东印度沿岸流的季节变化及其热盐输运

基于卫星高度计数据、模式数据和同化资料揭示了东印度沿岸流(East India Coastal Current, EICC)年周期上的时空分布特征, 并探讨了其可能的影响机制及热盐输运。在年周期上EICC呈现3种分布状态, 受季风影响, 在东北季风前期(10—12月)和后期(2—5月)为一致的南向(北向)流动; 而6—8月EICC呈3段式分布, 与另外两个时间段明显不同, 表现为9°N以南、16°N以北区域的南向流动和9°—16°N区域的北向流动。前人研究认为印度东海岸的局地风应力是EICC的主要机制, 本研究发现除局地风应力外, 来自孟加拉湾中部的艾克曼抽吸(Ekman Pumping)在全年也发挥着重要作用, 并在2—5月(10—12月)驱动EICC的北向(南向)流动, 而局地风应力则在10—12月有利于EICC的南向流动。EICC是孟加拉湾低盐水向赤道东印度洋和阿拉伯海输运的一个因素, 在海盆间的热盐交换上发挥着重要作用。EICC的热输运在6—12月(2—5月)有利于(不利于)湾内温度的升高; 盐输运则在全年都有利于孟加拉湾内盐度的增加。此外, EICC的一致南向(北向)流动以及3段式结构促进了湾内热盐的再分配, 对于维持北印度洋的热量和盐度收支平衡具有重要作用。     

海洋再分析数据集中印度洋季节内信号的评估

季节内变化是热带气候的重要影响因素。以北半球夏、冬两季为例,对比了海洋再分析数据集(ECCO2、SODA3和CORA)与卫星观测海表面温度(SST)以及海表面高度(SSH)在印度洋区域季节内信号的差异;还以冬季MJO(Madden Julian Oscillation)事件和夏季季风事件为例,对比分析了不同强迫过程中再分析数据与观测数据的差异与原因。结果表明,再分析产品在近岸海域具有与观测数据相当的季节内波动,但是在大洋内部,除CORA在赤道中印度洋略强于观测数据,其他再分析数据季节内波动明显弱于观测数据20%以上,SODA3甚至达到60%以上。具体来说,在东传MJO和北传CIO (Central Indian Ocean mode)事件期间,再分析数据中热力强迫下的季节内SST变化呈现较好,仅ECCO2和CORA在相位上滞后观测数据5～10 d。在夏季CIO的SST异常西传期间,再分析数据中动力强迫下的季节内变化呈现较差,ECCO2和CORA仅在85°E～95°E呈现出微弱的西传信号,SODA3的SST异常并未西传;而且强度上,90°E～100°E附近所有再分析SST异常均弱于观测数据50%以上。通过对比东印度洋上混合层季节内流速发现,CIO事件期间再分析流速振幅弱于观测数据51.42%,且CIO波峰期间与观测数据的相对偏差达到65.16%。再分析数据中动力强迫的信号呈现较弱,可能是导致季节内变化在大洋中部明显弱于观测数据的原因。因此,要提升再分析产品中季节内信号,不仅需要关注热力与动力强迫的修正,更需要扩大海洋观测以增加数据同化,尤其是在赤道印度洋海域需要加强对海流的观测。     

