冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究

南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构,海洋中尺度涡旋的演变(时间上的生消和空间上的迁移)是南海环流季节调整的可能方式。文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实,采用一个改进了涡分辨(eddy-resolving)普林斯顿海洋模式(POM),对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究,初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史。计算结果表明,在实际的气候冬季风应力驱动下,具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋。文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构。由此可以得知,在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段,上述动力学因子的重要性是相对的。不同的敏感性试验表明,斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子;边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素。     

南海海表温度时空分布特征的数值模拟

应用混合坐标HYCOM海洋模式模拟得到南海海表温度17年(1992～2008)的逐月资料,利用经验正交函数分解方法(EOF)得到南海海表温度的时空分布。通过与前人的分析结果进行对比,各个模态的方差贡献率与空间分布型基本一致,说明利用模式模拟可以达到与观测相当的效果。在此基础上,对第二,第三模态的时间系数应用Morlet小波分析,发现均存在半年周期变化,但年周期变化存在明显差别。     

基于GIS 的南海中尺度涡旋典型过程的特征分析

以具有复杂时空演变过程的海洋中尺度涡旋为研究对象,以定量表达和组织涡旋典型过程案例为前提,基于Global NLOM(Naval Research Laboratory Layered Ocean Model)所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表层海流场,对海洋中尺度涡旋进行综合辨认和动态跟踪。以南海为例,通过提取涡旋典型过程中的典型状态,建立中尺度涡旋典型案例库。然后以库中所有过程案例为对象对涡旋进行GIS(Geographic Information System)时空特征分析。所得结果为:(1)南海中尺度涡旋整体上呈东北-西南向分布,涡旋水平移动速度为3~16 cm/s,平均速度为8.4 cm/s。(2)大部分涡旋向西移动。春夏季涡旋主要向西北方向移动,秋冬季涡旋主要向西南方向移动。(3)南海东北部涡旋主要集中在9~10月以及次年的1~2月发生,涡旋先向西北方向移动,后又转向西南方向移动,大部分中尺度涡旋不能西移太远。南海中部气旋涡主要发生在冬、春两季。一部分涡旋沿陆坡向西南运动,其中一些反气旋涡沿南海海盆向西运动。南海东南部在研究期内只有反气旋涡出现,向西或西北偏西运动,这里的涡旋比较弱,但移动距离较长,也有较长的生命周期。南海西南部夏季出现的涡旋多于冬季,且夏季的绝大部分涡旋以偶极子结构出现,该区域涡旋移动的距离较小。该研究引入GIS技术,基于大量时空数据对具有复杂时空特征的中尺度涡旋的信息进行组织、存储,以期通过对涡旋生消过程的时空分析来揭示其演变规律,为进一步研究海洋涡旋的空间推理预测奠定了坚实的基础。     

涡分辨率模式模拟的南海中尺度涡旋

Mesoscale eddies(MEs) in the South China Sea(SCS) simulated by a quasi-global eddy-resolving ocean general circulation model are evaluated against satellite data during 1993–2007. The modeled ocean data show more activity than shown by the satellite data and reproduces more eddies in the SCS. A total of 345(428) cyclonic eddies(CEs) and 330(371) anti-cyclonic eddies(AEs) generated for satellite(model) data are identified during the study period, showing increase of ~24% and ~12% for the model data, respectively. Compared with eddies in satellite, the simulated eddies tend to have smaller radii, larger amplitudes, a slightly longer lifetime, faster movement and rotation speed, a slightly larger nonlinear properties(U/c) in the model. However, the spatial distribution of generated eddies appears to be inhomogeneous, with more CEs in the northern part of SCS and fewer AEs in the southern part. This is attributed to the exaggerated Kuroshio intrusion in the model because the small islands in the Luzon Strait are still not well resolved although the horizontal resolution reaches(1/10)°. The seasonal variability in the number and the amplitude of eddies generated is also investigated.     

