吕宋暖涡的三维观测特征及其数值模拟分析

基于2011年春季南海北部CTD观测数据,结合高度计资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System,ROMS)模式对1993-2003年的模拟结果,研究了吕宋暖涡(Luzon Warm Eddy)的空间结构和生成规律。结果表明:观测中吕宋岛西北海域存在一对冷暖涡旋,其中暖涡信号是一次典型的吕宋暖涡事件,水团中携带了部分的黑潮水;该吕宋暖涡对温盐、流场结构的影响能够达到中层以下,在垂向上呈现出西北向倾斜的特征,自表层至1000 m深度范围,倾斜距离超过70 km。受到5月来自黑潮区的高水位信号影响,吕宋暖涡生成于吕宋西北局地并逐渐发展增强,持续时间达30天以上,之后向西移动,同时其后缘常伴随生成一个冷涡。在10年的数值结果中,吕宋暖涡的生成、演变过程,及其三维结构的西北向倾斜特征均与观测较为一致,模式初步证明了吕宋暖涡的演变过程是一种季节性现象。     

基于OceanDataView的中尺度涡分析研究

以西太平洋海域 2 个中尺度涡为例,利用 AVISO 卫星高度计观测的海平面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)数据、HYCOM 模式的温度、盐度数据及水下滑翔机实测数据,分析了 Ocean Data View 软件(ODV)在实现该区域中尺度涡运动特征规律研究的实用性,探讨了中尺度涡分析处理的关键技术和方法。 结果表明：利用 ODV 软件能够快速绘制海平面高度异常值和海表面流速的平面图,进而准确判别中尺度涡类型、追踪中尺度涡在海表面的水平空间尺度及演化特征;也可绘制任意航迹温、盐深断面图用于分析中尺度涡的垂直结构和判别涡结构类型;同时 ODV 软件也提供了垂直涡结构实测数据与模式数据对比分析模式,为中尺度涡研究提供强有力的分析工具和技术支撑方法。     

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。     

二维圆柱涡激振动的数值模拟

采用动网格的动态层铺模型和滑移网格模型以及用户自定义接口编程,将计算结构响应的Newmark-β代码嵌入FLU-ENT软件,建立了2D圆柱横流向涡激振动(VIV)的计算模型。在雷诺数6×103~2×104或对应的约化速度Vr=3~10范围内,结合k-ω湍流模型,并且以静止圆柱为初始状态,首先计算了质量比m*=12.8、255.5和结构阻尼比ζ=0.0%、0.5%几种情况下圆柱的VIV。通过与经典的Feng-type图示比较发现,在小"组合参数"(m*ζ)情况下,计算结果与实验的"初始"支和最大响应吻合较好,同时观察到"初始"支与"下"支之间的"跳跃"现象。通过另外两组工况的计算发现,m*与ζ对圆柱振幅的影响不同,前者是完全非线性的,而后者几乎是线性的。     

潮流能水轮机尾流场及涡特性DDES模拟

为研究潮流能水轮机尾流场流动特性及涡结构组成,基于DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)模型对不同流速和转速的4种工况下水轮机尾流场进行数值模拟,并进一步探究其尾流场空间涡结构的变化特性。结果表明,水轮机的数值模拟结果与试验结果能够较好吻合。对比不同工况下的尾流场模拟结果可知:水轮机尾流区域流动复杂,延迟分离涡模拟方法能有效模拟水轮机旋转过程中产生的叶尖涡、叶尖脱落涡、轮毂涡等不同涡结构,并能完整观察到叶尖涡的产生、脱落、失稳、破碎过程。转速一定时,流速越大,叶尖脱落涡、轮毂涡的发展距离越远;流速一定时,转速越大,涡的发展距离越短。本文数值模拟计算结果可为实际海况中潮流能阵列水轮机的布局提供可靠依据。     