西太平洋暖池热盐结构的季节变化

Using the 28°C isotherm to define the Western Pacific Warm Pool(WPWP), this study analyzes the seasonal variability of the WPWP thermohaline structure on the basis of the monthly-averaged sea temperature and salinity data from 1950 to 2011, and the dynamic and thermodynamic mechanisms based on the monthly-averaged wind,precipitation, net heat fluxes and current velocity data. A DT=–0.4°C is more suitable than other temperature criterion for determining the mixed layer(ML) and barrier layer(BL) over the WPWP using monthly-averaged temperature and salinity data. The WPWP has a particular thermohaline structure and can be vertically divided into three layers, i.e., the ML, BL, and deep layer(DL). The BL thickness(BLT) is the thickest, while the ML thickness(MLT) is the thinnest. The MLT has a similar seasonal variation to the DL thickness(DLT) and BLT.They are all thicker in spring and fall but thinner in summer. The temperatures of the ML and BL are both higher in spring and autumn but lower in winter and summer with an annual amplitude of 0.15°C, while the temperature of the DL is higher in May and lower in August. The averaged salinities at these three layers are all higher in March but lower in September, with annual ranges of 0.41–0.45. Zonal currents, i.e., the South Equatorial Current(SEC)and North Equatorial Counter Current(NECC), and winds may be the main dynamic factors driving the seasonal variability in the WPWP thermohaline structure, while precipitation and net heat fluxes are both important thermodynamic factors. Higher(lower) winds cause both the MLT and BLT to thicken(thin), a stronger(weaker)NECC induces MLT, BLT, and DLT to thin(thicken), and a stronger(weaker) SEC causes both the MLT and BLT to thicken(thin) and the DLT to thin(thicken). An increase(decrease) in the net heat fluxes causes the MLT and BLT to thicken(thin) but the DLT to thin(thicken), while a stronger(weaker) precipitation favors thinner(thicker)MLT but thicker(thinner) BLT and DLT. In addition, a stronger(weaker) NECC and SEC cause the temperature of the three layers to decrease(increase), while the seasonal variability in salinity at the ML, BL, and DL might be controlled by the subtropical cell(STC).     

中国近海以及邻近海域海洋再分析产品(CORA)中季节内变化的评估

A regional reanalysis product—China Ocean Reanalysis(CORA)—has been developed for the China's seas and the adjacent areas. In this study, the intraseasonal variabilities(ISVs) in CORA are assessed by comparing with observations and two other reanalysis products(ECCO2 and SODA). CORA shows a better performance in capturing the intraseasonal sea surface temperatures(SSTs) and the intraseasonal sea surface heights(SSHs) than ECCO2 and SODA do, probably due to its high resolution, stronger response to the intraseasonal forcing in the atmosphere(especially the Madden-Julian Oscillation), and more available regional data for assimilation. But at the subsurface, the ISVs in CORA are likely to be weaker than reality, which is probably attributed to rare observational data for assimilation and weak diapycnal eddy diffusivity in the CORA model. According to the comparison results, CORA is a good choice for the study related to variabilities at the surface, but cares have to be taken for the study focusing on the subsurface processes.     

北太平洋波浪输运和西边界流的季节变化

西边界流输运可以用Sverdrup理论推算出来.本文首先利用ECMWF再分析风场数据,计算了44年的月平均的风应力旋度及Sverdrup体积输运,在北太平洋3条纬度上对Sverdrup体积输运进行积分,得到Sverdrup体积输运的季节变化,从中发现,在向赤道流动的方向上,Sverdrup体积输运在冬季存在最大值,夏季存在最小值;同样利用ECMWF再分析波浪数据,计算了44a的月平均的Stokes体积输运,在相同纬度上对Stokes体积输运进行积分,得到Stokes体积输运的季节变化,从结果中发现,在向赤道流动的方向上,Stokes输运在冬季存在最大值,在夏季存在最小值.在本文中设定R=T_(st)/T_(sv)×100%,T_(st)为Stokes体积输运,T_(sv)为Sverdrup体积输运,发现Stokes输运和Sverdrup输运存在同位相的季节变化,并且(-R)冬季平均值在5%以上,年平均值在2%～3%左右,从而推断出波浪诱导的输运对Sverdrup输运,既对西边界流有不可忽视的贡献.     

