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。     

基于潜标观测的吕宋海峡以东深海海流的低频变异

本文利用在菲律宾海布放的一套锚系潜标获取的长时间海流和水温观测数据,分析了吕宋海峡以东的深海海洋环境特征,着重阐释了该海域海流的全水深垂向结构及其低频变化特征。研究表明,表层(100～160 m)平均流向为西偏北,流速约为12.5 cm/s;中层(810 m)的平均流为西向,流速为2.6 cm/s;深层(1 550 m和2 560 m)的平均流速在1 cm/s以内,近底(4 040 m)的流向为较稳定的西南向,流速为2.3 cm/s。上层海流的动能比中层和深层大1～2个量级,总动能、平均动能、涡动动能均在表层最大,中层次之、深层最小,各层次涡动能均大于平均动能。中上层海流的低频变化具有极高的相似性,全年为81～85 d的周期振荡;近底层海流则不同,变化周期约为51 d。     

南海中尺度涡对深层流调控作用的个例研究

南海深层环流作为印太海域热盐环流的重要组成部分,研究其时间变异特征对于深入认识印太海域大洋环流具有重要意义。中尺度涡作为南海极为活跃的动力过程,有观测显示其影响深度可超过2000m。结合海表面高度计资料与潜标观测资料,识别南海区域中尺度涡,并分析了中尺度涡对深层流场以及温度场的影响。针对三个中尺度涡的潜标实测结果表明:在涡旋经过时,海洋深层流动有明显的变异,表现在速度、温度方面,速度增加量能达到5.5cm/s,温度变异可达到0.02℃。涡旋经过时,海洋上层、深层流向呈相反态势,第一斜压模动能显著增强。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

南海中尺度涡研究进展

根据维基百科的定义(https:∥en.wikipedia.org/wiki/Edd),海洋中水平直径在10~500km、持续时间由数天至数月之间的水平旋转水体通称为中尺度涡。南海中尺度涡最早发现于1956年,60a来的观测与研究表明,南海是中尺度涡多发、频发海区。南海中尺度涡研究大致经历了早期发现、将中尺度涡当作单体运动现象研究、统计分析和当作群体运动现象研究等阶段,本文概要评述南海中尺度涡研究发展史和近年最新研究进展。经过60a的观测与研究,南海中尺度涡的宏观特征,包括三维结构和运动学,已大致清楚。南海中尺度涡全年皆可发生,主要分布在水深大于1 000m的深海盆,其中吕宋海峡以西和海盆西边界最为集中,气旋式冷涡和反气旋式暖涡发生概率大致相同。南海中尺度涡海面半径大多分布在50~150km,半径随水深减小,平均水平尺度比太平洋的涡旋要小。涡旋个数逐月变化,但季节规律不明显;年际变化幅度约20%,但与ENSO无明显对应关系;年平均个数的统计结果不一,最少11个·a~(-1),最多49个·a~(-1)。南海中尺度涡旋转流场从表层一直延伸到海底,流矢量表层(100m)最大(可达40cm·s~(-1)),随水深减小,2 000m仍可达3.5~5.0cm·s~(-1),但相对涡旋中心不对称,涡轴线向西倾斜。南海中尺度涡以2.0~9.0cm·s~(-1)的速度向西传播,低速区分布在深海盆东边界和西南部分海域。海面涡度平均值在5.4×10~(-6)~20×10~(-6) s~(-1)区间,高于太平洋平均值。近期研究把南海中尺度涡视为群体运动现象,先后提出长寿涡列、驻波模态和罗斯贝标准模等新概念。关于南海中尺度涡的发生机制,前人多认为黑潮和南海局地为起源。最新观点认为以罗斯贝波和中尺度涡为表现形式的太平洋中尺度扰动直接进入南海,并与海盆固有振荡模态发生共振,从而构成太平洋起源。而南海中尺度涡耗散过程、中尺度涡与其他海洋过程的相互作用有待进一步研究。     

南海北部反气旋涡旋边缘的次中尺度动力过程分析

广泛存在于上层海洋的次中尺度过程能有效地从平衡态的中尺度地转剪切中汲取动能, 并通过非地转斜压不稳定正向串级能量至小尺度的耗散过程, 从而对海洋物质能量输运、中尺度过程变异以及混合层再层化等产生重要影响。文章利用高分辨率(500m)的区域海洋数值模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)模拟结果, 并结合理论分析, 对南海北部冬季典型反气旋涡的次中尺度动力过程进行了初步探讨。研究结果表明, 典型中尺度涡边缘存在显著的锋面, 锋面海域强烈的水平浮力梯度能有效地减小Ertel位涡, 有利于诱发次中尺度对称不稳定(symmetric instability); 锋生作用是引起该中尺度涡边缘发生对称不稳定的主要动力机制之一。同时, 次中尺度过程及其不稳定引起的垂向次级环流显著增强了混合层垂向物质能量交换, 最大垂向速度可达95m·d^-1, 影响深度最深至80m。     

