Nonlinear generation of harmonics through the interaction of an internal wave beam with a model oceanic pycnocline

The interaction of an internal wave beam (IWB) with an idealized oceanic pycnocline is examined using two-dimensional fully nonlinear direct numerical simulations based on a spectral multidomain penalty method in the vertical direction. The phenomenon of focus is the nonlinear generation of harmonics. A total of 24 simulations have been performed, varying the normalized pycnocline thickness and the ratio of peak pycnocline Brunt-Väisälä frequency to that of the stratified lower layer. Harmonics at the point of IWB entry into the pycnocline increase in amplitude and number with a measure of the maximum gradient of the Brunt-Väisälä frequency, suggesting refraction as an important factor in harmonic generation. Among the simulations performed, two distinct limits of pycnocline thickness are identified. For thin pynoclines, whose thickness is 10% of the incident IWB's horizontal wavelength, harmonics trapped within the pycnocline have maximum amplitude when their frequency and wavenumber match those of the natural pycnocline interfacial wave mode. Results in this case are compared with weakly nonlinear theory for harmonic generation by plane wave refraction. For thicker pycnoclines, whose thickness is equal the incident IWB's horizontal wavelength, IWB refraction results in harmonic generation at multiple locations in addition to pycnocline entry, giving rise to complex flow structure inside the pycnocline.     

Determination of parameters of low-frequency internal waves in the coastal zone of a fringing sea using field measurements and basing on the nonlinear theory

A method is presented to determine the quadratic nonlinearity parameter and amplitude of low-frequency internal gravity waves in the coastal zone of a fringing sea, based upon their propagation rate dependence on local value of pycnocline vertical displacement produced by the waves. To test the method, the internal wave field observations in the coastal zone of the Sea of Japan are used. The testing results show that the internal wave parameters calculated using the proposed method and the experimental data are in a good agreement with those calculated from theoretical formulas.     

Unstable modes of a sheared pycnocline above a stratified layer

Internal waves incident on a sheared ocean pycnocline are studied using analytic and numerical methods. Linear analysis of the unstable modes of a sheared ocean pycnocline is used to demonstrate interactions between internal waves and shear instabilities. A new analytic solution for an asymmetric shear layer over a stratified layer is presented, illustrating modes which couple to internal waves, in addition to the well-known Holmboe modes. The robustness of these solutions is demonstrated using numerical methods for realistic shear profiles. Fully nonlinear numerical simulations illustrate the growth of these modes and demonstrate the excitation of shear instabilities by incident internal waves. The results may have implications for internal wave interactions with the ocean pycnocline and the local generation of internal solitary waves.     

亚洲夏季风爆发与热源强迫下的热带大气Rossby波

对南海夏季风爆发前的风场和局地对流凝结加热强迫作用进行了合成分析, 表明南海夏季风爆发前局地对流凝结加热作用对与南海夏季风爆发密切相关的低频涡对的产生起着重要作用.然后, 从动力学的角度研究了带有外部热源强迫的赤道β平面上的Rossby波, 利用Gardner-Morikawa变换和摄动展开方法, 得到了热源强迫下描写赤道Rossby的mKdV方程, 进而得到了不同热源形式下切变气流中赤道非线性Rossby波的解析解.结果表明, 不同类型的热源对赤道Rossby波的结构起着非常重要的作用, 同时也为南海夏季风爆发前低频涡对的形成给出了一种动力学解释.     

与海南岛秋季暴雨有关的一类热带中尺度涡旋的动力学分析

对惯性重力内波方程组分别通过线性和非线性求解探讨造成2010年10月海南岛一次特大暴雨中一类热带中尺度涡旋生成发展的动力、热力机制,研究发现：（1）在副热带高压和大陆冷高压南侧反气旋性纬向水平风切变大值区、静力不稳定大气层结、积云对流潜热释放、低空急流、适当强度的冷空气有利于热带中尺度涡旋的形成和发展;（2）非线性惯性重力内波的孤立波解与这类热带中尺度涡旋有很好的联系,在静力不稳定的大气层结下,热带中尺度涡旋的形态主要由对流凝结潜热加热所决定,即潜热加热下的孤立波解要求热带中尺度涡旋在垂直方向是一个浅薄的涡旋系统;另外强盛的对流凝结潜热对热带中尺度涡旋垂直运动振幅的增强起主要作用,更有利于涡旋的发展和维持。基于天气事实分析的理论研究为深化影响海南的热带中尺度涡旋乃至南海中尺度对流系统的机理认识进行了探索。     

南海夏季海流的数值模拟

用一个水平分辨率较高的区域海洋模式计算了中国海的海流。本文给出了南海７月份的上层环流的数值模拟结果。结果表明:在南海北部的陆架区，一支较强的东北向海流穿过台湾海峡流入东海；在海南岛东南和越南沿岸以东海域有一个气旋式的涡旋；南海南部被一个反气旋式的大涡旋所占据。计算得到的这些环流特征与观测结果十分一致。另外，数值模拟结果还显示出，黑潮的一个分支通过巴士海峡的南部进入南海，虽然一部分海水不断被陆架诱导流向东北，但是仍有一部分海水可以一直向西流到海南岛以东海域。     