渤海环流与输运季节变化的数值模拟

渤海的风和温度层结有明显的季节变化 ,因而其环流与输运亦有明显的季节信号。以季节平均的海面气象条件和开边界的潮波系统驱动三维斜压水动力模型———HAMSOM ,模拟了渤海冬、夏季的总环流。渤海环流冬强夏弱 ,表层风漂流常被下层逆风流所补偿。深度平均环流 ,即水柱内的输运 ,流型有显著的季节变化 :冬季在渤海中部沿逆时针方向旋转 ,辽东湾顶有一个顺时针流涡 ,阻碍了湾顶水与外海水的交换 ;夏季则为一个大的贴岸的顺时针流环 ,内嵌许多局地涡旋。这些与渤黄东海海洋水文图集中给出的多年观测的环流基本相同 ,同时也被水文要素分布及耐盐浮游动物的出现所佐证。风的季节变化决定了渤海大部分海区、特别是海峡附近环流的季节变化 ,但辽东湾东岸众多的岬角涡旋却不随季节变化 ,因为它们是由潮波系统与岬角岸型变化的非线性相互作用产生的。     

基于同化再分析产品研究东中国海海洋锋季节变化特征

海洋锋是特性明显不同的两种或几种水体之间的水平分布高梯度带。海洋锋对海战场环境存在重要影响。文中基于高性能计算机平台,采用海洋动力模式和先进的数据同化技术制作的海洋数值再分析产品(China Ocean Reanalysis,CORA),研究了东中国海温度锋和盐度锋分别在表层和50 m层深度上的季节变化特征。通过分析发现温度锋在冬季主要分布在东海及台湾海峡,在夏季主要分布在渤海及黄海;春秋两季的变化介于冬夏两季之间;东海黑潮区四季皆存在温度锋。盐度锋主要存在于黄河和长江等径流入海区附近。温度锋和盐度锋的季节变化主要受气象条件、河流入海和近岸升降流季节变化的共同影响。     

东海陆架水域营养盐的季节变化和物理输运的规律

本文利用“中日黑潮联合调查研究”的资料探讨营养盐在陆架水域的分布和物理输运的基本特征、形成原因和季节变化过程.研究表明,东海陆架水中的营养盐是冬季沿岸低盐的富营养盐水向东海北部和南部输入并与入侵陆架的黑潮上层低营养盐水混合变性形成的.指出陆架富营养盐水的边界位置随季节变化而有明显的移动规律.叙述了营养盐随沿岸水东扩、和黑潮水北上等过程中的混合扩散和输运规律.     

基于再分析数据的南大西洋上层海洋热含量变化研究

南大西洋在地理上连接着北大西洋、南大洋和印度洋。通过环流输运或海表温度变化,该海域的上层海洋热含量(OHC)的变化可能对与之相连的各个洋盆间的再分布产生影响。本文基于1958—2015年的ORAS4全球海洋再分析数据和中国科学院大气物理研究所的格点海温数据集,利用经验正交函数(EOF)分析、相关分析等方法,分析了南大西洋上层海洋不同积分深度(0~100 m,0~300 m,0~500 m,0~700 m)OHC的时空变化特征。EOF第一模态显示,过去60 a来,南大西洋上层700 m存在一个洋盆尺度的变暖趋势,而且随着热含量积分深度的增加,第一模态所解释的方差占比也明显增加。OHC变化EOF第一模态与以年际变化为主的NAO和ENSO指数相关性很低,而与代表较长时间变率的AMO和PDO指数却有较好相关性,且与AMO的相关性随着积分深度的增加而提高。超前滞后相关分析显示AMO滞后南大西洋OHC变化9~12 a,显示南大西洋OHC变化对北大西洋气候变化的潜在影响。南大西洋OHC变化EOF第一模态与PDO之间相关性随着积分深度的增加而降低,显示PDO对OHC的影响主要在表层。另外发现整个洋盆的热含量变化与温跃层变化呈正相关,热含量的变化反映温跃层的动态波动。     

