Stokes漂流对全球海表面温度模拟的影响

Stokes漂流对海洋上混合层中的流场和温度场结构具有不可忽视的作用。本文基于WAVEWATCHⅢ海浪模式模拟的海浪要素计算得到Stokes漂流,将其引入SBPOM模式的动量方程中,从体积输运的角度研究Stokes漂流对全球海表面温度的影响。分析发现Stokes漂流与Stokes输运在全球呈现高纬度强于中低纬度的带状分布特征,且这种流动与输运对全球海表面温度具有降温作用,该降温作用的分布与全球Stokes输运强度相对应,高纬降温作用大于中低纬度,特别是南极绕极流海域平均降温明显大于其余海域,最大降温可达1.5℃,且全球月平均降温超过0.1℃。     

全球Stokes 漂流的时空分布特征研究

利用海浪模式WWIII(Wave Watch III)2008年的模拟结果对海面Stokes漂流、Stokes输运、Stokes深度以及全球Langmuir数的年平均分布特征和季节平均分布特征分别进行了详细的研究与分析。结果表明,海面Stokes漂流和Stokes输运均呈现高纬度偏大的特征,以南极绕极流海域最为突出。全球大部分海域Stokes漂流影响深度在20 m以内,呈现大洋东部偏大,西部偏小的分布特征。全球大部分海域的混合作用是剪切不稳定性和Langmuir湍效应并存的状态,甚至有些海域是以Langmuir湍效应为主。因此,在进行大尺度的海洋数值模拟时,应该考虑波浪导致的混合效应。     

热力学效应及斯托克斯漂流对混合层影响的研究

本文通过理想化的外部强迫以及海洋站点实测数据驱动普林斯顿海洋模式来研究海洋热力学效应和斯托克斯漂流对上混合层数值模拟的影响。在Mellor-Yamada湍流闭合方案中,经常出现夏季海表面温度偏暖和混合层深度偏浅的模拟误差。实验表明,斯托克斯漂流在冬季和夏季均能增强湍流动能,加深混合层深度。这种效应可以改善夏季的模拟结果,但与观测数据相比,将增大冬季混合层深度的模拟误差。斯托克斯漂流可以通过增强湍动能来加深混合层深度。结果表明,将斯托克斯漂流与冷皮层和暖层对上部混合层的热效应相结合,可以正确地模拟混合层深度。在夏季,海洋冷皮层和暖层通过“阻挡结构”和双温跃层结构模拟出更真实的上混合层变化。在冬季,海洋热力学效应通过增强上层海洋层结平衡了斯托克斯漂流的影响,并且由斯托克斯漂流引起的过度混合被校正。     

深水Stokes漂流公式的一种新形式

本文在未将Stokes波的势函数参数β的前提下使用近似解迭代方法重新推导了Stokes波的水质点的轨迹方程。在具体推导中发现水平位移与垂向位移在作近似解迭代时，收敛于精确解的速度是不相同的，垂向位移在一次迭代后即与精确解非常近似，而对于水平位移必须做二次迭代才能达到较好的精度。由二次迭代的水平位移方程即可获得Stokes漂流公式的一种新式，该形式表明，在三阶精度下Stokes漂流与所在深度的水质点的振幅A的平方成正比。运用由垂向位移方程解得的振幅与参数β的关系式可证明经典Stokes漂流公式可以看作是新漂流公式在特定坐标系下的特定垂直断面处的结果。     

波浪对海洋上混合层温度变化的影响研究

通过在海洋上混合层温度方程的平流输运项中加入Stokes漂的影响,定量计算了波浪Sokes漂对混合层温度变化的贡献,即Stokes漂对SST变化的影响。结果表明,波浪Stokes漂的平流输运作用对混合层温度变化的贡献与平均流的贡献在量值上处于可比的量级,二者全球平均比值为23.43%,最大比值达到70%。而对于SST变化率的影响也较为显著,加入Stokes漂影响后,SST变化率的最大变化值达到0.989×10-6℃/s,SST变化率的全球平均变化值为0.077 8×10-6℃/s,与SST变化率全球平均量值0.516 2×10-6℃/s相比达到15.07%,是不可忽略的。因此,在对于海洋混合层温度计算过程中,考虑波浪Stokes漂的作用是必要的。     

