德雷克海峡绕极流和锋面的研究

利用我国第九次南极考察队获得的德雷克海峡地区水温资料,并结合国外锚碇浮标和测流资料,分析和研究了德雷克海峡绕极流和锋面的时间变化和空间变化.研究表明,德雷克海峡绕极流的流速共有3个强流区,就德雷克海峡上层海流的空间变化而言,以亚南极锋附近的海流最强,流向和流速也最稳定少变.德雷克海峡深层海流的空间分布特点与上层海流的空间分布特点不同,深层流速明显减弱,且稳定性差.德雷克海峡绕极流有着明显的时间变化,但是这种时间变化因地而异.极锋附近在冬春季节是稳定的深层北向流,它与南半球高纬度的冬、春季节的Ventilation过程有着密切的关系,德雷克海峡上层水温的空间分布具有明显的锋面分布特征.水温在德雷克海峡的高纬度区更加稳定少变,而极锋附近深层海水温度随时间的变化最大.     

黄渤海夏季水温垂直分布的年代际变化

海洋水温的时空分布是海洋学研究的基本内容之一,利用1970-1999年World Ocean Database的6-8月水温数据,分析了黄渤海水温垂直分布的年代际变化。结果表明,水温垂直分布有年代际的变化,上层和下层水温差异有增大的趋势。深层冷水区出现的位置和范围大小也存在变化,以80年代的范围最大。以△T/△z≥0.2°C/m作为跃层判断标准,黄渤海存在明显的夏季温度跃层。温度跃层强度在不同海域有较大的差异,也存在年代际的变化。渤海的温度跃层强度变化较小,基本维持在较低的水平,而黄海的温度跃层强度较大。     

热带大西洋年际和年代际变率的时空结构模拟

使用美国夏威夷大学发展的中等复杂程度海洋模式(IOM)在给定表面强迫条件下模拟了热带大西洋上层海洋年际和年代际变率的时空结构.利用NCEP的41a(1958～1998年)逐月平均表面资料作为强迫场,积分海洋模式41a作为控制试验,并利用模式分别做动量(风应力)通量和热量通量无异常变化的平行试验,与控制试验作比较.对3组试验模拟上层海洋变率状况的比较,并按年际和年代际时间尺度分别分析,揭示表面风应力和热通量异常对海表面温度和温跃层深度变化的影响,并比较了其影响的相对重要性.结果表明模式成功地模拟出了热带大西洋上层海洋的变率.模式模拟的海表面温度年际变化主要表现为弱ENSO型,年代际变化表现为南、北大西洋变化相反的偶极子型.在年际时间尺度上,热力强迫和动力强迫对海表温度变化都有贡献,其中赤道外海表面温度异常(SSTA)变化主要由热通量异常引起,而近赤道SSTA的变化主要由动量异常强迫引起.在年代际时间尺度上,热通量强迫的作用远比动量强迫重要.模式不仅能够模拟SST在年际和年代际时间尺度上的变率,还能够模拟温跃层深度在年际和年代际时间尺度上的变率.年际和年代际时间尺度上,温跃层深度的变率主要由动量异常决定,热通量异常强迫的贡献很小.     

热带西北太平洋0~300 m热含量的年代际变化

太平洋是海表温度年际变化和年代际变化发生的主要区域,但对太平洋海洋热含量变化的研究相对较少。为此, 本文分析了1980—2020年太平洋上层(0~300 m)热含量的时空变化特征。基于IAP数据,本文首先利用集合经验模态分解法(EEMD)提取不同时间尺度的海洋热含量信号,并利用正交经验分解法(EOF)对不同时间尺度的海洋热含量进行时空特征分析,得到了太平洋0~300 m海洋热含量的年际变化、年代际变化以及长期变暖的时空特征。结果表明,除了年际变化之外,热带西北太平洋上层热含量还存在明显的年代际变化和长期变暖趋势。在东太平洋和高纬度西太平洋,热含量的年代际变化特征并不突出。热带西北太平洋热含量的年代际变化在1980—1988年和1999—2013年较高,而在1989—1998年和2014—2020年期间较低。此外,针对热带西北太平洋热含量的经向、纬向和垂向特征分析,发现这种年代际变化主要发生在5°N—20°N,120°E—180°E,次表层50~200 m范围内。热带西北太平洋热含量的年代际变化对全球海表温度的年代际变化有着重要作用。     