基于YOLO算法的海洋中尺度涡三维结构构建

海洋中尺度涡是一种常见的中尺度海洋现象,研究海洋中尺度涡的分布及运动特性对航运、气候、军事等具有重要作用,海洋中尺度涡的识别是海洋学和计算机科学领域的一个热门研究课题。运用深度学习的方法和框架,对中尺度涡的二维识别和三维结构构建展开研究分析。首先,获取全球海洋再分析数据并进行流线可视化,构建涡旋流线数据集;其次,利用YOLO v5s卷积神经网络对涡旋流线数据集进行训练,并对南海区域中尺度涡进行有效检测。实验结果表明,YOLO v5s训练后得到最优模型经过测试,平均检测精度均值达到了86.10%;最后,根据涡旋检测结果,对检测出的同时刻不同深度的涡旋判断是否属于同一涡旋,确定后进行该涡旋的三维结构构建。     

三个登陆浙江热带气旋数值试验及暴雨过程的湿位涡分析

首先利用非静力平衡中尺度数值模式MM5(V3)对2004年3个登陆浙江热带气旋的登陆过程进行了数值模拟试验,通过对路径、降水的对比验证表明,MM5模式对热带气旋的模拟是比较成功的。然后在模拟效果较好的基础上,利用高分辨的模拟结果,对台风暴雨过程的湿位涡进行了诊断分析,结果表明:3场台风暴雨的形成机制有显著差异,Rananim强降水是由其本身环流造成的,至于Mindulle和Haima的降水冷空气的侵入起到了重要作用。暴雨都发生在陡立密集区附近,对流层低层湿位涡负值中心与暴雨落区存在较好的对应关系,而其中心数值绝对值随时间的变化量与1h降水存在正相关关系,说明湿位涡负值中心可以作为降水时空分布的重要指标,为台风暴雨预报提供一种思路。     

涡分辨率的南海区域海洋环流模式构建技术研究

针对复杂海洋中尺度现象模拟仿真的技术难题,利用区域海洋环流模式ROMS,通过模式的网格构建、地形处理以及模式的初始场和强迫场处理技术,构建出一套涡分辨率南海区域海洋环流模式。通过模式模拟结果与卫星遥感实测资料等对比,发现该模式能够较好地模拟出南海涡旋及其引发的海温异常等海洋中小尺度过程,说明该模式可作为研究复杂海洋中尺度现象影响海军武器装备效能的环境数值仿真手段。     

南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

吕宋海峡流场季节变化的数值模拟

基于海洋模式HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model),利用大小区嵌套技术,分别对全球海洋和西北太平洋进行了网格嵌套数值模拟,研究了吕宋海峡海域环流场的季节性变化。考虑全球海洋环流影响的西北太平洋模式,成功地刻画了黑潮的流结构及季节变化。吕宋海峡海洋环流流场在不同深度处差异较大,存在着明显的季节变化。黑潮入侵南海主要发生在500m深度以上,冬季最明显,夏秋两季不明显。在500m层常年存在一支南海暖流流入西北太平洋,在800m层南海暖流消失。一年四季黑潮主要通过吕宋海峡的南部和中部进入南海。1 000m层流场表明,黑潮主要通过吕宋海峡的中部入侵南海。在800~1 000m处主要是黑潮水流入南海。     

吕宋冷涡的年际变化及影响机制分析

基于吕宋岛附近海域1985-2020年的海表温度、风应力和海面高度等卫星资料,分析吕宋冷涡(Luzon Cold Eddy,LCE)强度及中心位置的年际及长期变化趋势,探讨风场和黑潮入侵在LCE变化过程中的作用.结果 表明:35 a来,LCE整体呈现减弱趋势,其中心位置最大概率出现在(117°54′E,18°06′N)...     

