湖/陆风过程中湍流摩擦作用的数值分析(英文)

本文利用一个湍流能量闭合的二维原始方程模式分析讨论了湍流交换对湖/陆风过程的影响。文中较详细地介绍了湍能闭合方法,分析了在湖(陆)风发展的不同阶段湍流交换强度的分布特征并讨论了大尺度风场对湍流交换系数场的影响。     

湖／陆风过程中湍流摩擦作用的数值分析

本文利用一个湍流能量闭合的二维原始方程模式分析讨论了湍流交换对湖／陆风过程的影南。文中较详细地介绍了湍能闭合方法．分析了在湖(陆)风发展的不同阶段湍流交换强度的分布特征并讨论了大尺度风场对湍流交换系数场的影响。     

海(湖)效应降雪的研究进展

回顾国内外有关海(湖)效应降雪的主要研究成果,依据海(湖)效应降雪的定义,对其产生机制、大尺度环流背景及多尺度相互作用、影响因素和空间形态分类等方面进行的总结和分析.表明,海(湖)效应降雪过程存在多尺度相互作用,海(湖)气温差、热力不稳定、风向风速、地形、云物理过程等是其关键影响因素,并影响其空间分布形态.数值模拟和多普勒雷达资料是主要研究手段.在此基础上,经进一步分析指出,未来我国应重点深入开展海效应降雪的空间分布形态及其产生机制研究,提高海效应降雪的精细化预报能力.     

热带西太平洋表面风场的变化及其对海洋上部热结构的影响

据1962～1980年逐月平均表面似风应力资料,用调和分析及功率谱分析等方法分析了热带西太平洋表面风场的季节变化和年际变化.结果表明,该海区表面风场的季节变化,主要与热带辐合带(ITCZ)的季节位移有关,其年际变化则有明显的与埃尔尼漆南方涛动现象(ENSO)相对应的变化.且表面风场通常比ENSO有超前的异常变化.文中还初步探讨了表面风场变化对海洋次表层热结构的影响.结果表明,表面风应力涡度引起的埃克曼抽吸作用(Ekman pumping)可近似解释该海区温跃层深度的平均季节变化.该海域赤道附近表面纬向风应力的变化与西太平洋暖水区体积变化之间有较密切的关系.     

海/陆风结构特征及对近岸区大气环境的影响

在海(湖)沿岸及附近我们经常能观察到风的周日变化。白天风从水面吹向陆地,称为海(湖)风;夜晚及清晨,风从陆地吹向海(湖)面,称之陆风。海(湖)/陆风是岸边区的重要天气现象。自本世纪六十年代起,随着沿海及大水体旁的工业开发和大型火电厂、核电站的建立,为了研究这些设施对环境大气的影响在许多技术先进的国家里对这种中尺度局地流进行了大量观测、分析和模拟研究。在我国,随着沿海工业发展,特别是沿海开发区的崛起,提出了对岸边气象学及大气污染问题进行广泛和系统研究的急切要求。本文将根据国内外的观     

驱动大洋海浪模式的两种海面风场对比分析研究

海面风场在海浪模拟和预报中起着重要作用。文中分别利用CCMP风场和Q/N混合风场驱动WAVEWATCHⅢ海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行了模拟。利用NDBC(美国国家浮标资料中心)提供的浮标资料和Jason-1卫星高度计资料对模拟结果进行了检验分析。分析表明:在北太平洋海域,CCMP风场较Q/N混合风场与浮标风速资料有更好的一致性,更能代表该海域的海面风场状况;CCMP风场驱动下的海浪模拟结果总体上优于Q/N混合风场的结果。     

北极海面风场对海冰区域性和整体性变化的影响

北极海冰的快速减退是近年来全球变化最重要的现象,对全球气候产生显著影响。海表面风场是影响海冰变化的核心因素,但风场对各个海域海冰变化的贡献有很大差异,需要深入了解海表面风场对各个边缘海的贡献才能理解北极海冰变化的原因。本文采用SVD方法,分析海冰面积显著变化时的矢量风场与海冰密集度变化的关系,探讨风场对各个海域海冰的总体影响及对整个北极海冰变化的贡献。结果表明,各海区海冰密集度的变化都与海面风场有联系,但相关程度有明显差异,表明在有些海域风场起支配性作用,而在另一些海域其他因素的作用也很显著。对海冰产生影响的风场类型主要有三类:纬向风、经向风和气旋式风场。在波弗特海-拉普捷夫海这4个海域中,仅有1种类型的风场(纬向风或经向风)对海冰产生显著影响,同一海域海冰密集度呈现位相一致的变化。而在其他海域,有2种类型的风场(纬向风与气旋式风场,经向风与气旋式风场)影响海冰变化,同一海域的海冰密集度会呈现位相相反的变化。北极海冰的变化是一个整体,各个边缘海的海冰既有各自的变化特点,又有很好的整体协同变化特点。而2004年以来,加拿大海盆反气旋式风场与欧亚海盆弱的气旋式风场的整体结构呈现逐渐加强的趋势,有利于北极海冰的进一步减退。     