台风过程中浪致Stokes漂流对海洋上层温度影响的数值模拟

Stokes漂流对海洋上层温度变化具有重要影响。本文以"麦德姆(Matmo)"台风过程为例,基于浪流耦合模型,通过对比分析考虑和未考虑Stokes漂流的模拟结果,研究了台风过程中浪致Stokes漂流及其效应对海洋上层温度变化的影响。研究表明Stokes漂流及其效应与海浪大小的分布密切相关,海浪越大, Stokes漂流、Stokes输运和Ekman-Stokes数相对越大。Stokes漂流在台风过程中起降低海表面温度的作用,台风路径处的Stokes漂流及其效应较大,降温较明显,最大降温约2°C。产生降温的原因是Stokes漂流造成海表流场改变,以及Stokes输运引起海水辐散等作用加强了上下层海水质量和能量的交换。利用Argo资料进行验证,发现考虑了Stokes漂流作用的海洋上层温度模拟结果与Argo测量结果更接近。     

Stokes漂流近似公式对海洋表层流场估算的影响

本文采用波浪订正的Ekman模型,研究分析了三种Stokes漂流近似公式(单波公式、e指数公式、Phillips谱近似公式)对海洋表层流场估算的影响。海表总流场由海表面高度(SSH)数据计算的地转流和海浪模式WAVEWATCH Ⅲ输出结果计算的非地转流组成,并采用拉格朗日浮标观测数据对计算结果进行了验证。研究表明,随着Stokes漂流近似公式精度的提高,其计算的拉格朗日流速更接近于谱积分公式的计算结果,更贴近拉格朗日浮标观测数据。与谱积分公式计算的海表拉格朗日流速相比,单波公式的平均相对偏差为0.0834,e指数公式的平均相对偏差为0.0392,Phillips谱近似公式的平均相对偏差为0.0101,说明Phillips谱近似公式在不同风速下均能对谱积分公式有良好的近似效果。在低风速条件下,由Stokes漂流近似公式精度引起的海洋表层流场估算误差可以忽略不计,但随着风速增加,由近似公式精度引起的偏差逐渐变大,此时应该选择Phillips谱近似公式计算Stokes漂流,来减小误差。     

南太平洋Stokes漂流在厄尔尼诺衰退过程中的降温作用

赤道东太平洋海表面温度的变化在全球气候变化中扮演着重要的角色,波浪是影响海表面温度的重要因素。为了进 一 步 研 究 波 浪 对 全 球 气 候 的 影 响,利 用 ECMWF(European Centrefor Medium-Range WeatherForecasts)发布的波浪参数、海表面温度(SeaSurfaceTemperature,SST)等再分析数据,采用 EOF(EmpiricalOrthogonalFunction)分析和超前滞后相关分析等方法,分析了南太平洋涌浪区Stokes漂流与厄尔尼诺事件的关系。首先选用一种涌浪指标和多个涌浪特征值总结了全球的涌浪特征,得到涌浪在低纬、南半球和大洋东边界更占优的结论,并由此划定南太平洋涌浪区,发现了其连接南大洋和赤道东太平洋的通道作用。进而研究了南太平洋涌浪区Stokes漂流对赤道东太平洋SST的影响,结果显示:在厄尔尼诺事件发生后,该区域的经向 Stokes漂流会产 生强化,波浪诱导的Stokes漂流会将高纬冷水输送到低纬海域,使得低纬海域降温,加速厄尔尼诺事件的衰退,进而影响到全球气候。本文为解释厄尔尼诺的衰退提供了新的思路,也为波浪的大尺度效应研究开辟了新的方向。     

Stokes漂对上层海洋温度变化影响的数值研究

The impact of Stokes drift on the mixed layer temperature variation was estimated by taking into account an advective heat transport term induced by the Stokes drift in the equation of mixed layer temperature and using the oceanic and wave parameters from a global ocean circulation model （HYCOM） and a wave model （Wave Watch III）. The dimensional analysis and quantitative estimation method were conducted to assess the importance of the effect induced by the Stokes drift and to analyze its spatial distribution and seasonal variation characteristics. Results show that the contribution of the Stokes drift to the mixed layer temperature variation at mid-to-high latitudes is comparable with that of the mean current, and a substantial part of mixed layer temperature change is induced by taking the Stokes drift effect into account. Although the advection heat transport induced by the Stokes drift is not the leading term for the mixed layer temperature equation, it cannot be neglected and even becomes critical in some regions for the simulation of the upperocean temperature.     

