北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的动力过程及其成因

北太平洋风暴轴存在一个"深冬抑制"现象,即它在本应最强的深冬时期却比秋末和春初时期弱.基于欧洲中心再分析资料(ERA-40),文章使用多尺度子空间变换(MWT)、基于MWT的正则传输理论与局地多尺度能量分析方法、以及特征追踪技术研究了该反常现象背后的动力过程及其成因,主要结论如下:(1)深冬抑制是由内部过程和外部过程共同造成的,它们包含斜压正则传输、非绝热做功、能量通量辐合和摩擦耗散等.(2)斜压正则传输和非绝热做功在秋季达最强,这使得风暴活动在秋末比深冬强;而在春季,能量通量辐合增强,同时摩擦耗散在整个风暴轴区域大幅度减弱,两者共同的作用使得风暴轴在斜压性很弱的春初也比深冬时期要强.(3)深冬时期斜压正则传输的减弱(相比于秋末)是由于彼时急流位置靠南,其和风暴轨迹中心(位于中高纬度地区)相距较远,急流和风暴系统之间的相互作用受到了抑制;而春季能量通量辐合的增强实际上源自从上游进入太平洋的风暴数目(强度)在春初时期的增多(增强).此外,正压正则传输在深冬抑制中的作用和具体动力过程在文中也做了详细讨论.     

北太平洋海表面高度的年际变化及其机制

利用15年（1993～2007年）月平均的海表面高度（SSH）异常资料,分析了北太平洋海表面高度的年际变化的时空结构,并研究了热通量和风应力两个因子对其的强迫作用.结果表明,北太平洋年际时间尺度SSH变化的大值区在黑潮延伸区和西太平洋暖池区.EOF分解第一模态的空间结构沿纬向呈带状分布,第二模态为沿经向呈带状分布.热通量强迫作用在中纬度的东北太平洋可以解释SSH年际变化40%以上.风应力对SSH的作用包括正压和斜压两个方面.正压Sverdrup平衡模型模拟的SSH年际变化较弱,仅能解释高纬度副极地环流西部的20%~40%.由大尺度风应力强迫的第一阶斜压Rossby波模型可以解释热带地区的20%~60%,中纬度中部的20%~40%,以及阿拉斯加环流东部和副极地环流西部的20%~60%.风应力强迫的一阶斜压Rossby波模型对SSH的强迫机理又可分为局地风应力强迫和西传Rossby波作用.其中,风应力的局地强迫作用（Ekman抽吸）在东北太平洋、白令海以及热带中部有显著的预报技巧,可以解释SSH年际变异的40%以上.Rossby波的传播作用在中纬度海域的副热带环流中西部和夏威夷岛以东起着重要作用,可解释20%~60%.     

西沙群岛西北深水海域的内潮特征分析

基于海南岛至西沙群岛之间深水海域一长达5年的锚定潜标测流资料,采用谱分析、调和分析和动力模态分解等方法主要分析了局部海域内潮的基本特征.结果表明:研究海域的正压和斜压潮均以全日振荡为主,500~900m的海洋中层全日等密度线垂向振幅可达40m;全日内潮主要沿垂直于陆坡方向传播,与天文潮锁相的全日内潮可占全日内潮总能量的41%;海洋上层,O1内潮垂向平均振幅与局地海面高度呈显著正相关关系,K1内潮则表现为夏、冬季增强的半年循环特征;超过70%的O1分潮能量集中于第一、二斜压模态上,K1分潮在第三斜压模态上亦有相当能量.     

南极绕极流对风应力强迫的延时斜压响应

南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current——ACC）对风应力强迫存在两种响应,即正压过程的即时响应与斜压过程的延时响应．主要关注南极绕极流的斜压不稳定机制,即纬向风应力的增强导致南大洋等密面斜率加大,平均流更趋于斜压不稳定;斜压不稳定产生中尺度涡,使得平均流势能向涡旋能量（势能和动能）转化,造成了ACC体积输运在时间上滞后两年的显著减弱．ACC输运与纬向风应力的这种滞后反相关关系可以很好地解释ACC体积输运在近20a保持基本稳定的现象．     

冬季大气斜压性对黑潮延伸体年代际异常响应的维持机制研究

黑潮延伸体(Kuroshio Extension,KE)海域附近具有强烈的大气斜压性可显著影响北太平洋上空风暴轴异常,因而有必要研究KE海区附近斜压性的特征和维持机制.本文设计数值试验并结合高分辨率ERA-Interim资料研究了大气斜压性对KE 年代际海温变率模态(KEDV-induced SSTA,Kuroshio...     

