海-陆-气耦合模式中海洋分量的温盐模拟分析

基于OASIS耦合器,发展了一套具有较高分辨率并行化的海-陆-气耦合模式,并进行了30年以上的耦合积分。为了评估模式中海洋分量的基本性能,首先考察了耦合模式对"气候漂移"的控制,然后对比分析了耦合与未耦合海洋环流模式模拟温度和盐度的气候态特征和季节变化,结果显示耦合模式的模拟结果中没有出现明显的"气候漂移现象",同时能较好的模拟全球大洋温盐分布的基本特征和季节变化。     

新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统

依托国家重点基础研究（973）计划项目"上层海洋对台风的响应和调制机理研究",中国气象局上海台风研究所联合国家海洋局的相关单位,通过实施近海台风的外场观测科学试验、加强台风边界层（特别是海气相互作用）物理过程诊断分析及参数化方案等的研究,建立并改进了台风强度预报的海-气-浪耦合预报模式系统,并在此基础上发展了台风强度的集合预报技术,在历史典型台风个例和2016-2017年台汛期的业务化测试中表现出良好的预报性能。     

IPCC耦合模式对北太平洋海-气系统冬季重现的模拟

冬季重现(再现)是中高纬度大尺度海表温度重要的持续性特征,是热带外海洋特有的现象。北太平洋大气环流也存在这一现象,它可能会强迫产生这一海域海温的冬季重现。本文利用IPCC 20C3M耦合模式资料,评估了耦合模式模拟北太平洋海–气系统冬季重现的能力。北太平洋海温冬季重现的空间范围是海盆尺度的,中部重现时间比其周围晚。大气环流场的冬季重现主要是在北太平洋中部,它与海温冬季重现关系密切。大多数IPCC耦合模式基本上可以模拟出太平洋海温大范围的冬季重现现象。与重现范围的模拟相比,耦合模式对重现时间地理差异的模拟都比较差。各模式对大气环流冬季重现时空分布特征的模拟较差,大部分模式未能模拟出大气环流场中主要的重现区域。而且,大气环流冬季重现对海温重现的可能影响并没有体现在这些耦合模式中。耦合模式对北太平洋大气冬季重现的模拟还有待改善。     

夏季长江口及其邻近海域挥发性卤代烃的分布和海-气通量研究

运用吹扫-捕集气相色谱法测定了2017年夏季长江口及其邻近海域海水中4种常见的挥发性卤代烃（VHCs,包括一氟三氯甲烷（CFC-11）、碘甲烷（CH₃I）、三氯甲烷（CH₃CCl₃）和四氯乙烯（C₂Cl₄））以及大气中CFC-11、CH₃I和C₂Cl₄的浓度。结果表明,表层海水中4种VHCs浓度的水平分布受长江径流输入影响强烈,整体上呈现近岸高、远海低的趋势。垂直方向上4种VHCs浓度最高值出现在10 m水层,长江口内断面的浓度整体高于口外断面的浓度。海水中VHCs的浓度分布受水文环境、生物释放和人为因素等的共同影响。相关性分析表明CH₃I与Chl a浓度不存在明显的相关性,而CFC-11与CH₃I、C₂Cl₄浓度存在显著相关性（P<0.01）,表明调查海域人为源对CH₃I和C₂Cl₄的影响大于天然源。大气中CFC-11、CH₃I和C₂Cl₄的浓度分布整体上呈现近岸高、远海低的趋势。CFC-11的浓度低于全球平均值,表明我国CFC-11的排放得到了有效控制。后向轨迹分析表明来自近岸的陆源污染物的扩散和输送是调查海域大气中3种VHCs的重要来源。CFC-11、CH₃I和C₂Cl₄的海-气通量平均值分别为24.99 nmol/（m2·d）、7.80 nmol/（m2·d）、1.55 nmol/（m2·d）,表明夏季长江口及其邻近海域是大气中这3种VHCs的源。     

