北太平洋副热带潜沉率及其变化中海面风的作用

采用中国科学院大气物理研究所的高分辨率逐日风场驱动的全球海洋模式(LICOM1·0)对北太平洋海域的潜沉(Subduction)过程和副热带模态水形成区潜沉率的年际变化进行了数值模拟,并将模拟结果与同化的海洋模式资料(SODA)进行了比较。研究结果表明,该高分辨率的海洋模式对北太平洋的绝大部分海域晚冬混合层底水质点的运动方向和路径的数值模拟结果较好,模式模拟的副热带环流比SODA资料中的副热带环流流速强;模式模拟的混合层深度比SODA资料中的混合层深度深,更接近观测;模式中副热带海域的潜沉率大于SODA资料中的副热带海域的潜沉率。模式结果表明,副热带环流和副极地环流交界处是潜沉过程发生的最主要区,该区气候平均的潜沉率超过100m/a,最大为150m/a,海面风变异引起的海洋平流的年际和年代际变化,是该区潜沉率发生年际和年代际变化的主要原因;在太平洋副热带东部模态水形成区,气候平均的潜沉率超过50m/a,在该区潜沉率的年际变化中,局地风应力旋度决定的Ekman抽吸要比海洋平流效应更加重要。     

太平洋副热带东部模态水的年际变化及机制研究

根据2004—2014年的全球海洋Argo网格数据集(BOA_Argo)和ECMWF ERA-Interim再分析资料,计算了冬季太平洋副热带东部海区的水团变性率及水团形成率,对南北太平洋副热带东部新生成模态水的年际变化及其形成机制进行了研究。结果表明:北太平洋副热带东部模态水(NPESTMW)和南太平洋副热带东部模态水(SPESTMW)的新生成体积及核心密度在2004—2014年具有明显的年际变化:NPESTMW主要经历了2005—2009年和2010—2013年2次持续4～5a的体积和密度增加过程,其中体积最大值出现在2009年,最小值则出现在2005和2014年。南半球SPESTMW则经历了2007—2009年和2010—2013年共两次持续3～4a的体积和密度减小过程,其中体积的最小值出现在2009、2013年,最大值出现在2010年。合成分析发现,由冬季海面热通量异常引起的深混合层内与模态水密度相当的水团表层形成率异常,可能是导致NPESTMW和SPESTMW新生成水体积年际变化的重要因素;同时,SPESTMW新生成水的年际变化受局地风应力旋度的年际变化影响明显。     

北太平洋副热带模态水形成区混合层热动力过程诊断分析

利用NCEP海洋数据和COADS海气通量资料,通过诊断分析,揭示了海表热力强迫、垂直夹卷、埃克曼平流和地转平流效应在北太平洋副热带模态水形成过程中的贡献。研究表明,在北太平洋副热带3个模态水形成海域冬季混合层降温过程中,海表热力强迫和垂直夹卷效应是主导因素,二者的相对贡献分别约为67%和19%(西部模态水)、53%和21%(中部模态水)、65%和30%(东部模态水);并且在东部模态水形成海域,埃克曼平流和地转平流皆是暖平流效应,而在西部和中部模态水形成海域,仅有地转平流是暖平流效应。进一步的分析表明,海洋平流(地转平流、埃克曼平流)对北太平洋副热带模态水形成海域秋、冬季混合层温度的年际、年代际异常有显著影响,在西部模态水形成海域,海表热力强迫(62%)和地转平流(32%)是导致混合层温度年际、年代际变化的主要因子;在中部模态水形成海域,混合层温度的年际、年代际变化是埃克曼平流(32%)、地转平流(30%)和海表热力强迫(25%)共同作用的结果;相对而言,东部模态水形成海域混合层温度的年际、年代际异常主要受海表热力强迫(67%)控制。     

南海混合层年循环特征

通过分析Levitus1994版气候平均温盐资料，得到南海混合层的时空分布特征，剖析了混合层浓度及其内部温度的季节变化规律。资料分析表明：季风通风流场调整对南海混合层的时空分布着明显的影响。这种影响的复杂性在于它不但通过海洋表层Ekman效应来影响混合层深度，而且还通过大尺度环流造成的幅散或辐合来限制或促进混合层深度的发展。研究发现混合层深度与混合层内温度存在着如下关系：夏季最大混合层的形成是28℃等温线与混合层底达到相互贴合的过程；冬季最大混合层的形成是28℃水体完全消失并且等温度线与混合层达到相交最多、相交最为垂直的过程，这时对应着冬季南海北部温跃层的通风；大于或等于28℃的水体总是位于混合层以内。     