北印度洋-南海季风区热带海洋极端波候变化特征

利用1979—2016年ERA-Interim有效波高（SWH）和海表风场数据,分析了南海-北印度洋极端海浪场分布和变化.结果表明：南海-北印度洋极端SWH分布和极端风速分布形态以及年际变化趋势高度一致,说明了涌浪为主的北印度洋和风浪为主的南海一样,极端SWH都由局地的极端风速控制;强极端SWH主要分布在阿拉伯海以及南海北部,阿拉伯海北部增长与该区域气旋强度增强有着密切关系,而南海的极端SWH主要受东北季风控制;东非沿岸极端SWH线性增长趋势则与索马里急流的年代际尺度上有逐渐增强的线性趋势有关.北印度洋及南海海域极端SWH距平场的EOF分析结果表明,南海极端SWH与北印度洋表现出反相变化的特征.北印度洋（南海海域）极端SWH多出现在西南季风（东北季风）期间,因为在西南季风（东北季风）期间,极端风速也相对增强.     

局地海啸对我国南海影响的数值模拟分析

选取了一组代表性的南海海啸源,并分别使用COMCOT海啸模式,以数值模拟的方法对南海局地海啸源进行了数值模拟,从海啸的传播影响时间、波高和能量分布等角度,分析了如果南海发生地震海啸,不同海啸源将会对我国南海沿岸地区和南海岛礁造成的影响。通过敏感性试验证实,海啸波的强度受地震震级变化影响较大,因此,如果南海发生强震引发局地海啸,不同海啸源将会给我国南海周边及岛礁等不同区域造成严重损害。     

冬季风期间南海地区冷涌的动力学分析

利用一个部分非线性的二维经向重力内波动力模式，通过求行波解，对冬季风期间南海冷涌的传播形式，传播特征和传播速度进行了分析，并讨论了大尺度经向环流及其垂直结构、热力作用、层结稳定状况和初始扰动条件对冷涌传播的作用。主要结论是：冷涌的传播表现为具有非线性效应的无频散或弱频散的重力行波，其向南传播速度远大于平流速度而接近于重力内波波速；不同流场和位温的初始扰动状况决定了冷涌将以周期重力行波或者以孤立重力     

南海夏季风活动及其影响

资料分析及其同南亚（印度）夏季风的比较,指出建立的突发性和经向分量的重要性是南海夏季风活动的两个最基本特征。根据南海夏季风经向分量与纬向分量同样重要的特征,并考虑南海地区大气环流的基本形势,提出了用对流层高低层散度差构成季风指数,它可以更好地描写南海夏季风的活动。资料分析和大气环流模式（GCM）数值模拟试验都清楚地表明南海夏季风年际异常对大气环流和气候有极为重要的影响,不仅影响东亚地区,而且通过东亚-太平洋-美洲（PJ或称EPA）波列影响美国的天气气候变化。     

西北太平洋海域风浪、涌浪、混合浪波浪能资源特征

用ECMWF的ERA-40海浪再分析资料,应用波浪能流密度计算方法,对西北太平洋海域的风浪能、涌浪能、混合浪能展开研究。结果表明:(1)波浪能流密度呈现出显著季节性差异。混合浪能流密度表现为冬高夏低;春、夏、秋季的涌浪能流密度明显大于风浪能流密度,冬季相反;(2)混合浪能流密度的大值区主要分布于阿留申群岛附近海域,高值中心可达60 kW/m以上;近海的大值区主要分布于琉球群岛—巴士海峡—传统的南海大风区一带,年平均值在4 kW/m以上,南海北部可达12 kW/m以上;(3)黄渤海的涌浪和混合浪能流密度峰值出现在8—9月,波谷出现在6月。风浪能流密度峰值出现在11月—次年3月,波谷出现在6—8月,均呈现双峰型月变化特征。东海、南海北部、南海中南部海域能流密度的月变化特征相似,都为双峰型,12月—次年4月的能流密度整体较高,波峰出现在12月,波谷出现在5—7月;(4)2 kW/m以上混合浪能流密度出现的频率较高,近海低于大洋;(5)0.5 m以上有效波高出现的频率都非常高,中国近海稍低于大洋;(6)涌浪能流密度的稳定性明显好于风浪能流密度;大洋的能流密度稳定性明显强于近岸。1月份能流密度的稳定性最好,4月和7月次之,10月的稳定性最差。     

Semi‐diurnal internal wave diffraction caused by Dixon Entrance,British Columbia

Abstract

To develop an understanding of the complex internal tidal phenomena observed near and inside Dixon Entrance, an idealized numerical model was developed for the area, which explores the influence of various topographic features on the scattering of internal tides. The model uses a non‐linear, two‐layered, frictionless finite difference formulation of the shallow water equations and is forced by a barotropic wave over simplified topography. It was found that the main bathymetric features responsible for the generation of semi‐diurnal internal tides are the steep continental slope together with the orientation of Dixon Entrance. The prevalent baroclinic wave pattern, which is similar to the one found by Buchwald (1971), suggests that the western end of Dixon Entrance can be considered as an internal tide generation region for the open ocean. Use of the simple model allows easy identification of the generated waves. When the model is run with a non‐flat channel it reproduces features observed inside Dixon Entrance.     