斜压海洋水平大尺度波动各模态能量分布对风的响应

将在南海持续观测近3个月、共28层的潜标海流资料与已有的6 h分辨率的NCEP/NCAR风场资料结合起来进行了分析, 结果表明风场在一个连续的宽频带范围内向海洋上混合层输送能量; 而风的低频异常变化对流场的低频异常变化的作用则是输送能量的“最有效”途径. 但这些能量只有在近惯性频率向混合层以下传播, 并分别按正态分布率分配到正压流、斜压流以及斜压流的各个模态中去. 其中由风引起的正压流与斜压流的能量变化的比值服从正态分布N(0.0242,0.3947); 而前四个斜压模态能量变化在总的斜压能量变化中占的比值也都服从相应的正态分布: 第一斜压模态服从N(0.2628,0.1872), 第二模态服从N(0.1979,0.1504), 第三模态服从N(0.1331,0.1633), 第四模态服从N(0.0650,0.1540).     

2004~2006年奄美大岛以东的琉球海流

基于2004~2006年12个航次的水文资料,用逆方法计算得到了奄美大岛以东AE断面琉球海流的流速和体积流量.再次证实琉球海流具有较稳定的次表层流核结构,流核位于110～600 m深度,并沿AE线分布于27.2°～28.2°N,流核的最大流速为15.1～80.0 cm·s^-1. 12个航次的平均流速断面显示了一个完整的次表层流核,其流核的最大流速为21.3 cm·s^-1, 流核的垂直和水平尺度分别为800 m 和 30 km. 观测结果表明,2004~2006年之间,琉球海流冬季、春季、夏季、秋季和年平均的流量分别为10.9,10.1,5.9,23.9和12.7×10⁶ m³·s^-1,秋季最强,夏季最弱.日本以南黑潮净流量为52.7×10⁶ m³·s^-1, 其中源于吐噶喇海峡黑潮和琉球海流的流量平均比为0.40.     

由GOCE引力场模型和CNES-CLS2010平均海面高计算的稳态海面地形

利用欧空局发布的三组GOCE引力场模型及CNES-CLS 2010平均海面高数据,计算得到了全球的稳态海面地形,进而得到了全球地转流速度图.在此基础上重点对黑潮进行了对比分析.结果表明:GOCE不同组解的稳定性较好,所计算的稳态海面地形的差异基本在厘米量级内,这间接表明了GOCE引力场模型提供的大地水准面的精度达到了厘米量级.此外,通过将GOCE与GRACE相应结果进行对比发现,GOCE可提供更多的局部信息,特别是对于流速快、水流窄的边界流,如黑潮、墨西哥湾流等,GOCE所得结果更加清晰,速度也更精确.     

斜压基本气流对东亚夏季风区气旋扰动低频发展影响的数值模拟研究

本文将夏季气候平均的基本气流分解为正压和斜压分量,使用一个线性斜压模式,研究了不同斜压基本气流对热带西北太平洋地区初始气旋性环流扰动低频发展演变的重要作用.其中,控制试验较好地模拟出初始气旋扰动向西北方向传播、在西北太平洋季风槽附近停滞增强、在东亚地区出现经向波列和在南海到海洋大陆地区形成西北—东南向波列等特征.改变斜压分量的敏感性试验结果表明,正压基流不能为西传的初始扰动供给足够的能量;海陆热力差异引起东亚地区的纬向温度梯度和北风垂直切变,是东亚太平洋型经向波列形成和维持的重要因素;当基本气流中的斜压纬向偏差部分线性增大时,扰动的能量会呈e指数迅速增强,提示在气候变化的背景下,基本气流微小的改变可能带来天气或季节内扰动强度的剧烈响应.     