南海 18°N 断面 上的体积和热盐输运

以2005—2008年4年中南海北部开放航次所获得的水文观测资料为基础,结合卫星高度计遥感资料,采用动力计算方法计算南海18°N断面的经向地转流,并与声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)走航观测资料进行对比,进而计算出通过南海18°N断面1000m以浅的各站位以及断面上总的经向地转体积、热、盐输运量。结果表明,2005—2008年南海北部开放航次期间18°N断面上的经向地转流呈相间带状分布,各站位经向地转流流速垂向分布和ADCP观测的大体一致。从卫星高度计获得的海面高度场可知,经向地转流流向的空间变化与海洋中尺度涡旋的活动密切相关。2005—2007年航次期间南海18°N断面上1000m以浅总的经向地转体积、热、盐输运均为南向输运,其3年的平均输运量分别为11.8Sv(1Sv=106m3.s 1)、0.38PW、418.8Gg.s 1;其年际间差别较大,经向地转体积、热、盐输运量均为2005年最大,2006年次之,2007年最小。2008年110°—117°E之间1000m以浅总的海水地转体积、热、盐输运量分别为7.3Sv、0.22PW、259.4Gg.s 1。     

南海南部与外海间的体积和热、盐输运及其对印尼贯穿流的贡献

根据中国近海高分辨率 ( 1 / 6°)环流模式的模拟结果 ,计算了南沙邻近海域与外海之间的海水体积、热量和盐量输运及其对印度尼西亚贯穿流的贡献。研究海域为 0°— 1 4°N的整个南海南部海域。计算得出 ,穿过研究海域流向印度尼西亚海域 ,最终流向印度洋的年平均体积、热量和盐量输运分别为 5 .2Sv( 1Sv =1× 1 0 6m3·s- 1 )、0 .5 7PW和 1 84Gg·s- 1 ,大约占印度尼西亚贯穿流相应输运量的 1 / 4。这一结果表明南海是全球大传送带这一全球海洋最主要热盐环流系统的重要通道之一。从南海流向印度尼西亚海域的通道以卡里马塔海峡为最主要 ,以下依次为巴拉巴克海峡、民都洛海峡和马六甲海峡。大的南向通量主要发生在冬、秋季 ,春末夏初总的通量向北。计算还得出输入本海区的热输运量比输出少 0 .0 64PW ,由这一结果推得 ,通过海 -气界面由大气进入海洋的年平均净热通量约为 30W·m- 2 。     

卡里马塔海峡水体交换的季节变化

Four trawl-resistant bottom mounts, with acoustic Doppler current profilers(ADCPs) embedded, were deployed in the Karimata Strait from November 2008 to June 2015 as part of the South China Sea-Indonesian Seas Transport/Exchange and Impact on Seasonal Fish Migration(SITE) Program, to estimate the volume and property transport between the South China Sea and Indonesian seas via the strait. The observed current data reveal that the volume transport through the Karimata Strait exhibits significant seasonal variation. The winteraveraged(from December to February) transport is –1.99 Sv(1 Sv=1×10~6 m~3/s), while in the boreal summer(from June to August), the average transport is 0.69 Sv. Moreover, the average transport from January 2009 to December2014 is –0.74 Sv(the positive/negative value indicates northward/southward transport). May and September are the transition period. In May, the currents in the Karimata Strait turn northward, consistent with the local monsoon. In September, the southeasterly trade wind is still present over the strait, driving surface water northward, whereas the bottom flow reverses direction, possibly because of the pressure gradient across the strait from north to south.     