北太平洋风场变化对东亚陆架海SST的影响

太平洋内部的气候变化与东亚陆架海海洋环境变化密切相关.本文利用OAflux资料、NCEP再分析资料,分析北太平洋内部风场的时空变化特征,将其距平场序列与东亚陆架海SSTA序列进行相关性分析,找出对东亚陆架海SST影响显著的风场关键区.结果表明:东亚陆架海SST距平序列与PDO指数同期相关系数接近于0,说明北太平洋内部异常信号只能通过斜压Rossby波调整影响东亚陆架海SST,不存在正压调整过程;北太平洋风场“关键区A、B”对东亚陆架海SST的变化影响最显著,且1958-2010年,2个风场“关键区”风速异常增强,分别被风应力旋度偶极子、异常负风应力旋度场控制,异常信号从中东太平洋传递到东亚陆架海,导致该海区SST明显升高,尤其是黑潮海域;“关键区A、B”风场异常信号分别超前东亚陆架海SST变化4a (7a)、4a时呈显著正相关,该时间基本与斜压Rossby波从大洋中东部传递到西部或副热带环流对风场变化通过斜压Rossby波进行调整所需的时间一致.     

黑潮近岸分支流在2017年9月与2019年9月差异的研究

通过对比2017年9月和2019年9月的温盐大面观测数据,发现东海陆架上黑潮近岸分支流的路径在两次观测中存在显著差异。2019年9月黑潮近岸分支流中上游的路径相较2017年9月明显的东向偏移,造成黑潮次表层水入侵东海近岸海域的强度较弱。为了探究黑潮近岸分支流的上述显著年际差异的原因,利用卫星高度计数据和再分析风场数据,通过分析大面观测同期的绝对海表动力高度、地转流场以及海表风场的差异,阐述了黑潮近岸分支流路径产生显著年际差异的动力机制。2019年8—9月东海海表较2017年8—9月盛行更强的西南向沿岸季风,强的西南向沿岸风通过埃克曼输运促使水体向岸堆积并在近岸区域沿岸西南向堆积。因此, 2019年8—9月东海近岸海域的跨岸方向压力梯度与2017年8—9月相比较小而沿岸压力梯度则较大。2019年8—9月,受压力梯度分布的影响,东海近岸海域产生西南向的沿岸地转流和离岸地转流。其中西南向的沿岸地转流会在底部生成离岸的底埃克曼流,离岸底埃克曼流和离岸地转流共同抑制了黑潮近岸分支流的向岸入侵。这导致2019年9月黑潮近岸分支流的路径向东偏移,黑潮次表层水入侵浙江近海及长江口区域的强度随之减弱。通过分析研究实际观测案例,阐述了风影响黑潮近岸分支流入侵东海近岸海域的动力机制,同时明确指出海表风场会从黑潮近岸分支流的中上游区域改变其路径,进而对黑潮入侵东海近岸海域产生重要影响。     

夏季南海北部粤东陆架锋面的动力特征分析*

本文利用现场观测资料和卫星遥感数据, 并结合ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟对南海北部粤东陆架的锋面特征及其影响因素进行探讨。观测结果显示, 夏季南海北部陆架存在活跃的上升流温度锋面, 其水平尺度约为50km, 强度达到0.06℃∙km^-1, 大于同时期卫星遥感观测结果, 垂向影响深度超过20m, 且具有一阶理查森数(Richardson number, Ri)的典型动力学特征。进一步的ROMS 模式诊断分析结果显示, 锋面处水平梯度增强, 且动力学上表现出一阶Ri数, 为锋面不稳定的发生提供了有利条件。高分辨率模拟结果显示, 在夏季西南风的驱动下, 沿锋面地转流方向的风应力引起的跨陆架Ekman输运将锋面处冷水向暖水运移, 导致水平浮力梯度和锋面强度增强并形成负Ertel位涡(Ertel potential vorticity, EPV)。因此, 夏季风场强迫引起的Ekman浮力通量(Ekman buoyancy flux, EBF)可能是南海北部锋面不稳定现象的主要贡献者, 对局地动力环境有重要影响。     