白令海峡夏季流量的年际变化及其成因

白令海峡是连接太平洋和北冰洋的唯一通道,穿过海峡的海水体积通量在年际尺度上的变化主要取决于海峡南北两侧的海面高度差,白令海峡的入流对北冰洋海洋过程有重要的意义。利用SODA资料计算夏季白令海峡海水体积通量,对其年际变化及成因进行分析。结果表明夏季白令海峡的体积通量主要是正压地转的;当体积通量为正距平时,楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海以及波弗特海南部海面高度为负距平,同时,白令海陆架海面高度为正距平;对这些海域的Ekman运动、上层海洋温度、盐度和垂直流速进行分析,发现海面高度异常与海峡体积通量的这种关系主要是与海面气压异常分布所产生的Ekman运动有关。当白令海峡的体积通量为正距平时,北冰洋中央海面气压为正距平,白令海海盆海面气压为负距平。这种气压的异常分布在一定程度上解释了上层海洋运动、海水温盐结构与白令海峡入流的关系,从而把夏季大尺度大气环流和白令海峡体积通量的年际变化联系了起来。     

热带印度洋-太平洋热力异常联合模及其指数定义研究

根据1955-2003年的全球海洋上层热含量资料,利用经验正交函数(EOF)分解法分析了热带印度洋-太平洋上层热含量距平场的时空变化.结果表明,无论在印度洋还是在太平洋,上层热含量距平场都存在着一种显著的东西向偶极型振荡,其年际变化与ENSO循环有密切的联系.据此定义了热带印度洋-太平洋热力异常联合模指数,功率谱分析和10 a滑动的t检验结果表明,该联合模具有显著的年际和年代际变化,并在1976年前后经历了一次由冷到暖的气候跃变.进一步分析还发现,该联合模的变化特征能较好地反映太平洋ENSO事件和印度洋偶极子事件的基本信息.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅱ.年代际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟,分析了北太平洋海温和环流场的年代际变化特征,同时诊断了1976-77年代际跃变过程中海温场变化的机制.模式模拟出了北太平洋海温年代际异常的主要模态以及1976-77年跃变前后的演变特征,模拟的北太平洋中部、加州沿岸和KOE区的海温异常的强度和演变趋势均和观测比较一致;同时,模式重现了分别始于20世纪70和80年代的中纬度海温异常信号沿等密度面向低纬地区的两次潜沉过程.在表层,流场的异常主要表现为与风应力异常基本符合Ekman关系的一个异常海洋涡旋,而整个上层海洋平均的流场异常则表现为两个海洋涡旋的异常,其中副热带海洋涡旋的异常的强度要显著于副极地海洋涡旋的异常,而副极地海洋涡旋异常出现的时间比副热带海洋涡旋晚3a左右的时间.对1976-77年前后3个区域上层海温各贡献项的诊断结果表明,北太平洋中部变冷主要是水平平流和热通量异常贡献的结果;而加州沿岸变暖主要归因于热通量的贡献;在KOE区,垂直平流、热通量和水平平流三者都起了重要作用,其中水平平流异常对这一区域海温年代际跃变出现的时间起了至关重要的作用.     

大西洋热盐环流年代际变化机制研究Ⅱ．热盐环流年际和年代际变化机制研究

基于德国Max-Planck气象研究所的最新大气海洋环流模式(ECHAM5/MPI-OM),对控制试验(control run)下热盐环流(THC)年际及年代际变化进行了分析,揭示了年代际变率的产生机制。研究表明:(1)THC年际振荡的主导周期是4 a,年代际振荡的主导周期是24 a,THC的年代际振荡信号最强,是第一主成分。(2)THC的年代际振荡机制为:首先从大西洋径向翻转环流(MOC)强度最小开始,由于MOC强度处于较弱状态,从低纬度向高纬度输送的热量偏少,副极地海区海表温度出现负异常,持续5 a之后,北大西洋副极地海区海表温度达到最大负异常。此时副极地流环中心(北大西洋)的表层海水变冷,密度增加,海表面下降,产生从副极地流环边缘指向副极地流环的中心的压强梯度力,根据地转平衡关系,北大西洋副极地海区的上层海洋会出现一个气旋式的环流异常(副极地流环得到加强),北大西洋暖流(NAC)同时得到加强。在副极地海区海表温度达到最大负异常的3 a之后,副极地流环和NAC达到最强。由此,作为NAC延伸的法鲁海峡入流水增强,更多的高盐法鲁海峡入流水进入格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域,使GIN海域层结稳定性减弱。1 a后,GIN海域深层对流增强,格陵兰-苏格兰海脊溢流水增加。在GIN海域深层对流达到最强的3 a之后,MOC强度达到最大。整个状态翻转过程完成的时间大约为12 a,THC年代际振荡的整个周期大约是24 a。     