1997—1998年El-Nio至La-Nia期间东海黑潮的变异

基于日本“长风号”调查船在 1 997与 1 998年 1 0个航次的CTD资料 ,采用改进逆方法及改进动力计算方法对东海黑潮的流速、流量进行计算 .1 997年 5月出现了El Ni no现象 ,东海黑潮流量在 1 997年夏季减少 ,1 997年东海黑潮的平均流量也减少 .在 1 997年 1月与 6— 7月 ,即El Ni no现象出现前后 ,东海环流的流态有些不同 .在 1 998年 4至 1 1月黑潮在PN断面出现多流核心的结构 ,特别在 1 0— 1 1月出现 3个流核心 ,黑潮主流核的位置秋季时东移 .1 995年与 1 998年都是东海黑潮异常年 ,这些异常现象可能与冲绳岛以南出现的反气旋涡的强度变化以及从El Ni no现象过渡到La Ni na现象有关     

1997—1998年El-Ni?o至La-Nia期间东海黑潮的变异

基于日本“长风号”调查船在1997与1998年10个航次的CTD资料，采用改进逆方法及改进动力计算方法对东海黑潮的流速、流量进行计算. 1997年5月出现了El-Ni?o现象，东海黑潮流量在1997年夏季减少，1997年东海黑潮的平均流量也减少. 在1997年1月与6—7月，即El-Ni?o现象出现前后，东海环流的流态有些不同. 在1998年4至11月黑潮在PN断面出现多流核心的结构，特别在10—11月出现3个流核心，黑潮主流核的位置秋季时东移. 1995年与1998年都是东海黑潮异常年，这些异常现象可能与冲绳岛以南出现的反气旋涡的强度变化以及从El-Ni?o现象过渡到La-Ni?a现象有关.     

台湾东部黑潮与邻近东海水中的钡及其对黑潮水入侵的指示

通过对台湾以东黑潮主流径及邻近东海海域2014年5~6月期间的调查,研究了海水中溶解钡(Ba)的地球化学分布特征,评估了黑潮对东海海水Ba的影响和输入通量,将Ba作为指示指标定量刻画了黑潮入侵东海的范围与程度.黑潮主流径各站位海水中溶解Ba垂直分布上从表层至深层浓度逐渐增高,浓度范围为4.91~19.2μg L~(-1).东海海域表层海水Ba浓度分布以近岸海域为最高,向外海逐渐降低;底层则出现近岸和外侧海域Ba浓度高,陆架中间海域Ba浓度低的现象.水交换模型估算得出黑潮水在5~10月间向东海的Ba输入通量共计为2.19×10~8kg,并以次表层水的输入通量为最大.调查海域Ba的分布特征指示黑潮在台湾东北部海域涌升,台湾海峡北向出水抑制黑潮表层水向东海陆架入侵,黑潮次表层水从陆架底层外侧逐渐影响东海.以溶解钡(Ba)作为端元估算参数计算得出,在调查期间,黑潮表层水对东海陆架区域影响不大,黑潮次表层水沿陆架底层向上爬升,从台湾东北海域沿陆架中部向西北方向侵入,形成一支黑潮入侵流,至钱塘江口附近黑潮水占比仍可达到65%左右.东海陆架底层外侧大部被黑潮水所控制,100m等深线以深处黑潮水能够占95%以上的比例.在台湾东北部DH9断面,黑潮次表层水从陆架坡折处沿底部向西侵入,黑潮水占比95%的位置可达122°E左右,垂直向上黑潮水所占比例越小.海水溶解Ba可以细致地刻画黑潮入侵东海的情景,其地球化学特性使其成为指示黑潮入侵东海的有效指标,为定量揭示黑潮与东海的相互作用提供了新的手段.     

近期观测揭示的热带印度洋环流多尺度变率

热带印度洋环流是由赤道环流体系、近赤道海域及边缘海环流和涡旋构成的有机整体,其动力调整过程受到印度季风和印度洋偶极子(IOD)驱动,具有复杂的多尺度变异特征.本文总结了近年来中国科学院南海海洋研究所在热带印度洋开展的大面积水文观测和数值模拟研究成果,其初步揭示了热带印度洋环流的多尺度演变特征及其控制机理.研究表明:(1)赤道风场直接驱动的开尔文波和罗斯贝波及赤道印度洋东边界反射的罗斯贝波调控着赤道潜流(EUC)和赤道中层流(EIC)的形成和演变;(2)赤道风生动力过程是东印度洋上升流温跃层年际变异的主要控制因素;(3)赤道波动将大量能量以沿岸开尔文波和辐射自由罗斯贝波的形式输送至孟加拉湾,调制该海域环流和涡旋的变异特征.本文亦探讨了动量平衡和海盆共振对赤道环流体系变异的可能影响,以及赤道风场通过风生动力过程调控东印度洋上升流演变时间等尚未解决的问题.文中介绍了中国科学院南海海洋研究所通过国际合作推动印度洋联合调查计划,为更好服务于热带印度洋环流多尺度变率研究,保障海上丝路沿线国家海洋环境安全提供充足的数据和科研储备.     