北极冰海耦合模式对两种不同大气再分析资料响应的分析

本文中我们比较了Climate Forecast System Reanalysis(CFSR)高分辨率的再分析数据集和低分辨率的Japanese 25-year Reanalysis Project(JRA25)再分析数据集在向下短波辐射、向下长波辐射、10m风场、近地面气温、降水、湿度上的不同,发现二者差异最大的为降水数据,其次为向下短波辐射数据、向下长波辐射数据。用这两个数据集驱动同一冰海耦合模式,CFSR强迫的海冰、北冰洋中层水和加拿大海盆温盐结构与实测相比有很大差距,等密度面上的地转流速在加拿大海盆和欧亚海盆比JRA25强迫的结果高20%,同时等密度面的深度偏深、位温偏高,在弗拉姆海峡的流通量也比海洋再分析数据Simple Ocean Data Assimilation(SODA)偏多。CFSR的向下辐射数据更加接近实测,采用此数据的敏感性实验模拟结果与实测符合的更好。对于海冰的模拟,云量起着至关重要的作用,降水带来的淡水通量通过影响大西洋入流水携带的热量进而影响到冰区。此外,CFSR过量的降水也是二者对于北冰洋温盐结构、弗拉姆海峡流通量以及地转流强度模拟产生偏差的主要原因。尽管风场的分辨率不同,在海盆尺度上对于海冰和海水温盐结构的影响并不大。     

大气低层风场对南海海温的影响及其与季风的关系

利用1960-1999年月平均海表温度资料和大气低层风场资料,分析了南海海表温度与局地风场之间的关系及其季节变化特征,讨论了局地风场对南海海温的影响与季风的联系.结果表明,南海海表温度异常与局地风场异常之间的关系具有明显的季节变化特征,南海海表温度异常在夏季与纬向风异常呈明显的负相关,在冬季与经向风异常呈明显的正相关,这种季节变化与东亚季风特性(即盛行风存在明显的季节变化)密切相关.为南海海表温度监测预测提供气候背景,从而也解释了过去在大气低层风速与南海海表温度异常相关性方面不同研究结果存在差异的原因.     

SWAN模式中风输入方案对南海台风浪后报的影响分析

基于近岸海浪模式(SWAN, Simulating waves nearshore),分别用ERA (ECMWF re-analysis)5、ERA-Interim、CCMP(Cross calibrated multi-platform)及美国国家环境预报中心(NCEP, National centers for environmental prediction)数据中心的天气预报再分析系统(CFSR, Climate forecast system reanalysis)的海表面10 m处风场作为不同的驱动风场,模拟15次经过南海的热带气旋过程产生的极值波高情况下的海浪,比较了不同风场驱动的海浪后报模拟值与Jason卫星高度计实测值的误差;再应用模拟精度最高的驱动风场,模拟同样条件的海浪场,对拖曳系数的参数化方案进行敏感性分析和比较。结果表明：在模式输入参数为默认值的情况下,ERA5风场与WU方案的风输入组合能够获得更加准确的中国南海热带气旋发生海域的有效波高;最后基于以上结果构建30年的南海海域海浪要素数据集,并使用Pearson-Ⅲ分布推算出南海海域的多年一遇有效波高。研究结果...     

北部湾春季季风转换时期两潜标站余流分析

2007年春季季风转换期间, 在北部湾湾口两站利用潜标观测获得了80余天的流速剖面等资料序列.结合NASA喷气推进实验室物理海洋学数据分发存档中心提供的QuikSCAT海表面风场数据, 以及NOAA国家气候数据中心提供的海表面温度数据, 利用交叉谱分析方法对观测期间两站余流结构及其影响因子进行分析.结果表明: 1) 春季季风转换时期, 北部湾风场北分量具有周期为10d左右的震荡.风的输运造成密度场结构出现相应的震荡, 从而会引起密度流的变化.2) M4站余流主要由风场控制, 水体向北部湾内输运.3) M5站表底层余流差距较大, 整层余流均受到了风的直接影响, 而表层还受到了由风引起的密度流变化的影响, 因此风通过两种方式影响了M5站的余流.     