南海北部反气旋涡对内孤立波传播的影响研究

海洋内波具有振幅大、流速强和周期短等特点,可对海上施工和水下作业安全造成严重威胁。南海北部陆坡海域是内孤立波和中尺度涡频发的海域之一,研究中尺度涡对内孤立波传播的影响对深入了解南海北部内孤立波在反气旋涡过境时的传播特征、提高该海域内波预报准确性具有重要意义。基于此,本文利用布放于南海北部东沙群岛西侧陆坡海域的潜标观测数据,针对2017年3月一个反气旋中尺度涡经过潜标站位的过程,探讨了中尺度涡对内孤立波传播的影响。结果表明：①受反气旋涡影响,内孤立波的平均振幅减小28.6%,其主要原因是中尺度涡导致等温线下压,进而对内孤立波的振幅产生抑制作用,其影响过程可用趋浅温跃层理论描述。②反气旋涡影响期间,内孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s,增幅约16.7%,反映了反气旋涡对内孤立波波速的强化作用,这种强化作用主要是由中尺度涡边缘流场引起背景流场变化所致,而中尺度涡引起的温盐场变化对内孤立波波速的影响相对较小。     

一个考虑潮汐、中尺度涡和地形影响的南海底部环流诊断模型

本文构造了一个考虑潮汐、中尺度涡和地形影响下的南海底部环流诊断模型。在该模型中,潮汐混合和涡致混合引起的垂直速率用一个类似的改进参数化方案来表示。该模型结果显示在南海深层吕宋海峡"深水瀑布"和斜压影响最大,潮汐作用和中尺度涡影响次之,风场的影响最小。斜压影响的整体效应与其他因素相反。潮汐混合与涡致混合具有明显的地形依赖性。潮汐混合主要集中在南海北部海盆地形较为陡峭的陆坡区和南海中部海山区,而涡致混合主要集中在海盆西边界区以及中部海山区。在不考虑吕宋海峡"深水瀑布"、潮汐和中尺度涡的情况下(对应吕宋海峡关闭),南海底部环流为反气旋式环流。考虑吕宋海峡"深水瀑布"后,南海底层环流为气旋式环流,而潮汐混合和涡致混合起到加强整个气旋式环流强度的作用。此外,该模型还给出了南海底部环流量级大小与地形坡度之间的密切关系,即地形坡度较大的地方,其流速也大。这对于现场观测有着一定的参考意义。最后,本文用尺度分析的方法从理论上分析了该模型的适用性,证实了该模型具有一定的可靠性。     

南海相对涡度的时空变化特征分析

本文使用2014—2017年间逐日平均的法国Mercator中心全球高分辨率海洋数据集PSY4,探讨南海海域相对涡度与海盆尺度环流的时空变化特征。依照涡度的年平均剖面,在垂向上将南海分为:涡度为正的上层、涡度为负的中层和涡度为正的深层,对应了南海海盆尺度的"气旋式-反气旋式-气旋式"垂向环流。最为显著的相对涡度季节变化出现在南海的上层,最大冬、夏季差异达6.3×10~(-7) s~(-1),为该层内年平均相对涡度值1.7×10~(-7) s~(-1)的3.7倍。在该层的内部,依照季节变化的幅度大小可以进一步划分为3个子层,其中季节变化幅度最大的为上200 m层。在中、深层,深度积分的涡度与海盆尺度环流分别具有"冬强夏弱"和"冬弱夏强"的季节变化特征,而涡度的年际差异可以与季节差异同等重要;逐月的涡度时间序列与吕宋海峡不同断面的水通量变化具有统计相关。     

宫古海峡通道海流的高分辨率数值模拟

运用美国麻省理工大学MITgcm模式、模式嵌套技术和高分辨率网格(水平方向为1°/48×1°/48,垂向为22层),模拟了宫古海峡通道中的海流流动状况。流场不同分辨率的模拟结果表明,海底地形对宫古海峡通道中的海流流动影响显著;宫古海峡通道中的海流流动结构具有如下特征:垂向流动可分为3层,每层均存在流速核心;400 m以浅的上层海流从太平洋流入到东海,平均流速约为10 cm/s,流速核心位于160 m附近;400~1 000 m的中层海流从东海流出到太平洋,平均流速约为2 cm/s,流速核心位于650 m附近;1 000 m以下的深层海流从太平洋流入到东海,平均流速约为1 cm/s,流速核心位于1 200 m附近。宫古海峡通道中的海流流动具有较强的季节变化特征,秋末冬初流动较强,夏季流动较弱。     