北太平洋副热带模态水形成区潜沉率的年际变化及其机制

根据Huang和Qiu 1995年的潜沉率计算公式,采用同化的海洋模式资料和海洋-大气界面的通量观测资料,计算了北太平洋副热带海域3个模态水形成区逐年的潜沉率,研究了潜沉率产生年际变化的机制.研究结果表明:西部、中部和东部3个模态水形成区潜沉率的年际变化主要周期分别为6,2~5和2 a;北太平洋副热带模态水的3个形成区的潜沉率都发现年代际的变化特征:在1985年以前,西部模态水形成区的潜沉率年际变化最为显著,但1985后年际变化振幅明显减小;在中部模态水形成区,1975~1992年间潜沉率随时间的变化的振幅较大,潜沉率在这段时间内的平均值也达到33.99 m/a,而在1970~1975年间和1993~1998年间潜沉率都小于20 m/a;西部副热带模态水形成区的潜沉率的年际变化与这里海面的净热通量的年际变化有很好的相关性,中部副热带模态水形成区潜沉率的年际变化则取决于局地Ekman流的年际变化,而在东部模态水形成区局地风应力旋度的变化直接影响潜沉率的大小.     

2013年南沙群岛海域温跃层的季节变化及形成机理

利用调查数据及遥感数据揭示了2013年南沙群岛海域温跃层的季节变化特征,温跃层上界深度平均值春、夏、冬季基本一致,介于45~47 m之间,秋季最大,达60 m;温跃层厚度平均值夏、秋、冬季基本一致,介于85~87 m之间,春季相对较小,为78 m。温跃层强度平均值春、夏、秋、冬季几乎一致,介于0.13~0.15℃/m之间。调查海域温跃层上界深度季节变化的形成机理为:春季西深东浅的原因是西部受净热通量较小、大风速、负的风应力旋度以及中南半岛东部外海的中尺度暖涡和反气旋环流共同作用,东部近岸海域净热通量高值、风速相对较小及风应力旋度引起的Ekman抽吸效应共同控制;夏季深度分布较均匀的原因是10°N以北风致涡动混合强但受Ekman抽吸影响,10°N以南风致涡动混合弱但风应力旋度为负值;秋季深度较其他季节平均加深15 m的原因是南沙群岛海域被暖涡占据,暖涡引起的反气旋式环流使得温跃层上界深度被海水辐聚下压;冬季正的风应力旋度产生的Ekman抽吸和冷涡引起的气旋式环流共同作用,使得温跃层上界深度较秋季平均抬升15 m。     

ENSO相联系的热带太平洋上层海洋异常环流

本文使用SODA(simple ocean data assimilation)海洋同化资料,系统分析了厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)循环中冷暖位相期间热带太平洋上层海洋环流的演变规律,探讨了形成海洋环流异常的新机制。结果表明,在厄尔尼诺成熟期,热带中东太平洋赤道潜流最弱,赤道两侧出现反气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域出现气旋性环流异常,该区南、北赤道流、棉兰老流、黑潮、新几内亚沿岸潜流及南赤道逆流增强;北赤道逆流区出现异常气旋性环流串,北赤道逆流接近正常。在厄尔尼诺衰退期和拉尼娜发展期,热带中西太平洋赤道潜流达到极强,赤道两侧出现气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域异常环流减弱,该处主要流场的强度减弱或处于正常状态;北赤道逆流区反转为异常西向流。结果表明, ENSO循环期间的上层海洋环流异常受到热带太平洋温跃层深度异常产生的压强梯度力异常调控,在赤道外热带海洋温跃层深度异常和科里奥利力共同作用产生大尺度海洋环流异常,而在赤道海域,海洋温跃层深度异常和Gill效应造成赤道潜流异常以及关于赤道对称的气旋或反气旋性环流异常。     

155°E断面北太平洋副热带海域夏季主要水文特征

根据日本气象厅RyofuMaru调查船干1972～1977和1989～1990年间夏季在155°E断面观测的水文资料,分析了该断面上北太平洋副热带海域(18°～30°N)的主要水文要素-温度、盐度、密度、溶解氧含量和地转流等的分布特征及其与ENSO现象之间的关系.研究结果表明,上述诸要素的分布趋势是一致的,且与地转流场相对应.动力计算给出,在北大平洋副热带海域每年夏季均出现2或3支强、次强流或二者兼有的东、西向流动,并呈带状相间分布.东向流被称作副热带逆流.根据东、西向流带的数目推论,在该海域各年夏季可能存在2个反气旋涡旋,即呈现2个顺时针次级环流系统.     

