基于ROMS模式的南海SST与SSH四维变分同化研究

卫星遥感观测获得了大量高分辨率的海面实时信息,包括海面温度（SST）和海面高度（SSH）等,同化进入数值模式可有效提升模拟精度。本文基于ROMS模式与四维变分同化方法（4DVAR）,使用AVHRR SST和AVISO SSH数据,开展了南海区域同化实验。为检验同化的效果,分别利用HYCOM再分析资料和Argo温盐实测数据分析了同化结果的海面高度、流场及温盐剖面的精度。对比结果表明,SST和SSH的同化能够改善ROMS的模拟结果:同化后海面高度场能够更为准确地捕捉海洋的中尺度特征,与HYCOM海面高度再分析资料相比,平均绝对偏差和均方根误差分别为0.054 m和0.066 m;与HYCOM 10 m层流场相比,东向与北向流速平均绝对偏差分别为0.12 m/s和0.11 m/s,相比未同化均提升约0.01 m/s;温盐同化结果与Argo温盐实测具有较高的一致性,温度和盐度平均绝对偏差为0.45℃、0.077,均方根误差为0.91℃、0.11,单个的温盐廓线对比说明,同化结果与HYCOM再分析资料精度相当。     

GEOSAT卫星遥感资料研究南海海面动力高度场和地转流场

利用GEOSAT卫星在1987年和1988年执行ERM任务的雷达高度计资料来分析获取南海海面动力高度偏差的季节分布.根据卫星轨道误差和海域的特点,提出了适用于内海及边缘海域的二维共线轨道校正法,由此方法而得出的南海海面动力高度偏差的季节分布表明,南海表层流场在夏季总的环流形势是反气旋式环流,而冬季是气旋式环流.分析的结果同海上常规调查资料的分析结果相比较表明,在海流季节变化信号较强的海区(如南海中部和北部海区),利用高度计资料能很好地反映该海区的海流季节变化特征.     

基于集合同化方法的南海北部最优观测实验

根据集合同化理论及最优观测方法,应用基于ROMS模式的南海北部区域模拟结果作为集合样本,对该区域的最优观测廓线以及最优观测航次进行了评估和选择.最优观测方法是一种不需要直接同化观测,而通过最小化分析场误差方差理论值来选择最优观测点的方法.最优观测方法根据卡曼滤波理论中协方差矩阵的更新方程,使用一组模式或观测得到的历史样...     

基于集合最优插值方法的南海北部海区的数据同化试验

基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式建立一个南海北部集合最优插值的同化系统,并且利用2008年夏季SCOPE(Northern South China Sea Coastal Oceanographic Process Experiment)航次的温盐数据以及航次期间逐日OS...     

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.     

基于CMIP5模式的南海海平面未来变化预估

Future potential sea level change in the South China Sea(SCS) is estimated by using 24 CMIP5 models under different representative concentration pathway(RCP) scenarios. By the end of the 21 st century(2081–2100 relative to 1986–2005), the multimodel ensemble mean dynamic sea level(DSL) is projected to rise 0.9, 1.6, and 1.1 cm under RCP2.6, RCP4.5, and RCP8.5 scenarios, respectively, resulting in a total sea level rise(SLR) of 40.9, 48.6, and 64.1 cm in the SCS. It indicates that the SCS will experience a substantial SLR over the 21 st century, and the rise is only marginal larger than the global mean SLR. During the same period, the steric sea level(SSL) rise is estimated to be 6.7, 10.0, and 15.3 cm under the three scenarios, respectively, which accounts only for 16%, 21% and 24% of the total SLR in this region. The changes of the SSL in the SCS are almost out of phase with those of the DSL for the three scenarios. The central deep basin has a slightly weak DSL rise, but a strong SSL rise during the 21 st century, compared with the north and southwest shelves.     

南海及其周缘地区全新世海平面遗迹的构造含义

通过对海南岛海岸带野外考察,在文昌市铜鼓岭石头公园观察到高程为30m的海平面遗迹,在东方市黄流镇观察到高程为25~35m的海平面遗迹,在三亚市鹿回头观察到高程为2.5m的海平面遗迹。综合研究前人在该区关于海平面变化的研究成果,得出如下几点初步认识:(1)南海及其周缘地区中全新世以来海平面呈下降趋势,海平面最高位置出现在7000a左右、高于现代海平面3m左右的位置;(2)南海中全新世以来海平面遗迹所揭示的古海平面高程的差异性是古海平面本身持续下降和该区地壳差异性垂直运动共同作用的结果;(3)南海及其周缘地区中全新世期间中央海盆及其西缘的珠江口、红河、湄公河和昭披耶河4个河流三角洲地区为构造沉降区,而南海周缘的台湾岛、雷州半岛、印支半岛、南马来半岛、爪哇岛和苏拉威西岛6个地区为构造抬升区,抬升幅度最大的地方在台湾岛。     