QuikSCAT卫星散射计矢量风检验及南海月平均风场特征分析

采用中国科学院南海海洋研究所2008年建设的,西沙海洋观测研究站上的自动气象站实测数据,对亚太数据研究中心提供的近实时QuikSCAT卫星遥感风场资料(2008年4月6日—12月31日)进行了检验和统计特征分析,得出:这两者风速的相关系数为0.86,平均偏差为-1.50 m/s,均方根误差为1.71 m/s,表明QuikSCAT卫星遥感风场资料在南海具有很高的适用性。在此基础上,利用QuikSCAT卫星遥感的月平均风场资料分析了南海月平均风场特征。结果表明:(1)南海季风10月到次年3月盛行东北风,6—8月盛行西南风,4、5、9月为季风转换季节;(2)存在两个平均风速大值中心,一个位于南海南部(10°N,108°E)附近,另一个位于台湾海峡附近,其位置和强度会随着季节变化而变动。     

季风指数及其年际变化II·南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度。指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关。绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变。季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度。最后分析指出,南海850 hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化。     

Diurnal and semi-diurnal low-level wind cycles over a tropical island

A high-resolution network of stations was established to measure the low-level wind field on a tropical island. The observed wind variations were found to be both diurnal and semi-diurnal. It is suggested that these variations are associated with the solar diurnal and semi-diurnal tides, the topographv of the island, and a shallow land-sea breeze regime coupled with the heated island phenomenon.     

异常南海夏季风的OLR前期特征

应用 1979～ 1999年 NOAA卫星月平均 OL R资料及 195 0～ 1999年 NCAR/ NCEP再分析的海表温度月平均资料 ,采用合成分析的方法对异常南海夏季风爆发前期的特征进行分析 ,并做信度检验。结果表明 ,在季风爆发的前期 ,对流活动和海温的异常与南海夏季风的异常关系密切。OL R在初春、垂直速度在整个前期与南海夏季风的异常存在着极强的相关性。在强 (弱 )南海夏季风年的前期 ,热带海温基本呈 L a Nina(El Nino)型分布 ,其中在12月 ,海温的距平分布与来年南海夏季风的强弱关系最为密切     

2009年夏季异常天气及其环流分析

简要讨论了2009年夏季的异常天气过程和环流形势演变,主要涉及南海夏季风、华南、江淮、东北降雨等情况.该年夏季未发生区域或流域性的洪涝,而干旱的面积较大.2009年南海夏季风在5月第4候爆发,爆发后季风的推进出现了异常,同时,印度季风的推进出现了异常.华南前汛期降雨时间长、降水范围广.江淮梅雨期典型梅雨形势没有建立,为...     

南海周边海域越洋航线晴空颠簸的数值预报研究

采用WRF v3模式, 利用AMDAR资料与NCEP再分析资料, 对2007年发生于南海周边海域的高空越洋航线上, 110个中度以上晴空颠簸事例与196个无颠簸事例进行数值模拟。选取布朗指数、水平风切变指数等6个晴空颠簸诊断指数, 通过计算各指数的有颠簸诊断准确率、无颠簸诊断准确率、TS评分、ETS评分等指标, 研究指数及其阈值的适用性。研究表明:(1)布朗指数是诊断南海周边海域越洋航线上的晴空颠簸的最佳指数, 并在取"3.2×10^-5"为阈值时诊断效果最佳。(2)南海周边海域的越洋航线上的晴空颠簸对于诊断指数阈值的选取十分敏感, 在晴空颠簸的数值预报中, 在合理选择指数的基础之上, 应当认真研究设定指数的阈值。     

我国北方500hPa春、夏季平均长波年际异常的EOF分析

利用1958—2008年全球逐日2.5°×2.5°NCEP/NCAR再分析资料,采用经验正交函数分解(EOF)和谐波分析方法对我国北方地区春、夏季平均长波进行了分析。结果表明:(1)我国北方春季平均长波主要表现为亚洲北部从咸海到日本存在一个完整的长波:巴尔喀什湖到我国罗布泊地区以长波脊活动为主,我国东北地区以长波槽活动为主,长波槽、脊的强度均呈增强趋势;夏季平均长波主要表现为乌拉尔山、贝加尔湖及鄂霍次克海地区的长波脊、槽、脊分布,蒙古国到我国北部地区多为长波槽活动,近51年来长波槽存在减弱趋势。(2)春季平均长波的距平变化主要表现为我国西北、华北地区与其上游和下游邻近地区存在反相关关系;夏季平均长波距平变化和春季相比有所东移,即我国北方大部分地区距平变化与其上游和下游地区存在反相关关系。