垂向混合参数化方案对模拟黄海夏季上层温度结构的影响研究

采用POMgcs(Princeton Ocean Model with generalized coordinate system)和MITgcm(MIT General Circulation Model)两个海洋数值模式,研究了M-Y2.0、基于固壁近似假定的M-Y2.5、基于波浪破碎作用的M-Y2.5和KPP 4种垂向混合参数化方案对模拟黄海夏季上层温度结构的影响。结果表明,M-Y2.0和基于固壁近似假定的M-Y2.5方案低估了黄海上层的湍动能,模拟的黄海夏季温度上混合层的效果与实测相比均偏浅,不能够很好地重构黄海夏季温度的垂直结构。而基于波浪破碎作用的M-Y2.5和KPP方案均可以增加海洋上层湍动能的输入量,模拟的黄海夏季温度上混合层的效果与实测较为一致。故推测黄海夏季的上层结构是受波浪混合和流场剪切等物理机制共同调节的,若通过合理的垂向混合参数化方案将这些物理机制的作用加以体现,将会较真实地模拟和重构出黄海夏季海温上层结构。     

风浪及地形对渤、黄海夏季温度垂直结构的影响

通过对所收集到历史海温实测资料的分析,概括了夏季渤、黄海温度结构的特点.在此基础上结合最新的卫星风场、有效波高场和地形资料,分析了风浪及地形对温度结构的影响.结果表明,在开阔的海域,夏季渤、黄海区较大的有效波高都出现在风区较长的地方,而有效波高的大小直接影响着上层海水的混合.渤海中部的双冷核结构和黄海中部温度的台状结构是波浪在海洋表层造成的混合与地形导致的潮汐混合共同作用的结果.夏季在没有明显上升流和平流的地方,浅水处表层温度与水深的关系满足热惯性机制,有温跃层产生的深水处水深仍然能影响到上混合层的深度.     

黄、渤海热结构及环流季节变化的数值模拟

在普林斯顿海洋模式 (POM)的基础上 ,利用经过资料同化处理的周平均卫星遥感海表温度资料 (SST) ,考虑了潮流混合和上层风混合的作用 ,成功模拟了渤黄海海域热结构的时、空变化 ;在此基础上 ,系统描述了渤黄海季节性温度跃层、黄海冷水团、黄海暖流等重要水文现象及其与之相应的温度垂直结构 ;分析黄海余流流场断面结构及随季节的变化 ,并对黄海暖流的分布结构、黄海冷水团的维持机制进行了探讨     

大气强迫日变化对东中国海海温模拟的影响

大气强迫的日变化可以减弱海表温度的水平梯度加强表层与次表层间的垂向混合,从而影响海温的模拟。本文基于区域海洋模式ROMS,利用NCEP/NCAR发布的6h1次的10m风速、短波辐射、海表气压等再分析资料,研究了大气强迫的日变化对东中国海温度模拟的影响。通过与观测资料比对发现,相比于日均大气强迫下的模拟,日变化大气强迫下的模拟与观测更为接近。大气强迫的日变化对东中国海的海-气热通量具有显著影响,能够使东中国海年均海气热通量增加1.4W/m~2,夏季增加13W/m~2,冬季减小10W/m~2。大气强迫的日变化通过海-气界面的热力和动力过程影响水温的垂直结构,加强东中国海的上层混合,使东中国海混合层厚度(MLD)增加约10%;夏季黄海冷水团的平均温度升高0.5℃,体积减少约1/3。     

海浪混合参数化的渤海、黄海、东海水动力环境数值模拟

在浪-流耦合的概念下,对Princeton Ocean Model(POM)模式进行改进,增加特征波参数下的海浪混合作用,并把潮流和环流同时模拟,得到了渤海、黄海、东海典型的环流和水文特征,特别是夏季黄海的温跃层现象,夏季长江冲淡水扩展路径以及我国东部海域冬季和夏季典型环流等.研究表明,海浪的作用使海洋上层混合得更均匀,潮流的作用使海洋底层混合得更均匀,二者是温跃层形成的重要原因;考虑潮效应模拟流场,由于潮扩散和潮余流的作用,长江冲淡水路径与实际观测更为符合.     