南海海表温度日变化特征及其影响因素研究

利用国家海洋环境预报中心的逐时海表温度（SST）数据和欧洲中期数值预报中心的ERA5数据集研究了南海海表温度日变化（DSST）的特征及其影响因素。研究结果表明：南海区域的DSST平均为0.56℃,总体呈纬向分布,近岸海域DSST幅度较大,但超过1.5℃的日增暖事件发生频次较少;南海DSST具有显著的季节变化特征,总体表现为春季最大（约0.7℃）,冬季最小（约0.2～0.3℃）;净辐射通量日变化和风速的季节变化是影响南海DSST季节变化的主要原因,南海月平均DSST与净辐射通量日变化的季节变化具有很好的一致性,DSST随着净辐射通量日变化的增加而增大,但DSST与风速的变化关系则相反;南海季风对南海DSST的季节变化也有着重要影响;南海SST具有明显的日循环特征,通常在每日16时到达峰值,08时到达谷值;影响南海SST日循环的主要因素为净辐射通量的日循环,风速日循环的影响相对较小。     

南海中尺度涡旋对热带气旋的响应：个例研究

利用TOPEX／POsEIDON和Jason—1卫星高度计,SeaWiFS水色传感器和TMI微波成像仪等卫星遥感资料研究了南海中尺度涡旋对热带气旋“玲玲”（Lingling,0123）、“灿都”（Chanthu,0405）和“榴莲”（Durian,0621）的响应,得到以下研究结果：（1）位于热带气旋“玲玲”和“榴莲”移动路径右侧的冷涡在热带气旋经过后增强,表现在海面高度距平和海表温度的较大幅度下降,以及叶绿素a的爆发性升高;（2）位于“玲玲”移动路径左侧以及“灿都”路径上的暖涡在热带气旋经过后减弱,表现在海面高度距平和海表温度的下降,而叶绿素a变化不太明显;（3）当热带气旋“玲玲”和“灿都”经过暖涡时,热带气旋的强度迅速增大,这表明暖涡可能有助于热带气旋的加强．     

黑潮入侵优化对南海北部中尺度涡旋模拟的影响

基于高分辨率海洋环流模式,通过比较吕宋海峡处地形优化后的黑潮入侵形态和强度不同的试验,我们研究了黑潮入侵优化后对南海中尺度涡模拟的影响。我们发现黑潮入侵的减弱导致了涡旋活动的减弱,这使得模式结果与观测结果更为相近。在这种情况下,模式模拟的吕宋海峡西部及北部陆坡区域的涡动动能明显减弱。模式涡动动能的减弱与模式反气旋式涡数量的减少和气旋式涡强度的减弱有关。涡动动能收支的分析进一步表明,黑潮入侵的优化将通过改变水平速度切变和温跃层斜率来改变涡动动能,而这两个参数分别与正压和斜压不稳定性有关。前者在模式涡动动能减弱中起着更为重要的作用,而黑潮入侵导致的涡动动能的水平输送对吕宋海峡西部区域的能量收支同样起着重要的作用。     

基于粗糙集的南海中尺度涡旋时空关系抽取研究

南海中尺度涡旋形成机制复杂,影响因素众多,数值模拟、定量统计等方法在分析涡旋时空关系上尚存在一定局限性。采用了粗糙集理论,在不添加任何先验信息的基础上,进行南海中尺度涡旋时空关系的表达,并以2003年11月至2009年6月遥感反演图像中提取的涡旋数据为例,分别以海区、产生时间、涡旋类型为决策属性,抽取南海中尺度涡旋的时空关系规则。通过对时空关系规则的分析,分别从时间、空间以及类型上描述了南海中尺度涡旋的具体特征。研究结果表明,南海暖涡多发生于南海东南部以及中部,多发生于冬季,强度涡度都较低,中心区域温度较高,多发生于水深较浅的区域,并且移动距离较小。冷涡则多发生于南海西南部以及南海东北部,多发生于春、秋两季,强度涡度都较高,中心温度偏低,多发生于水深较大区域,移动距离也较大。     