北太平洋副热带海洋环流气候变化研究

北太平洋副热带环流的变化在全球气候变化和热量的经向输送中占重要地位。本文对近10年有关北太平洋副热带海洋环流气候变化的研究进行了综述。主要研究成果有：用卫星高度计首次观测到全球海洋Rossby波的传播特征；确定了气候意义下北太平洋副热带逆流为2支．揭示了其中一支与北太平洋模态水的存在有关，另一支是夏威夷群岛附近海洋．大气-陆地相互作用的结果；首次发现了台湾以东黑潮流量有显著的准100天振荡等。本文还提出了在北太平洋副热带环流研究中目前存在的新科学问题。     

夏季长江冲淡水转向机制的数值试验

利用普林斯顿海洋环流模式(POM)，通过一系列的理想试验，探讨了夏季长江冲淡水的扩展机制。结果表明：(1)倾斜底形是夏季长江冲淡水向东北偏转的一个必要条件；夏季冲淡水向东北偏转是南风、斜压效应和底形的共同作用的结果，其中风应力和底形的相互作用占主导地位；单纯的底形东倾不能使冲淡水向北偏转。平底时，南风和淡水浮力强迫都不能使冲淡水向北偏转。(2)无风时，人海淡水可以在河口附近强迫出一个反气旋涡旋和贴岸南下的狭窄的沿岸流，反气旋涡旋与淡水浮力强迫(斜压效应)有关，南下沿岸流则与质量输入有关；平底时，反气旋涡旋位于河口正东，倾斜底形时，反气旋涡旋向北拉伸，冲淡水的一部分沿岸向北扩展；人海淡水在河口附近强迫出一个闭合的垂直环流圈：上层为离岸流，淡水向外海扩展，约在离岸30—45km处有下降流；低层有高盐水沿海底流向河口，约在离河口。lOkm处与向海的径流相遇，引起上升流。     

太平洋低纬度西边界流和涡旋结构季节变化的观测分析

利用漂流浮标、ADCP和Argo等观测资料,对太平洋低纬度西边界流和涡旋结构的季节变化进行了分析.根据漂流浮标资料计算的北赤道流、棉兰老海流和北赤道逆流具有明显的季节变化,而且北赤道流/棉兰老海流和北赤道逆流在冬春、夏秋之间具有明显的反位相变化,这一特征造成了气旋式棉兰老冷涡强度的季节变化很弱,水团分析表明,该冷涡的水团特性主要是北太平洋热带水.反气旋式的哈马黑拉暖涡强度具有明显的季节变化,其水团特性主要是南太平洋热带水.给出了棉兰老涡和哈马黑拉涡强度的垂直结构,表明这两个涡旋的强度在0～30 m迅速减弱,在30～450 m近似线性减弱,在450 m以下涡旋消失.     

南印度洋中尺度涡统计特征及三维合成结构研究

南印度洋是海洋中尺度涡的多发区域。本文利用卫星高度计资料及Argo浮标资料,对南印度洋（10°~35°S, 50°~120°E）区域中尺度涡的分布、表观特征等进行了统计分析,采用合成方法,构建了该区域中尺度涡的三维温盐结构。结果表明,涡旋频率呈明显的纬向带状分布,在18°~30°S存在一个明显的涡旋频率带状高值区;涡旋半径具有由南至北逐渐增大的趋势;长周期涡旋在其生命周期内,半径、涡动能、涡能量密度、涡度等性质均经历了先增大而后减小的过程;涡旋以西向运动为主,在经向上移动距离较小,长周期气旋（反气旋）涡具有明显的偏向极地（赤道）移动的倾向;涡旋平均移动速度为5.9 cm/s,速度大小大致沿纬向呈带状分布。在混合层以下,气旋涡（反气旋涡）内部分别呈现明显的温度负（正）异常,且分别存在两个位温负（正）异常的冷（暖）核结构;气旋涡（反气旋涡）整体上呈现"正-负"（"负-正"）上下层相反的盐度异常结构。中尺度涡对温盐的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

