海气动量通量研究综述

海气界面动量通量也称为风应力,是海流和表面海浪的主要驱动力,是海洋从大气获得动量的重要途径。因此,合理可靠的海洋表面风应力的参数化对于海洋、大气和波浪以及气候模式的准确预报都具有非常重要的科学意义和实用价值。对风应力拖曳系数的参数化是风应力参数化的主要内容。近来的观测发现,风应力拖曳系数随着风速的增加出现了先增后减的趋势,同时还与海面的波浪状态以及海流有关。基于观测或理论分析,目前已经得到了一系列的风应力拖曳系数计算方法或公式,有的考虑了海浪的作用,有的没有,但这些方案大都是适合中低风速,在高风速下的适用性还有待检验。本文回顾了目前在海气动量通量观测和参数化方面的研究进展,并建议应增加高风速下风速、海流以及海浪等的同步观测,以进一步完善风应力参数化方案。     

基于浮标资料的海气动量交换系数研究

大尺度模型里大气边界层和海洋表面的耦合通常由海表拖曳系数进行参数化,海表拖曳系数一般看作是风速的函数.低风速下的海表拖曳系数一般看作是风速的线性函数,但有研究显示在极低的风速值下,海表拖曳系数并不是随着风速而单调增加的,而是随着风速的增加先减小再增大.极低风速下海表拖曳系数的估计值对不同计算方法有很强的依赖性,低风速下海表拖曳系数随风速的变化规律存在争议.因此,本文对10m处风速进行4种不同平均方法的选取以探究海表拖曳系数随风速的变化规律,为进一步改进海洋模式提供了依据,提升了海洋再分析的业务化能力.     

东亚气候的年代际变化对中国近海生态的影响

回顾了近几十年来中国近海赤潮的发生,利用长时间序列NCEP、ERA-40、HadISST和SODA等大气海洋高分辨率的再分析资料以及经验正交函数（EOF）方法,分析了近50a来东亚气候的异常变化,包括东亚夏季大气环流的年代际变化,东亚大气环流散度场、中国近海表层海温（SST）和经向海面风应力的时空特征及其与中国近海环境和生态异常的联系.结果表明,20世纪70年代末以来,中国大陆东部和东海近岸从长江口至台湾海峡附近海域上空的低层大气辐合表现为年代际增强,与该海域赤潮的发生在气候态时间尺度上有显著的对应关系,而低层大气辐合的偏强则有利于该海域上升流的形成和加强,易促使沉积于海底的营养盐和蛰伏的赤潮藻孢囊（休眠细胞）运移至海水表层;并且,近30a来中国近海出现了SST持续上升和经向海面风应力不断减弱等有利于赤潮发生以及海洋生物地理分布变化的年代际气候异常现象.这表明东亚海洋大气的年代际异常可能是该海域20世纪70年代末以来赤潮等生态灾害频发和中国近海海洋生物地理分布变化尤其是鱼类物种北移的重要原因之一.     

低风速下海面附近气温场对海气动量通量的影响

实用测的海上和层平均风剖面数据和温度剖面数据，通过数据回归和迭代方法计算出了在不同大气稳定情况下的海面阻力系数。得到了与前人理论计算一致的结论：海面阻力系数随海面大气稳定度的增加而减小，另外，我们还发现：在海面风速小于１３ｍ／ｓ时，不能认为气温剖面外推到海面的值与海面水温的是一致的。这样若用海气温差作为衡量海面上方大气的稳定程度，难于得到上面给出了理结论。这一点同前人的理论计算结果是不相同的。     

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。     

中等海气耦合模式对外强迫响应试验方案的能力检验

针对如何得到海洋-大气耦合模式对某外强迫场响应的问题,提出了2种数值试验方案:外加方案和替代方案,并对上述2个方案利用中等海洋-大气耦合模式进行了检验.检验结果表明,运用2个方案中的任何一个都可以基本上达到用该模式模拟对强迫场响应的目的;用海面风强迫的外加方案得到响应场的变化在位相准确性上较好,但会夸大响应场的振幅;在替代方案中,模式对海面风强迫的响应要比对海温强迫的响应更准确.     