Delving into three-dimensional structure of the West Luzon Eddy in a regional ocean model

The three-dimensional structure and associated dynamics of the prominent cold (cyclonic) West Luzon Eddy (WLE) were investigated by a high-resolution regional ocean model. The WLE was horizontally and vertically heterogeneous, exhibiting asymmetric structures in the circulation, vorticity, vertical motion and energy distributions within the eddy. The asymmetry was mainly attributed to the existence of an eddy dipole formed by a coexisting warm (anti-cyclonic) eddy to the south of the WLE. Analysis of the momentum balance revealed that the coexistence of two eddies intensified barotropic pressure gradients in the southern WLE to locally enhance the eastward jet. The positive (negative) vorticity of the jet strengthened (weakened) the eddy in the southern sector (periphery), which, together with the formation of a subsurface density front, intensified (suppressed) the corresponding upward motion and cooling. The baroclinic pressure gradients opposed the dominant barotropic components and spun down the eddy at greater depths with stronger weakening in the southern sector near the front. Asymmetric energy distributions showed that larger mean kinetic energy (MKE) and eddy available potential energy (EAPE) were stored in the southern sector of the WLE. While the larger MKE was directly linked with the stronger barotropic currents, the larger EAPE in the southern WLE was formed by baroclinic energy conversions due to a strong density gradient at the front.     

海南岛以东外海的暖涡

本文对出现在海南岛以东外海的暖涡及其形成机制作了简略的回顾及分析，认为这个暖涡是常常出现在这区域的，其存在与南海北部的西向流在遇到陆架—陆坡海域作反气旋式偏转而延伸为南海暖流有关；同时当南海暖流流向东北作反气旋式弯曲时，在暖流右侧也会出现暖涡。暖涡冬季较弱，夏季当海南岛东岸在西南风作用下出现上升流时会得到加强。     

Primary Study of the Mechanism of Eddy Shedding from the Kuroshio Bend in Luzon Strait

The mechanism of the anticyclonic eddy's shedding from the Kuroshio bend in Luzon Strait has been studied using a nonlinear 2 1/2 layer model, in a domain including the North Pacific and South China Sea. The model is forced by steady zonal wind in the North Pacific. Energy analysis is adopted to detect the mechanism of the eddy shedding. Twelve experiments with unique changes of wind forcing speed (to obtain different Kuroshio transports at Luzon Strait) were performed to examine the relationship between the Kuroshio transport (KT) and the eddy shedding events. In the reference experiment with KT of 22.7 Sv (forced with zonal wind idealized from the annual mean wind stress from the COADS data set), the interval of eddy shedding is 70 days and the shed eddy centers at (20°N, 117.5°E). When the Kuroshio bend extends westward, the southern cyclonic perturbation grows so rapidly as to form a cyclonic eddy (18.5°N, 120.5°E) because of the frontal instability in the south of the Kuroshio bend. In the evolution of the cyclonic eddy, it cleaves the Kuroshio bend and triggers the separation of the anticyclonic eddy. In statistical terms, anticyclonic eddy shedding occurs only when KT fluctuates within a moderate range, between 21 Sv and 28 Sv. When the KT is larger than 28 Sv, a stronger frontal instability south of the Kuroshio bend tends to generate a cyclonic eddy of size similar to the width of the Luzon Strait. The bigger cyclonic eddy prevents the Kuroshio bend from extending into the SCS and does not lead to eddy shedding. On the other hand, when the KT decreases to less than 21 Sv, the frontal instability south of the Kuroshio bend is so weak that the size of corresponding cyclonic eddy is smaller than half the width of the Luzon Strait. The cyclonic eddy, lacking power, fails to cleave the Kuroshio bend and cause separation of an anticyclonic eddy; as a result, no eddy shedding occurred then, either.     