南海北部深海潮汐的季节性变化特征

深海潮汐是深海混合过程的主要能量来源,对深海环流变异和沉积物搬运具有重要的调控作用.文章利用深水锚系观测系统在南海北部2100m水深处开展了近两年的高分辨率海流剖面观测,用于研究深海潮汐的季节性变化特征.通过谱分析显示,南海北部深海潮汐以全日潮为主,且在观测区域的深海中,全日潮和半日潮以垂向第一模态结构为主.斜压全日潮具有显著的季节性变化特征,夏季最强,深度平均的最大动能达86.7cm2s-2,分别是冬季的1.5倍、春秋季的2倍;而斜压半日潮没有明显的季节性变化.通过对比发现斜压全日潮的季节性变化受控于吕宋海峡附近的正压潮.另外,观测期间有三个强中尺度涡经过锚系站位,其中一个气旋式中尺度涡对深海海流影响较小,而另外两个反气旋式中尺度涡经过研究海域时可影响全水深海流,激发强亚惯性流,对深海潮汐产生边缘强化效应,并使深海斜压全日潮冬季的异相成分增强,占全日潮的85%.同时,中尺度涡对深海海水混合的增强弱化了海水层结,导致冬季的斜压全日潮流速减弱,低于夏季.南海北部深海潮汐季节性变化为研究深海盆沉积物在不同时间尺度上的分布及搬运过程提供了重要的动力机制.     

伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的大气扰动异常及对中纬度大气平均场的影响

中纬度海洋热力状况异常影响大气主要通过两种途径:非绝热加热的直接强迫作用和大气瞬变涡旋反馈的间接强迫作用,而后者的作用并没有被很好地认识.为了进一步理解间接强迫作用的物理机制,本文利用观测资料分析和区域大气模式模拟,研究了伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的中纬度大气场异常,特别是对流层中高层不同频率的涡旋扰动活动的异常.实际观测和数值试验结果均表明,当北太平洋副热带海表面温度锋偏强时,其上空的中纬度大气经向温度梯度增强;对应此时的大气斜压性增强,且中纬度大气西风急流整层加速;然而增强的大气斜压性并不对应一致性增强的大气涡旋扰动活动.中纬度大气的涡旋扰动根据其生命周期,进一步划分为高频(2~7天)和低频(10~90天)涡旋扰动.研究结果表明偏强的北太平洋副热带海洋锋对应着增强的中纬度大气高频涡旋扰动和减弱的低频涡旋扰动;其中,中纬度大气高频扰动活动的增强,将有利于削弱中纬度大气经向温度梯度,从而减弱中纬度大气斜压性;而高频扰动对纬向风倾向项的正贡献,有利于中纬度急流中心北侧及下游区域的西风加速,形成中纬度西风相当正压结构的增强;大气低频扰动的减弱,对中纬度大气纬向风倾向项产生负贡献,不利于急流的纬向均匀化,而其热力强迫异常则有利于维持中纬度对流层中层大气的经向温度梯度.     

基于卫星测高交叉点的海洋表面地转流速度

在流体静力平衡状态下,海洋Coriolis力和压力梯度平衡就形成地转流,世界上大多数海流都近似为地转流.本文利用卫星测高交叉点方法计算海洋表面地转流速度,分析了利用测高交叉点计算地转流速度的不确定性,上升和下降弧段的海面倾斜在分辨率50 km上可以达到10^-7量级,才可能获得优于10 cm/s的地转流速度.在低纬度或者纬度接近卫星轨道倾角的地区,由交叉点方法计算的地转流速度精度低于中纬度地区.以中国台湾东部黑潮为试验区,利用最新的中国台湾周边海域大地水准面模型参考场计算高精度的大地水准面高,利用TOPEX/Poseidon和Jason-1的GDR数据(2002~2005年)计算海面高,然后计算交叉点的动力高,确定交叉点的地转流速度,结果与中国台湾NCOR(National Center for Ocean Research)的流速基本一致.     