河口物质和水体长期输运分离的理论分析和观测验证 Ⅰ.物质和水体长期输运分离的理论分析

基于单宽断面潮周期平均水体和物质对流输运通量,定义了二维水体和物质长期输运速度,它们分别描述单宽断面水体和物质长期输运的方向及快慢。通过二维水体和物质长期输运速度的对比分析,提出了物质和水体长期输运分离概念:受物质浓度影响,在物质和水体瞬时运动速度相同的情况下,物质和水体潮周期平均对流输运的方向和快慢可能存在差异。本文将二维物质长期输运速度分解为二维水体长期输运速度、二维潮泵输运速度和垂向切变输运速度,它们分别描述余流输运、潮泵输运和垂向切变输运,后两种输运造成单宽断面物质和水体长期输运分离。本文的分析表明,河口受地形、径流、潮流、密度梯度影响,存在有利于物质和水体长期输运分离的自然条件。     

河口物质和水体长期输运分离的理论分析和观测验证 Ⅰ.物质和水体长期输运分离的理论分析

基于单宽断面潮周期平均水体和物质对流输运通量,定义了二维水体和物质长期输运速度,它们分别描述单宽断面水体和物质长期输运的方向及快慢。通过二维水体和物质长期输运速度的对比分析,提出了物质和水体长期输运分离概念:受物质浓度影响,在物质和水体瞬时运动速度相同的情况下,物质和水体潮周期平均对流输运的方向和快慢可能存在差异。本文将二维物质长期输运速度分解为二维水体长期输运速度、二维潮泵输运速度和垂向切变输运速度,它们分别描述余流输运、潮泵输运和垂向切变输运,后两种输运造成单宽断面物质和水体长期输运分离。本文的分析表明,河口受地形、径流、潮流、密度梯度影响,存在有利于物质和水体长期输运分离的自然条件。     

渤、黄、东海海流和潮汐共同作用下的悬浮物输运、沉积及其季节变化

渤、黄、东海是一个水动力状况相当复杂的半封闭宽陆架海，本海区悬浮颗粒物含量高，季节变化明显，影响范围广，是世界上悬浮物含量最高的海域之一。对于该海域悬浮物的输运沉积过程、分布规律以及底质分布等中外学者均进行过比较深入的研究(秦蕴珊，1963； Honjo et al.，1974；Milliman et al.，1985，1986；秦蕴珊等，1987，1989；杨作升等，1992；Li et al.，1997；孙效功等，2000；雷坤等，2001)。然而，以往的研究大都基于实际海洋调查资料，由于受实测资料在时间和空间覆盖范围上的限制，很难从整体上把握渤、黄、东海陆架区悬浮物输运的时间和空间变化规律。数值模拟的方法能很好地克服上述局限，已有学者从不同角度对渤、黄、东海的某些海域的悬浮物进行了模拟研究。 董礼先等(1989)首先模拟了在二维潮流场作用下，黄、渤海推移质和悬移质的输运状况，得出潮流作用下海底的冲淤状况。Graber等(1989)利用有限水深的风浪模型、模拟了风浪对悬浮物输运、沉积的作用。Yanagi等(1995)用拉格朗日粒子追踪方法对整个东中国海冬季悬浮物的输运、沉积过程进行了计算。江文胜等(2000，2001)考虑了风等气象要素、外海传入的潮波的作用、悬浮物的沉降及再悬浮机制，对渤海中悬浮物的浓度进行了数值模拟。 海洋环流、潮汐、潮流和波浪均对悬浮物的输运与沉积产生影响，尤其在中陆架和外陆架地区，环流对悬浮物的长期输运起决定性作用，因此以往仅针对潮流、风浪作用的模拟很不完整，其结果与实际情况的差别也会较大。其次，海水的流动处在不断变化之中，小到日变化、月变化，大到季节变化、年际变化，因此定常风场、定常温盐场的环流模拟，即诊断流场并不符合实际情形。本文将首先对渤、黄、东海月平均风场、温盐场作用下的环流场进行模拟，进而探讨环流以及潮汐、潮流共同作用下的悬浮物输运过程及其季节变化规律。     