大连新港附近海域的水动力环境特征分析研究

为了解近年大连新港附近海域的水动力环境特征,基于大连新港附近海域一个潮位观测站和3个海流观测站的同步连续潮位和海流实测数据,分别采用潮汐调和分析与海流矢量分析的方法,获得常江咀验潮站13个主要分潮的调和常数,并详细分析研究了该海域的潮汐和海流特征。研究结果表明:该海域平均潮位为0. 68 m,最高潮位为2. 91 m,最低潮位为-1. 1 m,平均潮差为2. 73 m,最大潮差为3. 71 m,平均涨潮历时6 h 6 min,平均落潮历时6 h 18 min;潮汐性质为规则半日潮,最大可能潮差为5. 2 m;海流具有明显的往复流特征,垂向流速有逐渐减小的趋势,观测站位一般呈现表层最大、中层次之、底层最小的特点。对该海域的水动力环境特征的研究能够为该海域的水体环境保护及海洋灾害预警与防治提供基础数据,为政府部门制定相关的海洋防灾减灾决策提供技术支撑。     

基于CORA2再分析数据的南海中尺度涡时空分布特征初步研究

利用南海20 a逐日海流再分析资料对南海海域中尺度涡进行时空特征分析。经过数据处理、涡漩识别、统计分析等方法,对南海海域中尺度涡空间分布、时间分布、生命周期、空间尺度、移动路径、移动速度、影响频率等特征进行分析,对南海中尺度涡进行全面详细的解读。研究发现:涡旋出现位置跟南海200 m等深线较一致。大部分涡旋周期都集中在30 d以内,直径大都在100~300 km,主要向西南方向移动,速率在15~20 cm/s的涡旋比例最高。反气旋式中尺度涡影响频率要大于气旋式中尺度涡的影响频率,主要影响区域大致在200 m等深线以内海域。     

南海西部海流和温度长期定点观测分析

对处于南海西边界位置(11°49.930′N,110°00.20′E),深度为636m的观测点,2006年4月27日~2007年7月7日的海流和温度连续观测资料进行分析,得到以下结论:(1)观测期间温度具有明显的季节变化和日变化,平均值为7.4℃。(2)海流能量主要集中在南北方向上,具有显著的年变化。2006年5~6月,2006年8~11月及2007年1月北向流速占优,其他月份南向流速占优。(3)长期海流资料的调和分析表明,该海区潮汐类型属不规则全日潮;显著分潮为Sa、O1、K1和M2,潮流椭圆均作逆时针旋转,其中Sa和O1往复特性较强。Sa和K1分潮长轴与等深线平行,指向南北方向;而M2分潮长轴基本与等深线垂直;O1分潮长轴则指向西北-东南方向。(4)对逐月海流资料分别进行调和分析,得出O1和K1顺时针旋转的结果;该海区全日潮最显著,主要分潮的潮流椭圆要素随时间变化明显。(5)观测期间,观测海域多发中尺度涡:2006年6月15~29日观测点,东北方向的暖涡逐渐减弱并接近观测点,导致了日平均温度逐渐升高和余流V分量由强渐弱的变化特征。2006年12月12~19日观测点东侧发展了一个准静止冷涡,垂向范围300~800m,由于观测点处于冷涡的边缘,造成了温度变化平稳、海流V分量的南向流动随着涡的削弱而明显减小的变化特征。     

基于潜标观测的牛郎海山的深海海流的低频变化特征

本文利用在西太平洋牛郎海山布放的两套锚系潜标获取的长时间海流观测数据,分析了深海的海洋动力环境特征,着重阐释了该海域海流的全水深垂向结构及其低频变化特征。结果表明:（1）年平均海流及其变化幅度均在上层最大、中层和深层次之、中深层最小;（2）年平均上,150 m以浅的海流为东向的副热带逆流,150 m以深和中层为西向流;山顶处的近底层海流为较稳定的弱南向流,山底处的近底层海流为西南向流;（3）在山顶和山底,各深度层次的海流在全年均表现出100 d左右的振荡周期;在2 000 m以浅,各深度层次的海流振荡的位相基本一致,振荡幅度在表层最强、随深度的增加而减小;在2 000 m以深,海流变化的位相与2 000 m以浅相反,振荡幅度在4 000 m最强。     

南海深水海盆环流和温跃层深度的季节变

受南海季风和复杂地形的影响,南海环流场具有复杂的空间结构和明显的季节变化,同时此海域又是中尺度涡多发海域,这些特征必然对南海温跃层深度的水平分布及季节变化有显著影响.首先,基于GDEM (Generalized Digital Environmental Model)的温、盐资料和利用P矢量方法计算并分析了南海的表层环流和多涡结构的空间分布特征和季节变化规律.在此基础上,分析了南海温跃层深度的空间分布特征和季节变化规律.结果表明,南海环流和多涡结构对南海温跃层具有显著的影响.     