海浪对北太平洋海-气二氧化碳通量的影响

利用4种海-气界面气体传输速率公式对比研究了北太平洋气体传输速率及其CO₂通量的季节变化特征。与单纯依赖风速的算法相比, 考虑波浪影响的气体传输速率和CO₂通量在空间分布和季节变化上具有明显差异。在低纬度地区(0°～30°N), 波浪参数使气体传输速率下降, 海洋对大气CO₂的吸收减少, 而在30°N以北范围内则出现新的气体传输速率高值区, 海洋对大气的吸收增加。进一步研究了黑潮延伸体区域的气候态月平均气体传输速率和CO₂通量。结果表明, 该区域气体传输速率和CO₂通量最大值分别出现于冬季和春季, 引入波浪参数后, 虽然该区域气体传输速率和CO₂通量平均值没有明显差异, 但季节变化强度显著增强。     

热带三大洋海-气耦合主模态及其相互作用的研究进展

从地球气候系统的角度,回顾了国内外热带太平洋、大西洋和印度洋海洋-大气相互作用研究,特别是有关这三大洋海-气耦合主模态研究已取得的成就;提出了热带印度洋、大西洋在被热带太平洋“充电”的同时,如何通过大气桥“放电”,从而改变热带太平洋海洋动力过程是目前面临的重要科学问题.指出了海洋动力过程在三大洋相互作用中的重要性.     

气体交换速率和时间平均尺度对海-气碳通量估计的影响

基于卫星资料建立的CCMP风场、ECMWF波浪和最新CO₂分压数据, 分别用4种以风速为单参数和2种包含海况影响的双参数气体交换速率公式, 估算了全球海-气CO₂通量, 发现前者的结果比后者平均小30%左右, 从整体上看, 与单参数公式相比, 双参数公式使得海洋中CO₂源和汇的强度均明显增强。在此基础上, 讨论了时间平均尺度对海-气CO₂通量估计的影响, 结果表明, 标量平均法比矢量平均具有更好的稳定性, 但依然使得短时间平均比长时间平均得到的CO₂通量值要大, 月平均与6 h平均相比, 单参数公式和双参数公式分别使海洋的净吸收量减少33%和5%, 说明双参数公式具有较好的稳定性。研究还发现, 1988-2009年间, 全球平均风速有增大的趋势, 2006年前后出现一个极大值, 但相应的CO₂年净通量基本保持稳定, 甚至其绝对值有所减小、海洋的吸收能力减弱的倾向。     

基于南海观测平台的海-气界面CO_2通量研究

利用南海北部的海上综合观测平台,开展了基于涡相关方法的海-气界面CO2通量的长期观测,得到了2010年9月至2012年9月近2年的海-气界面CO2通量数据,结果分析表明,观测平台附近海域全年表现为一个碳汇,年平均值为-0.088 mg m-2s-1,存在明显的季节变化规律,秋冬季节海洋表现为一个强碳汇,春季海洋依然是一个碳汇,但强度明显减弱,而夏季海洋呈现不稳定的源汇变化特征;从日周期特征上看,夜间通量强度较强,白天减弱;进一步的分析表明,海上风和大气稳定性对海-气界面CO2通量有明显的贡献。     

区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性研究

本文回顾了近年来海表粗糙度参数化研究成果,借助COARE算法对四种粗糙度参数化方案下海浪对海气界面通量及大气底层运动的影响进行分析,并对高海况条件下,区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性进行了初步的探讨。研究表明：海表粗糙度受海面波浪状态的影响,在其参数化方案中考虑波龄的作用后,在高风速、低波龄区,波浪作用使海气界面上的动量和热量通量显著增加;波浪通过参与海气界面上的动力和热力作用影响低层大气运动,低波龄条件下,波浪作用使大气运动减弱,高波龄条件下,波浪作用较小;区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案较敏感,不同的参数化方案对台风路径影响不大,对台风强度影响显著,从本文的个例来看,采用Smith92和Liu07方案的模拟结果更接近实测值。本文的研究结果为更合理的参数化海气界面的物理过程,提高耦合模式的模拟准确率提供了一定的参考。     