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。     

利用GOCE重力场模型确定全球稳态海面地形及表层地转流

稳态海面地形(MDT)是大地测量学家和海洋学家共同关心的一个重要物理量。该文基于WHU2009全球平均海面高模型和GO_CONS_GCF_2_TIM_R3纯GOCE重力场模型,采用几何法经高斯滤波处理后确定了全球稳态海面地形,与CLS09及DTU10M DTs相比,其差值均方根RMS均小于8 cm,表明该文结果具有较高的精度;根据地转流方程计算了相应的表层地转流,与GRACE重力场模型GGM03S结果相比,GOCE重力场模型所确定的表层地转流在墨西哥湾流、黑潮及厄加勒斯海流等海域均体现了更强的流速和更多的细部特征,验证了GOCE在洋流探测中的优势。     

全球和南海海平面变化及其与厄尔尼诺的关系

利用卫星高度计资料,分析了1993年1月至2004年12月全球和南海的海平面变化特征.结果表明,在1993-2004年期间,全球和南海海平面的平均上升率分别为(2.5±0.2)mm/a 和(4.8±1.2)mm/a.研究发现,全球和南海海平面的低频变化都与 El Ni(n)o 密切相关,但二者对El Ni(n)o 的响应位相相反.1997-1998年 El Ni(n)o 初期,全球平均海平面升高,呈现正异常;El Ni(n)o 后期,全球平均海平面下降并由正异常变为负异常.南海平均海平面在 El Ni(n)o 期间呈现负异常,在 La Ni(n)a期间呈现正异常,其低频变化与南方涛动指数的低频分量位相变化几乎完全一致.ENSO 可以通过南海季风和北太平洋环流(黑潮)的变化来影响南海海平面.El Ni(n)o 发生前后的北风异常,以及同期黑潮流量的变化都对 ENSO 影响南海有一定的贡献.     

2008年初冷事件对南海北部夏季浮游动物的影响

2008年初,我国南方出现了罕见的低温冰冻极端天气过程。通过对2007年8月和2008年8月南海北部现场调查所获得的数据分析研究了浮游动物种类组成。结果表明,与2007年8月相比2008年8月浮游动物丰度和生物量有很大的下降。聚类分析结果表明浮游动物群落被分为近岸和远海两大类群。浮游动物近岸类群和远岸类群的分界点在不同的时间有所不同,这是由于外海水向近岸的入侵所致。与2007年8月相比,2008年8月浮游动物优势种发生了很大的演替,主要是因为四种浮游动物优势种亚强真哲水蚤、异尾宽水蚤、锥形宽水蚤和小哲水蚤丰度急剧下降所致。相反,水母类和海樽类丰富有很大的升高,其原因可能是2008年春季极端低温导致的鱼类大量死亡所致。与远岸浮游动物群落相比,近岸浮游动物群落变化更剧烈,这说明近岸浮游动物群落结构不稳定。南海北部浮游动物群落结构的变化与2008年初的冷事件有很大关系。     

南海现代海平面变化研究的进展

本文根据笔者近年对广东海平面变化的研究,并参考前人的研究结果,对南海现代海平面研究的进展进行了较系统的评述.认为数十年来南海相对海平面总体上呈上升趋势,上升速率一般小于2.5mm/a.1.8mm/a或1.9mm/a可以近似地作为绝对海平面上升速率.预测2030年或2025年相对海平面上升幅度为20～25cm.     

Anticyclonic eddies in the northeastern South China Sea during winter 2003/2004

The origins and evolutions of two anticyclonic eddies in the northeastern South China Sea (SCS) were examined using multi-satellite remote sensing data, trajectory data of surface drifting buoys, and in-situ hydrographic data during winter 2003/2004. The results showed that buoy 22918 tracked an anti-cyclonic warm-core eddy (AE1) for about 20 days (December 4–23, 2003) in the northeastern SCS, and then escaped from AE1 eventually. Subsequently to that, buoy 22517 remained within a different anti-cyclonic warm-core eddy (AE2) for about 78 days (from January 28 to April 14, 2004) in the same area. It drifted southwestward for about 540 km, and finally entered into the so-called “Luzon Gyre”. Using inference from sea level anomaly (SLA), sea surface temperature (SST), geostrophic currents and the buoys’ trajectories, it is shown that both eddies propagated southwestward along the continental slope of the northern SCS. The mean speeds of AE1 and AE2 movements were 9.7 cm/s and 10.5 cm/s, respectively, which are similar to the phase speed of Rossby waves in the northern SCS. The variation of instantaneous speeds of the eddy movement and intensity of anticyclonic eddy may suggest complex interactions between an anticyclonic eddy and its ambient fluids in the northern SCS, where the eddy propagated southwestward with Rossby waves. Furthermore, SLA and SST images in combination with the temperature and salinity profiles obtained during a cruise suggested that AE1 was generated in the interior SCS and AE2 was shed from the “Kuroshio meander”.     