中国近海海气界面热通量的反演

应用卫星SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)和AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)遥感资料,使用先进的海气通量计算方法(COARE3.0),计算了中国近海海气界面的感热和潜热通量.计算结果与南海西沙(2002年5月)和文昌(2000年10~11月)实测结果进行比较发现,应用遥感资料获得的海气界面热通量与实测结果非常一致.遥感获得的感热通量和潜热通量与西沙实测结果的均方根误差分别为2.9和29.9 W/m2,与文昌实测结果的均方根误差:2000年10月分别为4.42和43.05 W/m2,2000年11月分别为4.19和40.8 W/m2.与GSSTF2的结果相比,其时空分布变化特征基本一致.根据中国近海遥感资料(1988~2000年)的感热通量的分析,其均方根误差在10.1~12.4 W/m2之间,多年平均均方根误差为11.7 W/m2.潜热通量的均方根误差在34.8~49.7 W/m2之间,多年平均均方根误差为43.2 W/m2.由此可以说明,利用遥感获得的热通量可以用来进行中国近海海气相互作用的研究以及作为我国气候预测研究的重要依据.     

冬春南海海气热量交换对长江中下游汛期降水的影响

一、引言早在50年代初,我国从事气象工作的研究人员,就已提出太平洋海水温度异常对我国汛期降水有着重要影响,并且在这方面的研究中,作出了不少的论述。近年来,随着海洋研究工作的迅速发展,海洋作用越来越引起有关研究人员的注意,尤其在长期天气预报的研究中,海洋作用已成为不可忽视的重要因素。目前,在对长江中下游汛期降水的长期预报研究中,大     

SST年循环对El Niño事件局地海气过程的影响

利用Hadley中心逐月海表温度、欧洲中心ERA-40的10 m风场及CMAP降水资料探讨了年循环对热带太平洋El Niño海气相互作用过程的影响。尽管El Niño对应的海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,经向上呈南北对称分布,然而其对应的大气响应在El Niño年衰减阶段却有着强的向南移动特征。在El Niño发展年的11月之前,强的西风和降水异常主要出现在赤道中太平洋;在12月份之后,赤道上的西风和降水异常迅速南移至5°S,随后西风一直维持在该位置直至衰亡。同时,西太平洋负降水和反气旋异常向北移动。这种SST异常与其大气响应的经向移动不一致,主要是由热带中太平洋气候态SST的季节性南移导致的。由于对流与海温之间存在非线性关系,即当总SST超过一定的阈值,对流降水才会迅速增强;因此相应的对流响应也随着总海温的南移而南移,风场响应也同时南移。此外,南半球增强的对流会通过经向环流进一步抑制北半球的降水,从而使西太平洋负降水和反气旋异常增强并北移。通过分析有/无年循环的两组数值试验结果验证了上述结论,即有年循环的试验较真实地模拟出了观测中异常西风南移和西北太平洋反气旋异常的出现;无年循环试验尽管能模拟出El Niño年赤道中太平洋的西风异常,但其却没有南北向的移动,西北太平洋的反气旋也没有出现。因此,热带中太平洋气候态暖海温的季节循环对El Niño事件大气响应有着至关重要的作用。     

ENSO对中国近海海平面影响的区域特征研究

使用卫星测高、海表温度以及中国沿海台站水位等数据,分析研究了ENSO对中国近海海平面影响的区域特征。结果表明:（1）赤道东太平洋海表温度与我国近海海平面存在显著的遥相关关系。相关系数自北至南呈梯度递增,分为3个影响明显的区域,分别是渤、黄海、东海和南海海域。南海海平面异常与赤道东太平洋区域的海表温度异常相关性最强,大部分区域的相关系数超过了0.6;东海海域海平面异常与赤道东太平洋海表温度的遥相关系数弱于南海,强于渤、黄海,大部分海域的遥相关系数超过了0.4;渤、黄海海域海平面异常与赤道东太平洋海表温度的遥相关系数最弱,但是大部分海域的遥相关系数超过了0.3,通过了显著性检验。（2）中国沿海海平面的季节变化与ENSO有明显的相关关系,且影响范围具有明显的区域特征,以长江口和台湾海峡为分界线分为长江口以北、长江口到台湾海峡以及台湾海峡以南3个区域。海平面的年振幅在厄尔尼诺年均出现偏低的现象,并且年振幅的极小值均出现在厄尔尼诺年。另外,海平面的年振幅对厄尔尼诺事件的响应与其强弱有关,在强厄尔尼诺事件中,响应区域和幅度较大,弱事件中,响应区域和幅度偏小。（3）南海、东海和渤、黄海这3个区域沿海的海平面变化均存在4~7 a的显著振荡周期,说明这3个区域的海平面均受ENSO的影响。其中,南海7 a周期的振荡幅度最大,约为1.5 cm;东海7 a周期的振荡幅度次之,约为1.3 cm;渤、黄海6 a周期的振荡幅度最小,不到1 cm。     