热带西太平洋潜流模拟:(Ⅱ)潜流结构与输运及其季节变化

通过分析积分30 a的准全球HYCOM(HYbrid Coordinate Occan Model)模式结果,研究了热带西太平洋潜流结构与输运及其季节变化.在年平均状态下,新几内亚沿岸潜流流核位于约175 m、2.8°S附近,最大流速超过45 cm/s,约110 km宽;棉兰老潜流流核位于离岸处,约400～800 m深度、127.5°～128.5°E范围,最大速度超过3 cm/s.在季节时间尺度上,新几内亚沿岸潜流流核位置比较稳定,海流强度与体积输运表现出夏秋季强、冬春季弱的季节变化特征;棉兰老潜流流核位置、流速强度都具有较大的时空变化特征,棉兰老潜流的体积输运约2.5～11.5Sv,其季节变化规律不够明显,2～7月份,体积输运较弱,8～1月份,体积输运较强.     

基于再分析数据的南海三维温盐结构特征分析

掌握南海三维温盐场特征对于研究南海海洋动力环境及其对海洋气候变化的影响具有重要意义。基于海洋再分析数据GLORYS12V1和AVHRR OISST数据,开展了南海温盐空间分布及季节变化分析,以及海表温度对台风过程的响应特征分析。分析结果表明：南海海表温度一般为25～32℃,最高温度出现在8月的黄岩岛附近海域,海表盐度一般为32～35 psu,最高盐度出现在7月的东海附近海域;温盐垂向结构表现为表层高温低盐,随着深度增加温盐季节性变化越小。南海地区温跃层深度存在明显季节变化特征,秋冬季节温跃层深度大于春夏两季。根据“威马逊”台风期间海表温度变化特征分析海表温度对台风过程的响应,台风期间南海水体垂向混合作用增强,海表温度降温明显。     

台湾海峡夏季与冬季的水体及热盐通量观测

利用在台湾海峡附近的下放式声学多普勒流速剖面仪(Lowered Acoustic Doppler Current Profiler,LADCP)观测资料和温盐观测资料,通过对连续站的两个季节观测进行正压和斜压潮流分析从而去除潮流得到准定常流,并在此基础上计算了南海和东海之间通过台湾海峡输运的水体及热盐通量。结果表明:台湾海峡大部分海域是半日潮海区(正规半日潮及不正规半日潮海区),半日潮主要分量为太阴半日分潮M2;台湾海峡的水体输运及热盐通量呈现明显的季节变化:夏季台湾海峡内表现为一支东北流向的海流,即台湾海峡暖流,存在3.3 Sv(1Sv=106 m3/s)的东北向水体输运,冬季东北季风较强,西南方向的海流加强,混合层可达到底部,存在1.8 Sv的东北向水体输运。与此对应的热盐通量分别为:夏季热通量为0.34×1015 W,盐通量为118.6×109 g/s;冬季热通量为0.14×1015 W,盐通量为72.9×109 g/s。该结果对台湾海峡通量的研究给出了一个直接观测的准确值,并为相关的数值研究提供了参考。     

南海北部的温盐热结构：Ⅳ.南海北部的热状况及其季节变化特征

分析讨论了南海北部水温距平及上层含量的空间分布及季节变化特征。表层水温距平的年较差,以广东省沿岸水量大,巴士海峡最小。冬、夏两季,广东大陆架、大陆坡上的表层水温等距平线走向与等深线走向近似平行。     

河口物质和水体长期输运分离的理论分析和观测验证Ⅱ.长江口悬沙、盐度和水体长期输运分离的观测验证

利用二维水体和物质长期输运速度及其机制分解形式,分析了长江口1997年洪季观测资料,从实践上认识悬沙、盐度和水体长期输运的分离程度.观测站资料的计算分析表明:最大浑浊带附近,二维悬沙和水体长期输运速度平均夹角为36.0°、速度量值平均相差29.9%,悬沙和水体长期输运具有明显的分离特征;盐度锋面附近,二维盐度和水体长期输运速度的平均夹角为43.6°、速度大小平均相差27.8%,盐度和水体长期输运具有明显的分离特征.