使用水块混合层模式模拟上层海洋的季节变化

使用块体混合模式对一个固定海洋观测站所测的上层海洋之物理特性进行了模拟，结果发出了难以重复观测到的许多物理特征。文章提出了水块混合层模式，着重模拟了扩展湾流体系中的一个水块，在它被海流从佛罗里达海峡带到挪威海的过程中，其物理特性（其中包括温度、盐度、混合层深度和夹卷速度）随时间的变化，模拟结果较好地再现了所观测的物理特性的演化。     

Variability of Upper Ocean Heat Balance in the Shikoku Basin during the Ocean Mixed Layer Experiment (OMLET)

The heat balance of the surface layer in the vicinity of the former Ocean Weather Station “Tango” (OWS-T; 29°N, 135°E), where a large amount of heat is transported by the Kuroshio and transferred to the atmosphere, was studied by during Ocean Mixed Layer Experiment (OMLET) as an oceanographic component of the Japanese World Climate Research Program (1987–1991). Temperature and velocity in the upper ocean measured using a surface moored buoy system deployed by the Ocean Research Institute, the University of Tokyo, in total 668 days of four time series namely the periods of April 1988–November 1988 (OMELET-88), August 1989–February 1990 (OMLET-89), April 1990–September 1990 (OMLET-901) and September 1990–January 1991 (OMLET-902). We have analyzed the moored buoy data of the upper 100 m for the latter three time series (OMLET-89, -901 and -902) and here we discuss the heat balance of the upper 100 m, in combination with surface heat flux and oceanographic data provided by the Japan Meteorological Agency. A large fluctuation of oceanic heat convergence/divergence of 200–300 W/m² in amplitude with predominant period of 20–30 days occurred in the first half of OMLET-89 period, which was just the early stage in the formation process of a large meander path of the Kuroshio. A large amount of heat convergence of 71 and 79 W/m² on average was detected in observation period of OMLET-89 and -901, respectively. During OMLET-902, relatively small heat convergence of 13 W/m² was obtained. It is suggested that these variations of oceanic heat convergence in this region were closely related to the fluctuation of the Kuroshio axis to the south of Japan. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

印度洋预报系统混合层深度预报检验

利用Argo浮标资料和Rama浮标资料对印度洋海洋环境数值预报系统2010-03-06—2013-05-31的24h混合层深度产品进行了预报精度检验。与Argo浮标数据对比表明:预报与观测绝对平均误差为13m,24h混合层深度预报平均偏浅10m以内;对苏门答腊岛附近海域(5°S~4°N,87°~99°E)的混合层深度预报平均偏浅20m,该海域预报平均风速偏小1.6m/s是可能原因;其它海域预报能力较高,尤其对热带中南印度洋区域(5°~17°S,63°~96°E)平均误差集中在-2~2m。分海域检验对比结果表明:该预报系统能很好的预测出阿拉伯海(60°~70°E,10°~20°N)和孟加拉湾(85°~93°E,10°~18°N)处混合层半年周期变化特征;热带南印度洋(60°~80°E,15°~19°S)混合层呈现明显季节变化特征,且在每年8,9月份达到最大值;热带外南印度洋(45°~70°E,0°~10°S)混合层常年较为浅薄;Argo与Rama数据所得结果一致;预报系统对上述特征均能很好地预测。     

上层海洋中浪致混合研究评述——研究进展及存在问题

本文较系统地分析和总结了海浪在上层海洋中的混合作用研究的国内外现状,分别探讨了海浪破碎、波生运动以及波-湍相互作用导致的混合作用,指出了现有研究存在的问题。对今后研究做一展望,并指出实验室热分层水槽中的系统实验研究的必要性。     