卫星高度计资料揭示的冬季南海吕宋冷涡的双涡结构

吕宋冷涡是南海海洋环流系中最重要的涡旋之一。利用卫星高度计资料时空较高分辨率的优势,发现冬季吕宋冷涡有可能是由2个气旋式涡旋所组成的,一个气旋式涡旋位于吕宋岛的西侧(LCE1),另一个位于吕宋岛的西北(LCE2)。利用相关分析、功率谱分析等,估计了局地风应力和黑潮在形成吕宋冷涡过程中各自的贡献。研究结果表明,LCE1只存在于冬季,与吕宋岛西侧局地的风应力旋度有关;LCE2位于进入吕宋海峡的黑潮的西侧,全年存在,可能是由黑潮所诱生的气旋式涡旋,其变化主要周期为季节内振荡。     

吕宋海峡M2内潮的三维数值模拟

A three-dimensional isopycnic-coordinate internal tidal model is employed to investigate the generation,propagation, vertical structure and energy conversion of M2 internal tides in the Luzon Strait(LS) with mooring observations. Simulated results, especially the tidal current amplitudes, agree well with observations,demonstrating the reasonability and accuracy of the model. Results indicate that M2 internal tides mainly propagate into three directions horizontally, i.e., eastward towards the western Pacific Ocean, westward towards the Dongsha Island and southwestward towards the South China Sea Basin. In the horizontal direction, tidal current amplitudes decrease as distance increases away from the LS; in the vertical direction, they show an obvious decreasing tendency with depth. Between the double ridges of the LS, a clockwise gyre of M2 baroclinic energy flux appears, which is caused by reflections of M2 internal tides at supercritical topographies, and resonance of M2 internal tides happens along 19.5° and 21.5°N due to the heights and separation distance of the double ridges. The total energy conversion in the LS is about 14.20 GW.     

吕宋海峡水交换季节和年际变化特征的数值模拟研究

利用ROMS(Regional Ocean Modeling System)建立了一套覆盖西北太平洋的涡尺度分辨率环流模型,并对吕宋海峡附近的环流进行了模拟研究。结果表明,吕宋海峡120.75°E断面净流量季节变化显著,全年均为西向输运,6月份达到最小,为0.40×106 m3/s,然后逐渐增大,在12月份达到最大,为6.14×106 m3/s,全年平均流量为3.04×106 m3/s。在500 m以浅,秋、冬季都有明显的黑潮流套存在,并伴有黑潮分支入侵南海,而春、夏季黑潮南海分支减弱或消失,黑潮入侵不明显。在500 m以深,冬、春季,吕宋海峡以东有非常明显的南向流存在,流速约10 cm/s,而到了夏、秋季该南向流出现明显的减弱,黑潮与南海的水交换主要通过吕宋海峡以北的吕宋海沟进行。在垂向结构上,120.75°E断面浅层呈多流核结构,并且流核的位置和强弱受黑潮的季节性变化影响显著,深层流的季节变化不大。在年际尺度方面,吕宋海峡年际体积输运量异常与Niño3.4滞后6个月相关系数达到41.6%,吕宋海峡水交换与ENSO现象有较为显著的正相关关系,并存在2~3 a和准8 a周期的年际变化。     

吕宋海峡海洋环流的基本特征

根据对高分辨率的并行海洋气候模式输出的较长时间序列的海面高度（ＳＳＨ）场的分析,推断在吕宋海峡附近海区常年存在吕宋海峡黑潮流套,该流套出现于吕宋海峡的中部和北部,表现为一个舌状的ＳＳＨ的高值中心自海峡东部的太平洋向西扩展到南海北部,大致到达１１０°Ｅ的位置,但其位置、形状、强度等表现季节变化,年际变化和季节内时间尺度变化的特征。在吕宋海峡东侧的大洋上,经常出现位置和范围时有变化的反气旋涡,与之对应,在ＳＳＨ的月平均经向和纬向剖面上,吕宋海峡东侧的大洋上有永久存在的ＳＳＨ高值中心。另外在１９９５年１～７月期间有一次完整的黑潮流环脱离黑潮主体并在南海北部向西南方向移动的过程。