长江口外及浙江沿岸夏季上升流的潮生机制

基于普林斯顿海洋模式(POM)建立了MASNUM (Laboratory of MArine Science and NUmerical Modeling)海浪-潮流-环流耦合模式, 对长江口外及浙江沿岸海域夏季的上升流现象进行了数值模拟, 并从潮运动的角度分析了其动力机制, 对该海域潮致上升流的形成机理给出了一种新的解释. 研究表明, 该海域上升流的潮生机制同时体现在正压和斜压2个方面: 单纯的正压潮余流能够通过底层辐合和沿地形坡度爬升两种过程产生上升流; 在斜压海洋环境下, 强烈的潮混合作用在近岸陆坡区形成显著的锋面, 锋面两侧存在明显的密度差异, 该密度差异造成的水平压力梯度诱生出沿锋面的次级环流, 其上升流分支出现在锋区附近. 数值试验表明, 潮运动是该海域上升流的一个极为重要的诱发因子, 甚至占主导地位. 研究还发现, 与单纯模拟M2分潮相比, 对MS2, S₂, K₁及O₁ 4个主要分潮耦合计算有助于改善正压潮致上升流的模拟结果.     

正压局地不稳定和暴雨过程

用正压模式,通过对截谱方程的本征值和初值问题的研究,揭示了纬向非均匀气流中局地二维不稳定对1991年7月江淮流域暴雨形成的动力机制.理论分析和数值实验结果表明:(1)不稳定发展的模态主要是44d和10d左右周期,与江淮地区降水变化的周期基本一致;(2)局地扰动增长率以经向波数n=1～5,纬向波数k=1～12等波为最大.即江淮暴雨是不同纬度、不同尺度波动系统相互作用的结果;(3)扰动在江淮地区具有局地增幅的性质,初值计算表明扰动在长江下中游向西缓慢移动;(4)不稳定增长率特别是扰动的传播速度对外部参数■,a具有敏感性.     

利用重力卫星GRACE监测亚马逊流域2002-2010年的陆地水变化

本文利用GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) 卫星重力资料研究了亚马逊流域2002-2010年的陆地水变化,并与水文模式和降雨资料进行了比较分析.在年际尺度上,GRACE结果表明:2002-2003年和2005年,亚马逊流域发生明显的干旱现象;2007年至2009年,陆地水呈逐年增加的趋势,并在2009年6月变化值达到最大,为772±181 km³;自2009年6月至2010年12月,陆地水总量又急剧减少了1139±262 km³,这相当于全球海平面上升3.2±0.7 mm所需的水量.水文模式得到的亚马逊流域陆地水在2010年也表现出明显的减少.降雨资料与GRACE观测资料有很好的一致性.在2005年和2010年的干旱期,亚马逊流域的降雨显著减少,说明降雨是亚马逊流域陆地水变化的重要因素.此外,本文采用的尺度因子的方法有效地降低了GRACE后处理误差的影响.     

SRES情景下多模式集合对淮河流域未来气候变化的预估

采用偏差修正/空间降尺度方法处理后的IPCC AR4中8个全球海气耦合模式的集合平均结果,分析了SRESA2、A1B和B1情景下淮河流域未来30 a(2011 2040年)相对于现状(1961 1990年)地面温度和降水的可能变化.结果表明:(1)多模式集合能较好地反映流域现状年、季温度和降水的大尺度空间分布特征;对温度和降水的年内分配过程模拟较好,各月温度集合平均与观测值相差0.2℃左右(冬季各月除外),而降水集合平均与观测值相对误差在5%左右(9月除外).(2)不同情景下未来流域年、季温度一致增加,年温度增加幅度在0.85～1.12℃之间;冬、春季温度增加相对明显,而夏、秋季温度增加并不显著;年际和年代际温度增加趋势显著.(3)不同情景下未来流域年降水有增加趋势,增加幅度为0.13%～5.24%,增幅不明显;降水季节变化有增有减,季节、年际和年代际降水变化较为复杂,不同情景下降水空间变化差异显著.