟,将模拟的结果与T/P、Jason卫星高度计观测得到的有效浪高数据进行比较分析,发现两者相关性达到0.78,模拟结果平均偏高0.3 m。试验表明CCMP卫星遥感风场数据能满足海洋浪高预报需求,能在海洋数值预报和海洋环境研究中发挥重要作用。     

基于水下滑翔机观测数据的西北太平洋混合层特征研究

基于水下滑翔机在2019年8至10月观测到的温盐资料,本研究分析了西北太平洋混合层总体的变化情况,并探讨了混合层异常变化的原因。结果表明,混合层温度总体上呈现随季节转换逐渐降低的趋势,混合层深度总体上呈现随季节转换逐渐增大的趋势。进一步的相关性分析得出,该海域混合层温度、混合层深度的变化特征主要是由外部大气强迫场(海面风场和净热通量)所决定的。水下滑翔机还观测到了混合层温度异常降低、混合层深度异常变浅的现象。通过计算混合层热收支发现,垂向夹卷作用是海洋混合层内温度降低和混合层深度变浅的主要原因。通过进一步计算研究海域冷涡的上升速度与海水垂向夹卷速度的变化情况,并结合卫星遥感资料,得出海洋的中尺度涡旋活动主导了混合层异常现象的发生。     

海洋混合层深度时空分布及其与风、浪参数的相关性分析

本文应用一个经验证的全球尺度FVCOM海浪模型,模拟了2012年全球海洋海浪场的分布和演变,分析了海表面风场、海浪场与混合层深度的全球尺度分布及相关性。综合观测资料和模型结果显示,海表面10 m风速、有效波高与混合层深度的全球尺度分布随季节发生显著的变化,并且其分布态势存在明显的相似性。从相关系数的全球分布来看,海表面10 m风速在印度洋低纬度海区（纬度0°~20°）与混合层深度间有较强的相关性,相关系数大于0.5;有效波高与混合层深度间相关系数大于0.5的网格分布在北半球高纬度海区和印度洋北部。谱峰周期与混合层深度间在部分海区存在负相关关系,这些网格主要分布在低纬度海区（纬度0°~30°）。统计结果显示,有效波高、海表面10 m风速和谱峰周期与混合层深度间的平均相关系数分别为0.31、0.25和0.12。综合以上结果表明,有效波高较谱峰周期能更有效地表征波浪能对海洋上层混合的影响;相比于海表面风速,有效波高与混合层深度间存在更强的相关关系,其变化对海洋上层混合有更显著的影响。     

利用全球温盐观测剖面计划资料估算太平洋上层跨等密度面混合

基于全球多年来积累的大量温盐观测剖面计划资料,利用精细尺度参数化方案估算了太平洋上层600米区域内的跨等密度面混合系数。结果表明,在不同季节跨等密度面混合系数的整体分布类似,但是细节上存在很大的不同。跨等密度面混合系数的加强与底部摩擦、海表面近惯性能量输入、赤道效应等因素密切相关。由于粗糙的地形,混合在东北太平洋门多西诺断裂带附近存在明显加强。同时,在南大洋西风带区域,由于大风引起的近惯性能量输入也导致了混合的强化。 与前人的研究结果相比,本文的估算具有更好的空间覆盖率以及更高的分辨率,更重要的是我们的结果体现了季节性变化。由于我们给出的是网格化产品,非常适合在数值模式中的应用。     

黄海海洋对台风“灿鸿”外围过程响应的观测研究

2015年9月台风"灿鸿"经过黄海海域的QF111浮标,该浮标观测到黄海海洋的温度和流速响应。受台风影响,黄海海表温度有明显的下降,降温幅度在2～4°C,且在台风路径右侧形成了海表面温度低于20°C的低温斑块。流速的响应主要表现为台风过境期间流速增强,达1.2～1.5 m/s,呈现出全水深强化的特征。风一直对海洋有能量输入,且在台风过境期间风输入海洋的能量最大,旋转功率谱的分析结果表明台风输入海洋的能量向海洋内部传播。黄海海域由台风激发出的近惯性振荡衰减较快,近惯性振荡e折时间尺度约为2 d。     

西北太平洋海洋温度锋生与锋消机制的初步研究

海洋锋面区域对气候变化以及海气耦合作用的影响非常显著,通过分析其形成机制,可以帮助进一步了解海洋与大气的相互作用过程以及其物理过程。利用Argo数据、NCEP/NCAR再分析数据和遥感风场数据对西北太平洋的混合层温度与温度锋面的变化机制进行了研究。基于海洋混合层的热量收支模型,发现在北太平洋区域的海洋混合层温度主要受到净热通量控制,同时还存在一个季节变化明显的温度锋面。9~2月为温度锋面加强时期,3~4月温度锋面变化不明显,而5~8月温度锋面则迅速减弱。根据研究,该温度锋面的加强与减弱主要是由于净热通量的南北差异造成的,而在净热通量中则以短波辐射通量与潜热通量为主要影响因子。