渤海、黄海热结构分析

在多年观测资料基础上,以月平均风应力和周平均海表水温(SST)作为外强迫,对黄海、渤海热结构进行了数值模拟.模拟结果显示渤海的热结构特征自10月至翌年3月为水温垂直均一的冬季型;5～8月为分层结构(由上混合层、跃层、潮混合层组成)的夏季型.4月和9月为两型的过渡期,最低水温出现在2月,最高水温表层出现在8月,底层则在9～10月.黄海沿岸浅水区与渤海有相似的热结构,黄海冷水团和黄海暖流对其中央槽深水区的热结构有重要影响.对底层水的影响而言,前者夏季显著而后者冬季显著,从而导致黄海(槽)的底层水与环境相比呈现夏季冷而冬季暖的特征,底层水温基本上与表面水温的年变化反相;深水区的热结构与渤海相比,均一型结构(1～3月)变短,分层型结构(5～11月)变长,底温年变幅(5℃以内)变小,跃层强度增强.模拟结果还表明,黄海暖流的动力仍然是季风环流,而对黄海冷水团的形成和发展有无动力影响提出质疑.     

黄海、渤海盐度准三维数值预报模式

黄海、渤海盐度的垂直结构具有典型的自模性，而其水平分布又受平流、水平扩散效应及径流等因素的影响。本文根据黄海、渤海实测资料拟合了盐度垂直剖面的自模函数，并结合描述表、底层盐度及上均匀层厚度这３个特征量水平分布的方程，给出盐度三维结构的准三维模式。在模式中，综合考虑了海面风和热输入的强迫作用以及流场的平流、侧向混合及底层混合的影响因素，同时还考虑了径流、蒸发及降水的作用，较客观地反映了盐度的三维分布及其变化的物理过程。试报结果分析表明，模式的功能较好，结果令人满意。     

渤、黄海冬、夏季节风生流场年际变化时空模态与环流变异

根据1975—2017年冬、夏季节渤、黄海沿岸25个气象站风观测资料,采用二维非线性垂直平均风生流模式、旋转经验正交函数(REOF)等方法,研究了渤、黄海冬、夏季节平均风生流速度势与流函数场年际变化时空模态与环流变异.由于冬、夏季节渤、黄海风应力场强度年际变化显著线性减弱趋势,冬季渤、黄海平均速度势与流函数强度年际变化线性减弱速率大于夏季,黄海冬、夏季平均速度势与流函数强度年际变化线性减弱速率大于渤海.渤、黄海冬、夏季节平均风生流速度势与流函数场年际变化主要有两种时空模态,冬季渤海垂直环流显著线性减弱以及水平环流准平衡态年际变化是主要分量,冬季黄海垂直与水平环流准平衡态年际变化是主要分量.夏季渤海垂直环流显著线性减弱以及水平环流准平衡态年际变化是主要分量,夏季黄海大部分海域垂直环流显著线性减弱与局部垂直环流显著线性增强年际变化是主要分量,夏季黄海水平环流形态此消彼长显著线性增强及减弱年际变化是主要分量.冬季黄海暖流暖水向南黄海西侧以及向渤海中部输送过程是在3～4个环流之间传递形成,并非由单一环流输送形成.冬季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部至渤海海峡的气旋环流、黄海东部辐散下沉反气旋环流是冬季黄海暖流强度与范围的控制环流,夏季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部辐合上升气旋型环流是夏季渤、黄海冷水团强度与范围的控制环流,冬、夏季节渤、黄海控制环流年际变化形态的变换形成冬季黄海暖流与夏季渤、黄海冷水团暖年或冷年的年际变化.     