北黄海海水中挥发性卤代烃的分布和海-气通量研究

用吹扫-捕集气相色谱法对北黄海常见的4种挥发性卤代烃(VHC)的研究表明,秋季北黄海表层海水中CHCl3,C2HCl3,CHBr2Cl和CHBr3的浓度和平均值分别为9.9~63.4(14.1±8.1),7.1~29.4(15.4±6.2),0.1~30.3(8.8±10.0)和4.2~56.4(21.6±12.2)pmol/dm3。这4种VHC在水平分布上呈现一定的空间变化,其浓度可能是陆地径流、人为活动和生物产生的影响程度不同造成的。VHC在垂直分布上受到地理位置和水文条件的不同影响,在不同站位有较大差异。周日变化研究表明,VHC具有一定的周日变化特征,受光照和潮汐等因素的共同影响最大值均出现在13:00—16:00。采用Liss和Slater双层模型理论对北黄海表层海水和大气之间CHCl3,C2HCl3和CHBr3的海-气通量进行估算,得到这3种物质在北黄海的海-气通量平均值和范围分别为14.8(0.2~104.4),23.2(1.8~93.0)和15.6(0.7~55.1)nmol/(m2.d)。结果表明,在秋季该研究海域是大气CHCl3,C2HCl3和CHBr3的源。     

一个高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式的初步结果

利用LASG/IAP发展的一个0.25°×0.25°高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式,初步分析了模式在太平洋区域的模拟结果,并与海洋同化资料以及前人的研究结果作比较,检验此模式对该区域平均气候态、年际变化的模拟能力。分析表明,模式较好地再现了海表温度（SST）分布、赤道温跃层和纬向流结构、赤道流系分布形态、海表高度以及正压流函数空间分布特征;同时,对显著的El Ni?o和La Ni?a事件的模拟等方面与Simple Ocean Data Assimilation（SODA）2.0.2版本结果相近。此外,模式模拟北赤道流（NEC）分叉点位置的季节和年际变化以及吕宋海峡流量的年际变化与已有研究结果基本一致。进一步分析还发现,在年际尺度上,NEC分叉点位置和吕宋海峡流量与ENSO密切相关。     

基于海气耦合模式的均权重粒子滤波与集合卡尔曼滤波比较研究

在大气和海洋环境研究中,粒子滤波(PF)由于在非线性数据同化方面突出的优势,逐渐成为研究热点。最近改进的均权重粒子滤波(EWPF)为粒子滤波的进一步发展指明了新方向。集合卡尔曼滤波方法 (EAKF)作为当前主要应用的数据同化方法,使用高斯假设和线性假设来解决非线性问题,然而对均权重粒子滤波方法和卡尔曼滤波方法在非线性模式下的同化结果和特点还缺少系统详细的比较研究。本文在非线性耦合气候模式下,比较研究两种同化方法,采用均方根误差(RMSE)作为评价比较标准。实验结果表明,在非线性低频观测耦合模式中EWPF结果均优于EAKF。同时根据RMSE的结果得出,EWPF的同化结果更接近观察结果,而EAKF的同化结果更接近模式真值。     

Generation of equatorial Atlantic warm and cold events in a coupled general circulation model simulation

Warm and cold events in the Gulf of Guinea, characteristic of the tropical interannual variability, can be generated in several ways. This emerges from a statistical analysis of 200 years of interannual variability simulated by a coupled ocean–atmosphere General Circulation Model. The application of a clustering technique to the anomalies of the thermal energy stored in the upper oceanic layers leads to the separation of the events, either warm or cold, into a number of classes, each of them distinguished by a particular generation scheme. The physical mechanisms involved are identified by examining the contributions of the various terms in the mixed layer tendency equation.
Basically, those few classes can be sorted into two larger groups. In one of them, the onset stage is characterized by an eastward propagation of the anomalies. Atmospheric flows play a leading part in the generation of events within this group. In the second group, thermal energy anomalies are generated in situ in the Gulf of Guinea, and it is mixing that gives the most important contribution to the development of the events.
The different classes are related to different seasonal signatures and also to differences in the influence of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO). While some of the classes are strongly influenced by ENSO, while in others this influence is not significant. This can explain the barely significant correlations between ENSO and the Atlantic warm events, a feature that the simulation analyzed here shares with the observations.     

Simulation of climate changes in the 20th–22nd centuries with a coupled atmosphere-ocean general circulation model

The results of numerical experiments with a coupled atmosphere-ocean general circulation model on the reproduction of climate changes during the 20th century and on the simulation of possible climate changes during the 21st–22nd centuries according to three IPCC scenarios of variations in the concentrations of greenhouse and other gases, as well as the results of the experiments with the doubled and quadruple concentrations of CO₂, are considered. An increase in the near-surface air temperature during the 20th century and the features of the observed climate changes, such as warming in 1940–1950 and its slowing down in 1960–1970, are adequately reproduced in the model. According to the model, the air-temperature increase during the 22nd century (as compared to the end of the 20th century) varies from 2 K for the most moderate scenario to 5 K for the warmest scenario. This estimate is somewhat lower than the expected warming averaged over the data of all models presented in the third IPCC report. According to model data, in the 22nd century, under all scenarios, at the end of summer, a complete or almost complete sea-ice melting will occur in the Arctic. According to the model, by the year 2200, the sea level will vary by 20 to 45 cm as compared to the level at the end of the 20th century.     