南海中部海域夏季水团温盐分布特征

南海中部海域夏季水团的实测温盐深数据统计分析结果表明,研究区受南海暖池的影响,海域表层强度在28～31．5℃左右,呈北高南低、西高东低的特征;表层盐度在32～34．1psu左右,整体上呈南高北低、东高西低的分布特征。低盐区域主要分布在研究区西北部,与高温区域呈现重合的特点。综合研究表明,研究区受夏季风和海面净热通量的影响,海水层化作用较强,整体上混合层的厚度不大,温跃层比较发育,导致跃层的厚度比较大,最高可达170m,强度也较高,大部分区域温度梯度在0．09～0．12℃／m之间;盐跃层的上界深度和厚度整体上都低于温跃层。结合表层温度和盐度的分布特征推测研究区东部和南部表层海水存在着较厚的低温高盐水层。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅱ.年代际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟,分析了北太平洋海温和环流场的年代际变化特征,同时诊断了1976-77年代际跃变过程中海温场变化的机制.模式模拟出了北太平洋海温年代际异常的主要模态以及1976-77年跃变前后的演变特征,模拟的北太平洋中部、加州沿岸和KOE区的海温异常的强度和演变趋势均和观测比较一致;同时,模式重现了分别始于20世纪70和80年代的中纬度海温异常信号沿等密度面向低纬地区的两次潜沉过程.在表层,流场的异常主要表现为与风应力异常基本符合Ekman关系的一个异常海洋涡旋,而整个上层海洋平均的流场异常则表现为两个海洋涡旋的异常,其中副热带海洋涡旋的异常的强度要显著于副极地海洋涡旋的异常,而副极地海洋涡旋异常出现的时间比副热带海洋涡旋晚3a左右的时间.对1976-77年前后3个区域上层海温各贡献项的诊断结果表明,北太平洋中部变冷主要是水平平流和热通量异常贡献的结果;而加州沿岸变暖主要归因于热通量的贡献;在KOE区,垂直平流、热通量和水平平流三者都起了重要作用,其中水平平流异常对这一区域海温年代际跃变出现的时间起了至关重要的作用.     

北太平洋副热带西部模态水年代际变化特征及其机制分析

采用来自大洋环流模式ECCO2 (the estimating the circulation and climate of the ocean, phase II project)的再分析数据对1992—2019年北太平洋副热带西部模态水(subtropical mode water, STMW)的年代际变化特征及机制进行了分析。结果表明:STMW形成体积具有显著的年代际变化,于1992—1997年、2000—2005年和2011—2017年期间为正异常,而于1998—1999年和2006—2010年期间为负异常,由晚冬生成区混合层体积的年代际变化引起。STMW形成厚度和面积均呈现类似的年代际变化。合成分析表明, STMW形成体积正异常期间,黑潮延伸体上游南侧STMW生成区,海表涡动能相对负异常期间减小,同时预先层结相对负异常期间减弱,并伴随着海表高度异常。通过混合层收支分析发现,混合层形成体积年代际变化与海洋预先层结调控的混合层底卷吸作用变化同步且大小相当,而与海气形成率变化无关。增强(减弱)的海洋预先层结通过调控STMW形成区冬季混合层底卷吸过程,阻碍(促进)冬季混合层加深,最终使得STMW形成体积减少(增加)。进一步分析表明, STMW形成体积年代际变化受与太平洋年代际涛动相关的风应力旋度异常的远场调控。     

使用水块混合层模式模拟上层海洋的季节变化

使用块体混合层模式对一个固定海洋观测站所测的上层海洋之物理特性进行了模拟，结果发现了难以重复观测到的许多物理特征。文章提出了水块混合层模式，着重模拟了扩展湾流体系（ＥＧＳＳ）中的一个水块，在它被海流从佛罗里达海峡（２４°Ｎ，８０°Ｗ）带到挪威海（６８°Ｎ，１０°Ｅ）的过程中，其物理特性（其中包括温度、盐度、混合层深度和夹卷速度）随时间的变化。模拟结果较好地再现了所观测的物理特性的演化。     