风浪对海-气界面动量通量估计的影响

利用实验室和有代表性的外海观测数据综合分析表明,海面粗糙度对波龄的依赖性与是否将实验室和外海数据一起考虑有关,而风应力拖曳系数与此无关,且随波龄增大而减小.利用Toba-3/2指数律和风浪成长关系的分析表明,风应力拖曳系数为常数或随波龄的增大而增大,与上述结果定性上相矛盾,说明风浪对风应力拖曳系数影响问题需要进一步研究.     

涌浪对风浪能量影响的实验研究

在实验室风浪水槽中进行纯风浪和混合浪波面位移观测,研究波长较长的规则波对风浪能量的影响.本文用混合浪和纯风浪中的风浪显著波的零阶谱矩之比代表混合浪中的风浪与纯风浪能量之比,并以此表征涌浪对风浪能量的影响.研究了该能量比随涌浪波陡S、风区x、波龄倒数u/C、涌浪频率与纯风浪谱峰频率之比fs/fwp的变化规律.结果表明,涌浪对风浪能量的抑制作用随涌浪波陡的增加、波龄倒数的增大及涌浪频率与纯风浪谱峰频率之比的增大而增强.发现该能量比依赖于无因次量R=(1+80(πS)2)1.9(fs/fwp)0.9(u/C)0.27,并拟合得到2者的经验关系.此外,本文实验还发现,在某些情况下,涌浪的存在使风浪能量增加.     

计算分析潮流对海缆路由稳定性的影响

通过野外勘察和室内试验分析结果,了解琼州海峡北海—临高段海缆路由区浅层海底土分布特征和路由区及其附近海区的潮流特征,利用计算的方法分析了10 a和50 a一遇的潮流对海缆路由区冲刷破坏的可能性。结果发现,在琼州海峡海缆路由区海底砂性土平均起动流速(23.2~58.9 cm/s)小于10 a一遇(75.2~93.8 cm/s)和50 a一遇(85.4~113.7 cm/s)的预测流速;海底粘性土的平均起动流速(64.8 cm/s)也小于10 a一遇(76.2 cm/s)和50 a一遇(87.4 cm/s)的预测流速。路由区海底土会因潮流冲刷作用而发生失稳破坏,影响埋设在海底土中海缆的安全。同时,结果还发现潮流对砂性海底土的影响大于对粘性海底土的影响。     

中国近海及其邻近海域海气热通量的模式计算

应用美国宇航局Goddard地球观测系统四维资料同化系统计算和分析了近海海域感热通量和潜热通量的季节性变化规律和地理分布特征.结果表明,近海各季感热通量冬、秋季较大,春、夏季较小.其地理分布特点是冬季感热通量的分布随纬度变化十分明显,纬度越高感热通量越大,且等值线分布密集.在台湾以东、日本以南海域,感热通量等值线呈西南一东北走向.在南海海域,感热通量比周围海域略低,感热通量等值线在该海域呈一低值倒槽分布;潜热通量冬、秋季在台湾东北部、日本南部和东南部海域形成最大值区,等值线呈西南东北走向.春、夏季在黄海海域存在潜热通量的极小值区,同时春季在日本南部海域存在潜热通量的极大值区或最大值区.因为台湾以东、日本以南海域正好是黑潮流经的区域,所以此海域的热通量与黑潮有密切关系.     

海冰快速减退背景下大气动量输入对波弗特流涡长期变化的影响

随着北冰洋海冰快速减退,气–冰–海系统发生显著变化,波弗特流涡也发生显著变化。本文使用实测资料和海洋大气再分析数据,探讨北冰洋波弗特流涡的长期变化和大气动量输入对波弗特流涡变化的影响。波弗特流涡的长期变化可以分为3个典型时期(1980–1995年,1996–2007年,2008–2018年)。最近时期(2008–2018年),波弗特流涡平均流涡强度达到4.39×10–7,相较于第1个时期(1980–1995年),流涡强度增加近2倍,达到稳定的状态。波弗特流涡范围扩大,主体向西北移动;上层海洋斜压性增强。与此同时,上层海洋环流主模态已发生显著转变:1980–1995年,环流主模态为影响整个加拿大海盆的加拿大海盆模态;2008–2018年的主模态则转变为影响整个研究海域的太平洋扇区模态。最近时期,表征气–海之间动量输入的气–海应力显著增加,尤其是夏末秋初的8–10月,与冰–海应力几乎相当。增加的大气动量输入带来平均动能增加,埃克曼泵压效应增强,下盐跃层深度加深,增加的大气动量输入进而导致近年来波弗特流涡的显著增强。加拿大海盆南部是大气动量输入的关键区。     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