基于CESM模式同化及后报实验的南海气候特征分析

基于气候模式CESM,利用牛顿松弛逼近(nudging)方法将次表层海温同化到海洋模式中,通过多种评估方法对1982—2011年同化和后报结果的南海海区进行分析。CESM同化和后报结果能够刻画出南海海表面温度、海表面流场、降水和850 hPa风场的空间基本特征,并且能比较好的再现海表面温度和降水随时间变化规律,nudging同化结果要优于超前1个月、3个月预报。但对南海大部分海区还存在0.5℃以内的冷偏差,流场强度模拟偏弱,850 hPa风场模拟偏强的误差。同化和后报结果表明模式对夏季和秋季海表面温度模拟效果较好,海表面温度与东亚夏季风相关性在空间分布形态及量值方面模拟较为一致,而降水与东亚夏季风相关性模拟在空间分布形态及量值方面都有一定误差。南海气候模拟难点在于其夏季海气相互作用,nudging同化结果能较好的模拟出南海北部夏季海表面温度变化对大气变化的响应,同大气模式相比考虑了南海海区的海气相互作用这一特殊性。     

用星载微波散射计测量海洋风场的反演方法研究

Seasat-A卫星散射计(SASS)成功地测量了全球海洋上的风矢量场.其技术基础基于微波后向散射对由海表面风产生的海面厘米级波的敏感性.由于后向散射是各向异性的,所以可以从而个或更多的天线方位角的测量中反演出风速、风向由于散射物理模型函数的非线性及信号中噪声的存在,使得风场反演中存在风向多解.本文给出了一种从SASS测量的后向散射强度的数据中反演出大尺度海洋风场的新的方法,计算结果与Petecherych等[5]利用SASS表面风分析的结果比较在风向上是吻合的,在风速上我们得到的结果更接近于表面真实风速.     

“选尺度资料同化”方法在海洋数值模拟中的应用:对一次西沙强暖涡过程的模拟试验

"选尺度同化"(SSDA)方法是指在资料同化中考虑观测资料和模式变量的多尺度特征,选择性地对模式变量在某一尺度上进行调整同时保持在其他尺度上不变。为检验该方法在海洋资料同化中的应用效果,以2010年8月南海西沙群岛海域出现的强暖涡(称为西沙暖涡)为试验对象,对比了同化卫星高度计海表高度资料及其反演的地转流对暖涡的改善效果,其中对地转流的同化采用了两种同化方法,即采用和未采用选尺度同化方法。各个试验结果对比表明,同化海表高度和利用选尺度同化方法同化地转流均能改善对西沙暖涡的模拟,两者同时同化对西沙暖涡模拟的改善最显著。其中,同化海表高度是通过压力场调整速度场,对西沙暖涡的范围改善更显著;选尺度同化方法则通过速度场调整压力场,有利于维持海水向暖涡中心的辐合,对暖涡强度模拟效果更好。此外,不采用SSDA方法同化地转流(即不对模式流场进行尺度分离)的试验模拟效果最差,原因在于通过地转流直接调整整个流场会抑制小尺度流场(非地转流部分)的自由发展。     

一种普适性的加权热带气旋风场重构方法

台风浪模拟是海洋和海岸工程中开展重现期波浪推算的关键环节。本文在系统分析历史热带气旋近中心最大风速、大风风圈以及CCMP风场特征的基础上,提出了一种热带气旋影响范围计算方案,改进了加权热带气旋风场重构方法。以该方法重构的热带气旋风场为驱动,采用WAVEWATCH Ⅲ模型模拟了南海28次台风浪过程,并用南海北部88个站次的风、浪观测资料对重构后的风场及模拟浪高进行检验。检验结果显示:风速(台风浪高)的重构值(模拟值)与观测值吻合良好,改进后的加权热带气旋风场重构方法有较强的普适性。     

湖区风环流对湖泊环流影响的探讨和数值模拟

本文对北半球大湖中普遍存在的大规模反时针环流的形成,提出了一种物理解释,认为大气在经过湖体时的地转适应过程产生了一个有利于这种环流形成的附加风场。这种环流的强度在一年四季中是变化的,夏季最强,冬季最弱。在此理论的基础上建立了一个三维非线性水动力学数学模型。数值试验表明,风场的有旋性对这种环流的形成起了决定性的作用。计算得到的环流形态基本上与实测结果相吻合。     

锋与地形的相互作用

一、引 言 锋的地形效应的重要性,早已被天气学界所承认,但是至今尚未对这些效应作出动力学的研究。Bannon(1983)对于一些在表面地形上移动的处在伸展变形场中的准地转锋,求得了分析解。1984年,他得到了更普遍的半地转解,但这个解需要时变地形和低边界层条件部分初值化。Bannon(1983,1984)的研究结果表明,当一条锋在山坡上爬坡运动时,这个锋将减弱,而当它向下坡运动时,则加强。在文中我们将发展一个数值模式,这个模式将会消除Bannon(1984)所用到的近似值。这一模式是Williams(1972)对一个锋生研究的扩展模式的变形。将一个随地形起伏的垂直坐标引入到简化的地形内含中去。还要使用周期性边界条件,变形场的风分量变为正弦的形式,这些边界条件从数值方法的角度来说是比较好的处理办法,而变形场则给出了一个运动着的天气扰动更合情合理的描述。