山东5月降水异常环流型及其与海温异常的联系

利用1981-2019年NCEP/NCAR再分析资料和观测降水资料,对山东5月降水多(少)雨年环流特征进行分型,分析前期海温影响大气环流进而影响降水的过程.结果表明:典型多(少)雨年,亚洲中高纬环流呈"-、+"("+、-")距平分布,盛行纬(经)向环流,东亚大槽偏弱(强).前期冬春季黑潮区和热带印度洋海温是影响山东5月...     

利用热带太平洋TAO浮标阵列评估全球高分辨率浪-潮-流耦合模式同化结果

In order to evaluate the assimilation results from a global high resolution ocean model, the buoy observations from tropical atmosphere ocean(TAO) during August 2014 to July 2015 are employed. The horizontal resolution of wave-tide-circulation coupled ocean model developed by The First Institute of Oceanography(FIOCOM model) is 0.1°×0.1°, and ensemble adjustment Kalman filter is used to assimilate the sea surface temperature(SST), sea level anomaly(SLA) and Argo temperature/salinity profiles. The simulation results with and without data assimilation are examined. First, the overall statistic errors of model results are analyzed. The scatter diagrams of model simulations versus observations and corresponding error probability density distribution show that the errors of all the observed variables, including the temperature, isotherm depth of 20°C(D20), salinity and two horizontal component of velocity are reduced to some extent with a maximum improvement of 54% after assimilation. Second, time-averaged variables are used to investigate the horizontal and vertical structures of the model results. Owing to the data assimilation, the biases of the time-averaged distribution are reduced more than70% for the temperature and D20 especially in the eastern Pacific. The obvious improvement of D20 which represents the upper mixed layer depth indicates that the structure of the temperature after the data assimilation becomes more close to the reality and the vertical structure of the upper ocean becomes more reasonable. At last,the physical processes of time series are compared with observations. The time evolution processes of all variables after the data assimilation are more consistent with the observations. The temperature bias and RMSE of D20 are reduced by 76% and 56% respectively with the data assimilation. More events during this period are also reproduced after the data assimilation. Under the condition of strong 2014/2016 El Ni?o, the Equatorial Undercurrent(EUC) from the TAO is gradually increased during August to November in 2014, and followed by a decreasing process. Since the improvement of the structure in the upper ocean, these events of the EUC can be clearly found in the assimilation results. In conclusion, the data assimilation in this global high resolution model has successfully reduced the model biases and improved the structures of the upper ocean, and the physical processes in reality can be well produced.     

锥体导管架海洋平台冰激振动的DEM-FEM耦合分析及高性能算法

在寒区海域,冰荷载是影响海洋平台安全运行的主要环境荷载之一,由其引起的冰激振动给平台结构及其上部设备带来了严重危害。为分析不同冰况下平台的振动响应,本文建立了导管架海洋平台冰激振动的离散元（DEM）-有限元（FEM）耦合模型。采用具有黏接-破碎性能的等粒径球体离散单元对海冰的破碎特性进行模拟,通过由梁单元构建的海洋平台有限元模型获得结构的振动响应。在离散元与有限元的接触区域中实现了两个模型间计算参数的传递。为提高该耦合模型的计算效率和规模,发展了基于动力子结构方法的DEM-FEM耦合模型。为验证该耦合模型的有效性和可行性,将不同冰况下得到的冰荷载与ISO19906和JTS 144-1-2010标准进行了对比。结果表明,计算得到的冰荷载与标准相近,且冰厚与冰荷载呈二次非线性关系。同时,从冰速和冰厚两方面对比了渤海四桩腿JZ20-2 MUQ锥体导管架平台冰激振动加速度的数值结果和现场实测数据,发现冰速与振动加速度呈线性关系,冰厚与振动加速度呈二次非线性关系,并且振动加速度与冰速和冰厚平方的乘积呈线性关系。