印度洋-南海海域海表风场的时空分布特征

利用来自ECMWF的ERA-40风场资料,采用EOF、线性回归等方法,分析了1958-2001年期间印度洋-南海海表风场的时空分布特征。结果表明：（1）该海域背景特征存在两个比较明显的高值区：索马里附近海域、南海海域,分别反映的是夏季索马里附近海域强劲的西南季风、南海冬季频繁的冷空气。（2）该海域海表风场的第二模态在空间分布特征上,北印度洋中纬度海域与赤道附近海域呈反位相分布,40°S 与60°S 海域也呈反位相分布;第三模态则整个北印度洋与南印度洋呈反位相分布。（3）1958-2001年期间,印度洋-南海的海表风速整体上呈显著性逐年线性递增,尤其以1975-1980年期间的递增趋势最为强劲,1975年的年平均风速为近44年的最低点。     

基于自动探测方法的南海北部涡致海表温度锋面的特征研究

南海北部具有丰富的温度锋面和中尺度涡,它们调节着局地的热量和能量平衡。本文利用卫星海洋高度异常和海表温度数据,并基于自动探测方法,探究了2007年至2017年南海北部中尺度涡边缘的海表温度锋面（涡致锋面）特征。反气旋/气旋边缘出现锋面的概率可达20%。气旋涡在各个方向上出现锋面的概率比较均匀,反气旋涡的东北部和西南部出现锋面的概率大于西北部和东南部。中尺度涡致锋面的数量有明显的季节变化,而涡动能未表现出明显的季节变化。中尺度涡致锋区的总涡动能是中尺度涡内动能的3倍,并且反气旋涡致锋面的总涡动能明显强于气旋涡致锋面的总涡动能。中尺度涡致锋面的数量和涡动能的年际变化与厄尔尼诺南方涛动指数没有明显的相关性。本研究也讨论了中尺度涡致锋面的可能机制,但是中尺度涡对海表温度锋的贡献需要进一步定量研究。     

基于卫星测高的南海中尺度涡统计特征研究

采用卫星测高数据SLA,通过对相同时间内不同卫星的数据以及同一卫星不同时间段的数据处理结果进行分析,来探讨卫星的识别能力和南海中尺度涡的时空分布规律。通过分析ENVISAT和Jason-2高度计2009年数据资料所识别出的eddy可以得出,在时间上,南海中尺度涡具有季节分布特征,即冬、夏季的中尺度涡具有明显的典型的分布特征,而春、秋季节的冷暖涡数量相差不大,具有过渡特征;在空间上,南海eddy多分布在越南东南部以及14°N~18°N,111°E~113°E海域。通过分析ENVISAT、Jason-2和j1n(Jason-1 on its new orbit)的3颗卫星融合数据,与单颗卫星相比,发现融合数据具有更强的识别能力,可以监测出更多的涡流。     

日本海中尺度涡旋时空变化特征研究

本文利用1993–2019年基于海表面高度异常的涡旋数据集和高度计数据统计分析了日本海区域中尺度涡旋的大小、极性、生命周期、振幅、传播等表面特征的时空变化规律。27年间,共探测到1 429个涡旋,气旋和反气旋数量基本相当,其中气旋675个,反气旋754个。两种极性涡旋均具有较强的季节变化：秋季较多,冬季次之,春季最少。郁陵盆地、大和盆地等为涡旋多发区域呈现西南–东北向带状分布。其中,南部海域反气旋占优,靠近津轻海峡的北部海域气旋占优。西部和南部受东韩暖流和对马暖流的驱动,涡旋移动方向与流场基本一致,北部涡旋与黎曼寒流以及副极地锋流有关。研究表明,动力学不稳定是涡旋在秋冬季大量产生的重要原因。此外,半封闭盆地、局地流场以及复杂的海气相互作用等都可能会对涡旋的产生和消亡造成一定影响。     

卫星和模式数据分析的南海中尺度涡的统计特征

为了进一步了解南海中尺度涡的统计特征,利用OFES数据资料和最新的AVISO卫星资料,采用速度矢量涡旋识别方法和空间距离搜索法,对南海中尺度涡的特征加以统计分析。结果表明,南海海域是中尺度涡的多发区,尤其是在南海北部靠近吕宋海峡的区域存在较多的中尺度涡,这些中尺度涡的运动方向都是自东向西;同时在南海的西边界流区也存在较多的中尺度涡,它们的运动轨迹则是与局地的表层流的方向有很大的关系,有很多是自南向北运动。同时西北太平洋的西边界流处也有大量的Rossby波以中尺度涡的形式传来。     