吕宋海峡上层海洋对于台风南玛都响应的观测分析与数值模拟试验

利用海洋模式POM模拟了吕宋海峡上层海洋对历经其上的2011年8月1111号台风南玛都的响应过程。基于2个方面进行了模拟实验,其一是吕宋海峡上层海洋对固定大小及位置的台风风场响应;其二是吕宋海峡上层海洋对台风南玛都移动期间的响应。并分析了台风南玛都的风场和海洋响应南玛都的表层流场、SST及SSS。研究结果表明:(1)吕宋海峡上层海洋对台风风场结构不对称的响应表现出吕宋海峡上层海洋右侧的流速要远大于左侧,海流和台风一样具有右偏特征。海洋表面温度(SST)下降2~7℃,下降的空间范围直径在百公里,表现为右强左弱的不对称性。(2)上层海洋对驻台风的响应过程中,海洋流场及SST达到能量的极值后,会触发1个反气旋流场控制吕宋海峡,SST经过约10d时间恢复到初始态。(3)上层海洋对台风移动过程的响应表现为1个随台风移动的海洋流场,海流的强度和SST下降的幅度都较小,海流气旋式结构沿着路径有一定的拉伸,并且在路径后方出现尾流。     

吕宋海峡西侧海域混合层盐度低频变化特征分析

利用WOD09和Argo剖面资料,结合SODA、OFES、GPCP和WHOI等资料分析了吕宋海峡西侧海域混合层盐度1984—2010年间的长期变化趋势和年代际变化特征,并利用混合层盐度平衡方程探讨了其变化机理。研究结果表明:(1)吕宋海峡西侧海域的盐度整体上呈现下降趋势,线性趋势为-0.020/a;(2)以1999年为界,吕宋海峡西侧海域的盐度在1999年之前为正距平,最大正距平值可达0.14,平均值为0.05,在1999年之后为负距平,最大负距平值为-0.22,平均值为-0.06;(3)影响该海域混合层盐度的长期变化趋势和年代际变化的主要因素为平流作用,特别是黑潮入侵的变化。     

海面温度半球间偶极子模态对7—11月北半球平均热带气旋强度年代际变化的调控

海面温度半球间偶极子(sea surface temperature inter-hemispheric dipole,SSTID)是全球海面温度(sea surface temperature,SST)异常的重要模态之一,表现为南、北两半球间SST的反相变化。此文探究了7—11月SSTID对7—11月北半球平均热带气旋(tropical cyclone,TC)强度年代际变率的超前影响。观测分析表明,SSTID超前7—11月北半球平均TC强度年代际分量8~11 a,并在提前时间为9 a时达到最大正相关。通过海洋-大气耦合桥理论进一步分析表明,7—11月北半球TC活跃区海洋可以作为海洋桥,以SST的形式存储超前约9 a的SSTID信号。同时北半球TC活跃区大气作为大气桥将超前约9 a的SSTID信号传递到大气中,进而作用于7—11月北半球平均TC强度,该过程以TC潜在生成指数为表征。北半球TC活跃区的垂直风切变和600 hPa相对湿度的综合影响在其中起关键作用。由此建立了基于SSTID的7—11月北半球平均TC强度年代际变化预测模型,该模型表现出良好的后报性能。利用该模型对2021—2029年7—11月北半球平均TC强度预测表明,7—11月北半球平均TC强度将以持续增强为主并在2020年代末达到破纪录的强度。     