晚第四纪热带西太平洋海气CO2交换影响因素

探究海气CO₂交换有助于解析全球碳循环和全球气候变化。由于海水和大气的直接接触,研究表层海水碳酸盐系统变化成为探究海气碳交换的关键。基于已有热带西太平洋表层海水碳酸盐系统研究成果,本文总结了有孔虫壳体B/Ca和δ¹¹B指标重建碳酸盐系统参数的原理、方法及优缺点。然后,从厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)、东亚季风以及大气桥梁和海洋隧道三方面综述了晚第四纪热带西太平洋海气CO₂交换影响因素的研究现状。结果显示,类ENSO通过横向平流和垂向变化分别影响热带西太平洋东端和西端的海气碳交换。东亚夏季风对热带西太平洋海气碳交换具有较强的调控作用,而东亚冬季风的调控作用较弱或不明显。冰消期南大洋深部流通状况增强,可通过大气桥梁(大气CO₂)和海洋隧道(南极中层水)影响热带西太平洋海气碳交换。然而,为了更准确清晰地了解全球碳循环变化,还需针对指标记录的可靠性、覆盖范围以及海气碳交换在更长时间尺度的变化机理等方面开展更多研究。     

中国近海区域浮游植物生态对气候变化的响应

我国近海区域对气候变化高度敏感,浮游植物生态的变化关系到我国近海生态安全.采用重构的遥感数据等资料,分析并综述我国近海区域浮游植物叶绿素a浓度、初级生产力和浮游植物群落结构对气候变化背景下海水升温、风场等环境因子的响应.结果表明,东(南)中国海叶绿素a浓度略有上升(下降)的趋势,但浮游植物群落结构和生物量有明显的变化;其中,微微型浮游植物和甲藻占比增加,小型浮游植物物种成为海区优势种,暖水性种分布区北扩,而这与气候变化背景下海洋热动力环境的长期变化及其对营养盐供给的影响关系密切.分析还指出了气候变化对我国近海区域海洋生态影响研究迫切需要开展的若干工作.     

黑潮区域海—气热量交换对青岛汛期降水的影响

自50年代始,我国的气象工作者就已指出:太平洋海水温度异常,对我国讯期降水有着重要影响,特别是著名黑潮区域的海温变化,对于我国东部沿海地区讯期降水的影响更为显著。这在许多文章中均有论述。近年来,人们开始应用海洋与大气相互作用的观点,进一步分析研究海洋加热场与大气之间的关系,探讨其影响长期天气变化的物理机制。尤其是在黑湖区域海一气热量交换的研究方面,已取得了很大进展。本文将以实际资料分析海—气相互间的关系,进一步探讨黑潮区域海—气热量交换对青岛汛期降水的影响,试图为青岛汛期降水的预报,提供有意义的指标。     

基于ERA5再分析资料的中国近海浅水区域风能潜力评估

风能潜力评估是风电场选址工作的基础工作。本文基于欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析数据,采用风功率密度（Wind Power Density,WPD）中值、容量系数（Capacity Factor,CF）以及鲁棒性变异系数（Robust Coefficient of Variation, RCoV）三种指标,对中国近海浅水区域的风能潜力进行评估,研究结果表明:（1）台湾海峡和东海南部风能资源最为丰富并且风能利用率最高,风功率密度中值和容量系数分别为400~900 和0.45~0.7。总体来看,风功率密度中值从渤海到台湾海峡,呈逐渐增加的趋势,从台湾海峡到琼州湾,呈逐渐减小的趋势,容量系数大小分布情况相似。（2）鲁棒性变异系数大小无明显分布规律,广东湛江近岸海域鲁棒性变异系数在0.70~0.75之间,风能发电量最为稳定,但该地区的风能资源丰富程度较低。（3）福州近岸海域不仅有丰富的风能资源和风能利用率,且发电量较为稳定。在不考虑其它因素的影响下,是中国近海浅水区域建设海上风电场的最佳地点。