利用drifter资料分析南海北部涡旋特征

利用卫星跟踪的drifter表面漂流浮标轨迹资料,对南海北部的涡旋特征进行了时空分布统计分析,特别是卫星高度计资料无法分辨出的次级中尺度涡旋的特征,并初步分析了其动力机理。研究发现南海北部半径小于10km的次级涡旋要占所有涡旋的绝大部分,涡旋平均半径可达11.7km,反气旋涡数量与气旋涡数量之比约为2.6∶1。研究结果可为未来在南海布放drifter浮标提供技术参考。     

南海东北部中尺度涡对海表叶绿素a浓度的影响规律研究

基于南海东北部1998~2019年的多源卫星遥感数据和风场再分析数据, 较系统地分析了南海东北部涡旋内部叶绿素a浓度的分布特征, 通过量化统计和涡心坐标系参数合成等方法探究了中尺度涡对叶绿素a浓度变化的影响规律及潜在机制。结果表明: (1)南海东北部约有60%的中尺度涡旋内部存在叶绿素a浓度增加和减少的现象。(2)南海东北部中尺度涡内部叶绿素a扰动受到涡旋抽吸和涡致Ekman抽吸机制的共同调控, 其中约有38% (39%)的暖(冷)涡内涡旋抽吸的贡献更大, 21% (24%)的暖(冷)涡内涡致Ekman抽吸的贡献更大。(3)南海东北部中尺度涡生命周期内的海表叶绿素a浓度变化存在显著的阶段性差异, 在冷暖涡的生成期, 涡旋抽吸的作用更为显著, 而在冷暖涡的顶峰和消亡期, 涡致Ekman抽吸的作用更为明显。上述研究结果有助于理解南海东北部初级生产力对中尺度涡的响应过程与机理, 对认识海洋物理-生物耦合过程具有一定的参考价值和研究意义。     

南海海表温时空演变与南海夏季风爆发早晚相关性初探

利用我国近海1986-2008年间的海温再分析资料,分析了南海海温异常的时空变化,重点揭示了南海夏季风爆发前后(4-6月)南海表层海温异常的时空演变特征,并探讨了其与南海夏季风爆发早晚的相关关系。结果显示,南海夏季风爆发前后南海表层海温异常存在一个显著时空演变模态,4月南海全域海表温度异常几呈负位相态势,其中正值信号首先出现于巴拉望岛以西海域,随后逐步向西向北扩展,5月南海大部已被海表温异常正位相控制,6月南海表层海温异常完成负-正位相转换。分析表明,南海表层海温异常时空演变的年际差异与南海夏季风爆发的早晚存在显著相关。综合已有研究认为,南海海表温异常时空演变所形成的季节内尺度的热力差异(主要包含演进趋势、速度和幅度等)可能是影响南海夏季风爆发早晚的一个重要因子,据此建立了海表温温差异常指标,其对南海夏季风爆发早晚具有较好的反映能力。此外,南海海表温异常时空演变与南海暖池的变化紧密关联。相关分析还发现,南海夏季风爆发前期南海暖池与印度洋暖池的海表温差异常存在显著正相关关系,而与西太平洋暖池为负相关关系。南海海表温异常季节内演变在印-太暖池区海表热力格局及差异形成背景下或可通过影响大尺度经向和纬向环流而引发南海夏季风爆发早晚之年际异常。     

ENSO背景下南海海表温度异常的跷跷板模态

基于多种海洋气象数据,对南海海表温度距平在ENSO背景下的年际变化特征进行了分析。发现南海海表温度距平具有明显的东北-西南反向变化的跷跷板模态:在厄尔尼诺年,南海西南部以越南南部沿岸为中心有明显的升温现象,东北部特别是吕宋海峡附近有明显的降温现象,拉尼娜年份相反。分析南海海表面的净热通量收支,发现除北部较浅的沿岸海外,其对海表温度升高起抑制作用。研究显示,南海海表温度异常的跷跷板模态主要与海洋动力结构变化相关。在厄尔尼诺年,南海西南部正的风应力旋度减弱,Ekman抽吸减弱,冷水上涌减少,导致温度升高;而东北部,则可能是由于低温的吕宋贯通流增强导致的温度降低。     