副高对黄渤海夏季异常海温影响的数值试验

副热带高压是黄、渤海夏季异常海温的重要成因之一。根据该海区夏季的气候特点 ,构造了一个典型的副高天气过程 ,利用“近海异常海温数值预报模式”对海表层温度进行了数值试验。对该形势下引起黄、渤海夏季异常高温的各因子进行了定量分析 ,给出了副高中心及其附近两点由各因子引起的增温率变化。试验表明 ,副热带高压控制的天气情况下 ,短波辐射对该海区夏季异常高温的形成起主要作用 ,暖水辐聚的贡献占第二位。     

穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响

用数值方法研宄穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响时,有些学者人为地设定了风速和热通量。这种做法可能会出现风速和热通量数值不匹配的问题。为了弥补这一缺陷,本文采用国内外常用的块体公式计算热通量的方法来代替人为设置,并以北太平洋为例,研究了穿透性太阳短波辐射对海洋混合层深度的影响。结果表明:低风速(U10<10m／s),且海表短波净辐射处于40～200 W／m2时,穿透性太阳短波辐射对混合层深度影响很显著;高风速(U10>10m／s)和短波净辐射高值区(S*(0)>200 W／m2),穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响较小。     

基于MIKE3的渤海三维温盐数值模拟

基于有限体积法的MIKE3 Flow Model建立了渤海地区水动力和温盐数值计算模型,并考虑了渤海沿岸十六条主要河流径流输入、风、降水、蒸发、太阳辐射(短波辐射、长波辐射、感热、潜热)等因素的影响。输出2010年数据作为结果,水动力和温盐模拟结果验证良好。经分析得到如下结论:模拟得到的2010年渤海温盐全年变化均呈一峰一谷形式。渤海冬季最高温度出现在渤海海峡附近海域,温度约4.5℃;渤海夏季平均海表温度26.34℃,较1970～1996年渤海海区夏季的平均温度区间22.5～26.5℃明显偏高;夏季温跃层集中在5m-15m深度范围内,渤海海峡处跃层深度超过了20m;模拟得到的冬季莱州湾盐度在27.8～30.4PSU的范围,夏季25～29.5PSU;莱州湾和辽东湾在夏季出现低盐区,辽东湾顶的低盐区面积约1364km^2,黄河口处的低盐区面积约448km^2,小清河口附近的低盐区面积约1029km^2;渤海大部分海域夏季盐度分层并不像温跃层那样明显。     

渤、黄海海冰的变化和预报结果分析

利用1951—2000年的渤、黄海的海冰资料，用小波分析和最优气候均态法对渤、黄海的海冰冰级进行分析和预测。小波分析结果较好地反映了渤、黄海海冰的变化规律，使对海冰的研究更符合实际情况。这必将有助于研究海冰变化的机理和不同尺度变化的相互作用。最优气候均态法较好地实现了对渤、黄海海冰的预测。此方法在海冰预报中不失为一种可用的方法。     

2009～2010年冬季渤海及黄海北部冰情分析

从冷空气活动及气温变化的角度分析了2009～2010年冬季渤海及黄海北部气候背景状况,发现此冬季渤海及黄海北部沿岸平均气温较多年偏低.通过对海冰冰情的发展与变化状况和各海区严重冰期内冰情分析显示,该冬季渤海及黄海北部为偏重冰年.     

冬、夏季渤黄海表层沉积物粒度特征差异及其成因分析

对渤海、黄海海域冬、夏两季表层沉积物取样,通过激光粒度仪得出粒度参数,进而分析讨论冬季强的沿岸流的作用、黄海暖流、夏季冷水团的影响以及地形、海底地貌特征、物源特征等对表层沉积物分布造成的影响。结果表明,冬、夏两季渤黄海表层沉积物粒度特征总体上相差不大,但部分海域如渤海中北部、渤海中南部、北黄海西北部近渤海海峡北部海域、山东半岛东北部海域、南黄海中部沉积物粒度特征存在明显季节性差异。表层沉积物粒度特征季节性差异与地形地貌、沿岸流、黄海暖流、黄海冷水团及物源密切相关。本研究对于探讨渤黄海不同季节表层沉积物沉积特征的影响机制、了解渤黄海区海洋动力过程的季节差异有积极意义。     