基于Argo浮标资料的西北太平洋模态水的空间结构及年际变化

基于国际Argo资料中心提供的从2004年1月至2007年10月的浮标剖面资料,对西北太平洋模态水的时空变化特征进行分析.结合WOA01(the World Ocean Atlas 2001)资料,选定模态水主要形成区(30°～35°N,140°～155°E)作为研究区域,利用3月份的平均资料,给出西北太平洋模态水的空间结构为:北边界位于34.5°N附近,南边界可达30°N以南,东边界位于151.5°E,西边界可达140°E以西,深度为350 m以浅.通过对模态水核心区的逐月资料分析,揭示了其温度、盐度等的季节变化,并提出一种判别模态水范围的盐度判别法.结合海平面高度异常变化,初步分析了涡旋对模态水的影响,发现涡旋只能暂时改变核心区模态水的温盐结构,之后该区域模态水将基本恢复到正常状态.根据模态水2004-2007年的水文数据特点,发现在过去4 a中模态水性质基本稳定,变化很小.     

北黄海冷水团季节变化特征分析

利用2006—2007年春、夏、秋、冬4个航次的CTD数据,对北黄海冷水团的季节变化及其消长过程进行了分析.结果显示:春季,冷水团特征开始出现,6℃冷水占据了调查区域的1/3,冷水团中心的盐度值大于32 psu.成山头以东的高盐水舌主轴从冬季的124°E西移至123.3°E处;夏季,北黄海冷水团特征最为明显,核心温度约6℃,盐度高于32 psu,盘踞在50 m等深线以深的深槽中,温、盐呈现明显的双峰结构.与前人的结果相比,本文低温中心的位置偏东;秋季,北黄海冷水团强度减弱,但仍存在2个低温中心,并且高盐中心位于38.5°N,122.5°E附近;在垂直方向上,冷水团与上层水之间以温跃层为分界:温跃层春季时形成,位于20～30m;夏季达到最强,跃层在10～20m;秋季减弱,跃层深度降至30～40m;至冬季温跃层完全消失.     

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。     

热带大西洋大眼金枪鱼和黄鳍金枪鱼渔场温跃层的时空变化特征

采用2007 ～2011年Argo浮标剖面温度资料研究了大西洋黄鳍金枪鱼(Thunnus albacares)和大眼金枪鱼(Thunnus obesus)延绳钓主要作业渔场温跃层的时空变化特征.研究结果表明热带大西洋黄鳍金枪鱼、大眼金枪鱼延绳钓主要作业渔场温跃层的上界深度和温度存在着明显的季节性变化.温跃层上界深度呈现出冬深夏浅的季节性变化特征,大致呈纬向带状分布,12月至翌年4月份,15°N以北海域温跃层上界深度超过80 rn,同期10°S以南海域的多低于50 m;6～10月份的则相反.在赤道纬向区域温跃层上界温度在27℃以上,往南北两侧30°区域温度值依次递减至20℃及以下.温跃层下界深度和温度没有明显的季节性变化.温跃层下界深度高值区域的空间分布呈现“W”形状,深度值在220 m以上.在25°S以南,从南美洲到非洲西沿岸海域并延伸到安哥拉外海,以及10°N非洲西海岸外海,在1a中的大部分月份里,温跃层下界深度浅于150 m.在15°N以北和15°S以南区域下界温度大于15℃,在这之间的纬向区域下界温度低于14℃.全年在大西洋西部的5 °～ 15°N和5 °～15°S区域的温跃层厚度最大,在80～150 m之间,冬季和夏季呈现相反的分布特征;温跃层强度高值在5°S～ 15°N纬向区域,尤其是大西洋东部,介于0.15 ～ 0.25℃/m之间.根据文中揭示的大西洋金枪鱼延绳钓主要作业渔场区温跃层的时空变化特征,作者建议晚上大眼金枪鱼和黄鳍金枪鱼投钩深度应该在温跃层上界深度分布的附近水域;白天捕捞黄鳍金枪鱼投钩深度应该在温跃层下界深度分布的水域附近,大眼金枪鱼投钩深度要比黄鳍金枪鱼的更深.