南海深水海盆环流和温跃层深度的季节变化

受南海季风和复杂地形的影响,南海环流场具有复杂的空间结构和明显的季节变化,同时此海域又是中尺度涡多发海域,这些特征必然对南海温跃层深度的水平分布及季节变化有显著影响。首先,基于GDEM(General-ized Digital Environmental Model)的温、盐资料和利用P矢量方法计算并分析了南海的表层环流和多涡结构的空间分布特征和季节变化规律。在此基础上,分析了南海温跃层深度的空间分布特征和季节变化规律。结果表明,南海环流和多涡结构对南海温跃层具有显著的影响。     

南海海洋环流季节变化的数值模拟研究

基于POM(Princeton Ocean Model)海洋模式,对南海不同深度环流的季节性变化进行了数值模拟研究。模拟结果表明:南海表层和上层环流受季风影响,在夏季西南季风驱动下,南海表层环流在南部呈现强反气旋式结构,在南海北部则是一个弱的气旋环流;在冬季东北季风驱动下,南海表层环流结构呈气旋式,并且明显加强了沿越南沿岸向南流动的西边界流;春季和秋季为南海季风的转换期,其对应的环流特征也处于冬季环流与夏季环流的过渡流型,流速与冬季和夏季相比较弱。南海200m层环流的季节变化与表层相似。在500与1 000m层,则出现许多处中尺度漩涡,流场也变得较为紊乱。     

南海环流动力机制研究综述

南海的环流复杂,但通过近20 a来的研究工作,国内外学者对此已取得了不少的成果.本文就南海环流框架性的问题,综述了有关的文献,认为对南海上层海洋三方面的环流分量的驱动机制已有了初步的认识.这三方面分别是:(1)准季节性风场;(2)黑潮向南海的净输运;(3)黑潮向南海的涡度平流输送.但是对这些驱动的时空变化仍相当不清楚.三者皆增强了南海北部的海盆尺度气旋式环流,其强化的西南向西边界流靠近东沙群岛,建议称为“东沙海流”.没有水文证据显示黑潮水是以分支形式进入南海,其向南海的输运也不可能主要通过中尺度涡过程,具体机制有待研究.每年在南海生成的中尺度涡平均约有10个,风场与沿岸地形所生成的强风应力旋度可能是其主要的驱动机制.作为框架性的认识,也有三方面的工作进行得较少,即:(1)吕宋海峡的上层水交换;(2)南海的中尺度涡生成机制,虽然强风应力旋度及前述的第三种环流驱动机制也有中尺度涡伴生;(3)自吕宋海峡进入的深层水对南海上层海洋环流的影响.     

高频地波雷达观测的苏北辐射沙洲南部海域夏季表层海流特征

本文利用高频地波雷达获得的江苏如东海域大范围长期海流观测资料对苏北辐射沙洲南部烂沙洋海域夏季表层海流特征进行了分析。分析结果表明:研究海域表层海流靠近近岸一侧为往复流,流向总体上呈西北-东南向,靠近外海一侧为旋转流;海域潮流动力较为强劲,夏季表层海流实测最大流速达1.47 m/s,涨潮平均流速介于0.44~0.55 m/s,落潮平均流速介于0.38~0.52 m/s,海域西北部区域涨落潮平均流速明显大于其他区域;表层潮流为正规半日潮流,M₂分潮为最主要分潮,其潮流椭圆长轴范围为0.57~0.71 m/s,远大于其他分潮,其次为S₂分潮;该海域夏季表层余流呈现近岸大离岸小的分布趋势,余流流向基本指向近岸方向,从离岸到近岸余流流向呈现逆时针偏转。     

南海北部台风和中尺度暖涡对近惯性振荡的影响

基于2014年8-9月南海北部东沙群岛附近海域两个临近站位(站位A,20.736°N,117.745°E,水深1 249 m;站位B,20.835°N,117.56°E,水深848 m)的潜标数据,研究了台风过境所激发的近惯性振荡的特征,分析了中尺度暖涡对近惯性频率的调制及其对近惯性动能分布和传播的影响。站位A(B)142(175) m以浅,近惯性频率由0.710 1(0.713 3)周/d红移至0.659 2周/d,频率减小了7.2%(7.6%),观测结果与两个站位所处的背景涡度相吻合。中尺度暖涡改变了水体层结状态,两个站位的近惯性动能在不同层结中被改变了0.5~3倍。水体层结对能量的折射作用使得站位B的近惯性动能在深度158~223 m之间衰减较少,而站位A的近惯性动能则随着深度的增加快速减小。站位A和站位B近惯性内波的垂向群速度分别约为15.2 m/d和14.1 m/d。如果忽略近惯性动能的水平辐散,近惯性内波的垂向传播分别造成了两个站位垂向上约47%和38%的近惯性动能衰减。