渤、黄、东海悬浮物质量浓度冬、夏季变化的数值模拟

采用HAMSOM三维正压水动力模型结合粒子追踪的悬浮颗粒物输运模型模拟了渤、黄、东海悬浮物质量浓度冬、夏季变化。模拟结果显示,潮流和底质对悬浮物质量浓度的分布有决定性的作用,沉积物再悬浮对悬浮物质量浓度分布影响大,冬季尤为显著。莱州湾中西部和渤海湾南部悬浮物终年维持高质量浓度,古黄河口冬季再悬浮物的质量浓度高于其它季节的。长江口附近悬浮物终年维持高质量浓度,夏季长江口东北悬浮物的质量浓度高于冬季的,浙江沿岸冬季悬浮物的质量浓度高于夏季的。     

渤、黄海风生流场季节循环时空模态与变异

根据1978—2015年渤、黄海沿岸观测风应力场与二维非线性垂直平均风生流模式,以及旋转经验正交函数（REOF）、调和分析等方法,研究了渤、黄海月平均风生流速度势、流函数场季节循环时空模态与年际变异.渤、黄海月平均风生流速度势、流函数场主要有两种时空模态,季节周期分量是时空模态的主要分量.由于风应力场季节循环变异,渤海流函数场季节时空循环变异程度大于速度势场,速度势、流函数场第二模态是季节变异的主要分量,黄海速度势场季节时空循环变异程度大于流函数场,速度势场第二模态是季节变异的主要分量.由于月平均风应力场强度年际变化显著线性减弱,渤、黄海季节平均风生流场强度年际变化也显著减弱.渤、黄海暖流与冷水团季节生消是风生流水平环流与垂直对流对冷 暖水体输送与汇集共同作用的结果,渤、黄海春、夏季辐合上升环流延缓及减弱了浅层暖水向深层传播,是春、夏季冷水团与温跃层形成的重要动力因素,因此,速度势是研究渤、黄海风生流场十分重要的因素.冬季渤海中部、黄海东部反气旋型及辐散下沉环流与黄海中部气旋型环流、辐合上升环流是黄海暖流季节转换与强度的主要动力控制因素,夏季黄海东部气旋型环流、辐合上升环流与黄海中部反气旋型环流、辐散下沉环流是黄海冷水团季节转换与强度的主要动力控制因素.     

基于WRF的黄渤海海雾数值模拟参数化方案研究

对数值模拟的研究现状进行了总结梳理,分析了已有研究的不足,并根据研究目标在已有研究结论基础上有针对性地设计了敏感性实验方案。经过与实地观测的结果对比来看,与海雾模拟密切相关的边界层参数化方案中的YSU方案对我国黄渤海海区的不同强度海雾均具有良好的适用性,而长波辐射方案中的Fu-Liou-Gu方案则具有更好的普适性,在这种核心方案配置下的模拟结果均可满足一般科学研究与预报业务的需求。     

中国黄、渤海海水中溶解镉的形态研究

黄、渤海是我国重要的海洋经济渔业开发区域,海水中痕量金属的含量及其存在形态会对海洋环境、海洋渔业产生重要影响。随着近年我国痕量金属采集与分析测试技术的发展,数据的准确性有了新的提升。2016-06—07采集黄、渤海40个站位的海水样品,测定其溶解态金属Cd的总浓度,并应用电化学方法(阳极溶出伏安法)分析Cd存在形态。结果表明,渤海海水中的总溶解态Cd浓度是南黄海海水中的2~3倍,这可能与渤海海水停留时间较长,水深较浅,周边较多河流输入有关。20%~92%以上的溶解态Cd是以有机络合物形态存在,以自由离子态存在的Cd浓度不超过100 pmol/L,低于Cd对浮游生物的毒性阈值。渤海比黄海的金属配体浓度高出2倍以上,高值出现在黄河口周围海域,表明黄河水携带较多有机配体输入。推测我国近海有机配体来源可能包括陆源输入、沉积物再悬浮的解析过程以及藻类分泌。研究还表明,黄、渤海海水中溶解态Cd的有机配体络合常数较其他海域的稍高,这与我国近海废、污水排放的有机络合配体类型有关。