全球变暖背景下南海动力海平面变化

由于分辨率不足等原因,当前大部分全球耦合气候模式对南海等海洋区域的模拟能力仍然较低。本文基于超高分辨率（Ultra high-resolution） CESM-UHR耦合模式（大气和海洋水平分辨率分别达到约25 km和约10 km）研究了南海动力海平面对全球变暖的响应。研究发现：（1） CESM-UHR能够较好地模拟出南海冬、夏季节性动力海面高度和表层环流变化;（2）在四倍二氧化碳试验下,冬季南海动力海平面变化呈现出中部低、近岸高的分布特征;夏季则呈现出西北部低、东南部高的分布特征,分别对应冬、夏表层地转流增强趋势;（3）冬、夏动力海平面变化特征与风应力旋度变化具有很好的对应关系;（4）全球变暖下南海海平面变化存在季节循环放大效应,这将增大南海极端水位灾害风险。     

南海周边相对海平面变化特征及2004年苏门答腊地震影响分析

利用南海周边1989-2014年的潮汐资料和GPS长期观测资料,分析了南海周边相对海平面变化特征,以及2004年苏门答腊地震对该区域相对海平面变化的影响。研究结果表明,南海周边的相对海平面变化以上升为主,平均上升速率（4.53±0.20） mm/a,高于全球平均速率,且2004年后上升趋势加剧;南海周边相对海平面呈现6类较典型的变化特征,并存在与板块构造相对应的分区聚集现象,形成了中国东南和越南沿海、马来半岛、加里曼丹岛北部、菲律宾群岛等4个变化特征区。受2004年苏门答腊大地震的影响,马来半岛、南沙和西沙海域的地壳形变由上升趋势转为下沉,加剧了相对海平面的上升;中国东南沿海和菲律宾群岛受地震影响较小;越南沿海和加里曼丹岛北部区域的地震影响还有待进一步研究。     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E,15°S~45°N,包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场,在预报开始之前,分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法,海浪模式同化了Jason-2有效波高数据;海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟,我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段,首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟,强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠,可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。     

Sea surface height anomaly and geostrophic circulation variations in the South China Sea from TOPEX/POSEIDON altimetry

The sea surface height anomaly (SSHA) and geostrophic circulation in the South ChinaSea (SCS) are studied using TOPEX/POSE1DON (T/P) altimetry data. The SSHA, which is obtained after tidal correction based on the tidal results from T/P data, is predominated by seasonal alternating monsoons. The results reveal that the SSHA in the central part of the SCS is positive in spring and summer, but negative in autumn and winter. It is also found that the SSHA in the SCS can be approached with the sum of tidal constituents SA and SSA. The geostrophic circulations in the SCS are calculated according to sea surface dynamic topography, which is the sum of SSHA and mean sea surface height. It is suggested that the circulation in the upper layer of the SCS is generally cyclonic and notably western intensified during autumn and winter, while the western intensification is weak during spring and summer. It is also indicated that the Kuroshio intrudes into the northeastern SCS throuth the Luzon Strait in winter. But ther     

Study and application of an improved four-dimensional variational assimilation system based on the physical-space statistical analysis for the South China Sea

The four-dimensional variational assimilation (4D-Var) has been widely used in meteorological and oceanographic data assimilation. This method is usually implemented in the model space, known as primal approach (P4D-Var). Alternatively, physical space analysis system (4D-PSAS) is proposed to reduce the computation cost, in which the 4D-Var problem is solved in physical space (i.e., observation space). In this study, the conjugate gradient (CG) algorithm, implemented in the 4D-PSAS system is evaluated and it is found that the non-monotonic change of the gradient norm of 4D-PSAS cost function causes artificial oscillations of cost function in the iteration process. The reason of non-monotonic variation of gradient norm in 4D-PSAS is then analyzed. In order to overcome the non-monotonic variation of gradient norm, a new algorithm, Minimum Residual (MINRES) algorithm, is implemented in the process of assimilation iteration in this study. Our experimental results show that the improved 4D-PSAS with the MINRES algorithm guarantees the monotonic reduction of gradient norm of cost function, greatly improves the convergence properties of 4D-PSAS as well, and significantly restrains the numerical noises associated with the traditional 4D-PSAS system.     

Ekman抽吸对南海海面升高变化的贡献

利用NECP海表风场资料和T/P卫星高度计资料,研究风场通过Ekman抽吸对南海海面升高变化的贡献。通过分析发现:对于南海200 m以深区域的平均海面升高的变化,Ekman抽吸在1月和2月份起到主要作用,其他月份和海面升高变化反号。在年际尺度上,Ekman抽吸的EOF第二模态对海面高度的第一模态具有紧密的联系。     

南海中部海盆海山磁性反演及初步解析

南海中部海盆分布着众多海山,从实测磁异常反演海山磁性是南海海盆古地磁研究新的重要课题,它有助于解决南海海盆的运动方向和运动形式等问题.对南海海盆16座海山作磁性反演取得了较高的计算精度.对南海中部海盆海山磁性反演表明,海山均为非均匀磁化体,海山形成经过多期火山喷溢叠加.海山磁性差异清晰地显示了海盆分区特征.南海海盆分东部海盆区和西南部海盐区,海盆地壳运动规律差异较大:东部海盆以逆时针旋转由南往北运移;西南海盆先经历了顺时针旋转,后改为逆时针旋转,由北往南运移.