南海海盆中尺度涡移动速度统计分析

基于1993-2017年卫星高度计数据得到的中尺度涡追踪产品,分析了1000 m以深南海海盆中尺度涡移动速度C的时空分布特征。结果表明,南海海盆气候态平均的中尺度涡纬向移动速度c_x均为西向,经向移动速度c_y在海盆西北侧为南向,东南侧为北向。c_y随经度的变化与背景经向流的变化一致,相关系数达0.96,而c_x的变化与背景纬向流和β效应有关。c_x和C存在明显季节变化,夏季最慢,冬季最快。年际变化上,c_x和c_y的大值多发生在太平洋年代际涛动（PDO）负位相期的La Nina年。中尺度涡在其生命周期的开始和结束阶段（即生成和耗散阶段）移速较快,而在稳定的“中期”阶段移动缓慢。该趋势与涡旋转速呈反相关,相关系数为-0.93。以移速小于1.5 cm/s和大于15.4 cm/s定义的极慢和极快涡旋,分别占总涡旋数量的1.5%和1.9%。移速极慢的涡多出现在海盆的中部,且主要发生在夏季;移速极快的涡多出现在海盆的边缘,且主要发生在冬季。机制分析显示,南海海盆中尺度涡移动速度的时空分布受到大尺度背景流场调制。     

挟带黑潮高盐水的中尺度涡在南海北部的时空特征

吕宋海峡处涡致输运显著影响南海北部的热盐平衡。本文利用1993—2018年间的AVISO卫星数据,识别和筛选了南海北部76个黑潮脱落反气旋涡、46个黑潮伴生气旋涡、29个南海局地反气旋涡和40个南海局地气旋涡。分析发现,四类涡旋的平均非线性系数均远大于1,证实了筛选涡旋具有黑潮高盐水输运能力。涡旋传播路径受南海北部地形影响,在西向传播过程中向西南向偏移。相较于气旋涡,反气旋涡形成之后向南海北部移动了更远的距离。涡旋多形成于吕宋海峡中部,而随着纬度的升高或降低,形成概率逐渐减小。脱落(伴生)涡旋多形成于秋冬两季而夏季最少,以反气旋涡居多,平均每月反气旋涡要比气旋涡多2.5个;年平均脱落(伴生)涡旋数目约为4.6,且气旋涡并不是每年都形成。整体上,El Ni?o事件通过影响黑潮路径而使得黑潮脱落或伴生的涡旋数目增多。     

南海珊瑚礁区34年卫星遥感海表温度变化的时空特征分析

选取NOAA OISST数据集的1982-2015年南海月平均海洋表面温度（SST）,先对东沙、西沙和南沙礁区海域的多年SST进行时间尺度上的统计,然后对该数据集进行距平场的经验正交函数（EOF）分解,研究南海海表温度的时间和空间年际变化特征。研究显示:（1）不同的礁区海域SST升温趋势不同,东沙礁区海域SST升温趋势最明显（0.216℃/（10 a））,西沙和南沙礁区SST的升温趋势分别为0.180℃/（10 a）和0.096℃/（10 a）;（2）西沙和南沙礁区全年处于珊瑚生长的最适海温范围内,东沙一年中有4个月海温较低,SST最高的月份分别集中在7月（东沙礁区）、6月（西沙礁区）和5月（南沙礁区）;（3） EOF第一模态的空间分布显示南海SST变化是同相位的,由西北—东南振幅量值递减,在礁区振幅从大到小依次为东沙、西沙、南沙;（4） EOF第一模态时间系数显示南海SST变化与El Niño事件相关。南海海表温度异常场与Niño3.4指数的相关性分析显示两者关联度最高为0.723,平均关联度也高达0.655;南海SST的变化滞后Niño3.4区7~8个月。综上,在全球变暖背景下,南海SST的变化不仅受到El Niño事件的影响,其不断上升也在悄然威胁珊瑚的正常生长。