海洋上层温度结构特征的参数模式

本文根据Ｃ．Ａ．等（１９６３。１９６５）提出的海洋上层温度结构特征的无因次普遍函数，利用１９５７～１９６４年暖半年渤海、黄海、东海１５９个站次连续站的资料和作者（１９８３）提出的海面热量平衡的简易计算公式计算海面的热量收支，建立了海洋上均匀层厚度、温跃层强度和跃层下界深度的半经验半理论模式。该模式反映了形成海洋上层温度结构特征的主要因子及其作用，同时避开了一般理论模式中的起算点和目前难以获得的物理海洋学参数，而可以直接利用表面水温、气温和风速进行海洋上层温度特征的计算。     

Annual Variability of Sea Surface Height and Upper Layer Thickness in the Pacific Ocean

The annual variabilities of the sea surface height in the Pacific Ocean were investigated by analyzing the TOPEX/POSEIDON satellite data and by solving a reduced gravity model. We discuss how adequately the simple model can capture the variabilities of the sea surface height, and what the cause of the variabilities is. Three large amplitude peaks in the satellite data are found along the 12°N longitude line. Two elongated zones with a large amplitude are also found: one extends east-west along 6°N and the other extends northwestward from South America around 25°S. These features are adequately reproduced in the numerical simulation of the reduced gravity model. The propagation of the Rossby wave is analyzed by the use of the extended Eliassen-Palm flux to investigate the mechanism of these annual variabilities. The two east peaks around 12°N can be explained in terms of the interference between the local Ekman pumping and the free wave emitted near the western coast of North America, and the most western peak is affected by the Rossby wave formed by the local wind stress. The elongated zonal area around 6°N is mainly due to the local Ekman pumping. Another area around 25°S results from the convergence of the free Rossby wave emitted from the eastern boundary and the area with the strong wind stress curl off South America. A discrepancy between the satellite data and the model results suggests that the eastern equatorial Pacific Ocean is relatively calm in the model but not in the satellite data. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

基于Argo浮标的热带印度洋混合层深度季节变化研究

根据2004-2005年热带印度洋(30°S以北)的Argo浮标(自持式海洋剖面观测浮标)温度-盐度剖面观测资料,采用位势密度判据(Δσθ=0.03 kg/m3),针对每个Argo浮标的温度-盐度观测剖面确定了海洋混合层的深度,然后采用Krig插值方法构建了3°×3°空间分辨率的月平均网格化混合层深度产品。通过与已有气候平均混合层深度资料的比较表明了该产品的合理性,在此基础上进一步对热带印度洋海盆尺度的混合层深度空间特征和季节变化规律进行了讨论。研究结果表明,Argo浮标资料可用于热带印度洋混合层变化的研究,为进一步研究热带印度洋海-气相互作用提供了基础资料。     

西北太平洋上层热含量的时空变化

基于全球月平均海温资料、137°E断面海温观测资料、同化水位资料和太平洋850 hPa纬向风资料,利用EOF、功率谱和最大熵谱等分析方法,分析了西北太平洋上层热含量的时空变化,并讨论了热含量变化与水位和赤道太平洋纬向风异常的关系.结果表明,西北太平洋上层热含量具有明显的年际和年代际变化;热含量的年际变化与热带太平洋大尺度海气系统异常相联系,即在El Ni(n)o期间,热含量减少,而在La Ni(n)a期间热含量增多;热含量在20世纪70年代末发生了一次气候跃变,在跃变前热含量偏多,而在跃变后则偏少;热含量与水位间存在着非常一致的同位相年际变化,而这种变化与赤道西、中太平洋的纬向风异常有关.     

海浪对海洋上层的动量与混合作用分析

分析了波浪影响海洋环流的3种机制，给出了波浪对海流的雷诺应力表示、搅拌混合系数表示以及对温盐扩散的搅拌混合系数表示；计算了东中国海区域的波浪动量作用、搅拌混合系数空间分布和时间演化，进而定量分析了波浪对表层海流的动量输送及对海洋上混合层与跃层形成的作用。