Argo时代东南印度洋上层盐度变化对海平面年代际演变的影响

In the past nearly two decades, the Argo Program has created an unprecedented global observing array with continuous in situ salinity observations, providing opportunities to extend our knowledge on the variability and effects of ocean salinity. In this study, we utilize the Argo data during 2004–2017, together with the satellite observations and a newly released version of ECCO ocean reanalysis, to explore the decadal salinity variability in the Southeast Indian Ocean(SEIO) and its impacts on the regional sea level changes. Both the observations and ECCO reanalysis show that during the Argo era, sea level in the SEIO and the tropical western Pacific experienced a rapid rise in 2005–2013 and a subsequent decline in 2013–2017. Such a decadal phase reversal in sea level could be explained, to a large extent, by the steric sea level variability in the upper 300 m. Argo data further show that, in the SEIO, both the temperature and salinity changes have significant positive contributions to the decadal sea level variations. This is different from much of the Indo-Pacific region, where the halosteric component often has minor or negative contributions to the regional sea level pattern on decadal timescale. The salinity budget analyses based on the ECCO reanalysis indicate that the decadal salinity change in the upper 300 m of SEIO is mainly caused by the horizontal ocean advection. More detailed decomposition reveals that in the SEIO, there exists a strong meridional salinity front between the tropical low-salinity and subtropical high salinity waters. The meridional component of decadal circulation changes will induce strong cross-front salinity exchange and thus the significant regional salinity variations.     

北太平洋副热带模态水盐度的年代际变化

副热带模态水(Subtropical Mode Water;STMW)在气候变化中起着重要作用。本文利用全球高分辨率数值模拟结果,研究了北太平洋STMW核心层盐度(Core Layer Salinity;CLS)的年代际变化及其物理机制。结果表明,CLS存在显著的年代际变化,其空间分布则与背景流场分布特征有关。侵蚀区CLS滞后生成区CLS约1~2年,这主要是海流平流输运引起的。生成区内,STMW的季节循环一般可分为生成期(12-4月)、隔离期(5-6月)和侵蚀期(7-11月),生成期混合层盐度(Mixed Layer Salinity;MLS)决定着隔离期和侵蚀期的CLS,而MLS年代际变化则主要由同太平洋年代际涛动存在负相关性的海表面淡水通量的变化引起。     

Sea level variations in the regional seas around Taiwan

The patterns and trends of sea level rise in the regional seas around Taiwan have been investigated through the analyses of long-term tide-gauge and satellite altimetry data. Series of tide-gauge data extending over 50 years reveal decadal and interannual variations and spatially-inhomogeneous patterns of generally rising sea level. The East Asia tide-gauge stations around Taiwan show an average trend of +2.4 mm/yr from 1961–2003, which is larger than the reported global rate of +1.8 mm/yr for the same period. These stations also show significantly larger sea level rise rates (+5.7 mm/yr) than global values (+3.1 mm/yr) during the period from 1993–2003. Consistent with the coastal tide-gauge records, satellite altimetry data show similar increasing rates (+5.3 mm/yr) around Taiwan during the same period. Comparisons with temperature anomalies in the upper ocean suggest that thermal expansion and heat advection in the upper layer contribute significantly to the long-term sea level variations in this area with correlations >0.9 for observations after 1992. Thermosteric sea level variations may also explain the interannual and decadal variations of the observed sea level rises around Taiwan. Our analysis also indicates that the altimetry data are only part of a long-term, larger-scale signal. Finally, we have found that a non-linear smoother, LOESS, is more suitable for extracting long-term trends in sea level than the traditional linear regression approach.     

Heat oscillation in the upper ocean of the southern South China Sea

Data used in this study are temperature/depth profiles taken over the upper 400 m of the ocean in the southern South China Sea (4°-14° N, 106°-120° E) for the period 1961-1973. The data are analyzed on the grid 2 (latitude) by 2 (longitude) in space and bimonthly in time. The vertically averaged temperature (TAV) over the upper 100 m of the ocean is calculated as the estimate of the heat content in the upper ocean.The TAV is cooler in the northwest region of the study area and warmer in the southeast in the annual and seasonal mean figures. The first EOF (Empirical Orthogonal Function) of anomalous TAV accounts for 41 % of the total variance for the period 1961-1973. The time function associated with it displays a significant interannual changes in the heat content, with 2-4 a oscillation period and associated with the ENSO events. During ENSO event TAV increases with the tendency of increasing towards equator along the basin. This anomalous states also exist in the water layers below 100 m depth. T     

南海黄岩岛珊瑚记录的1780-2013年的表层海温年代际变化特征

基于南海中部黄岩岛滨珊瑚生长率与表层海温距平（SSTA）的正相关关系,重建了1780-2013年（共234年）黄岩岛海域SSTA年际变化序列。结果表明,1780-1890年SSTA总体偏低,平均为-0.2℃,最低SSTA为-1℃（1837年）,对应于小冰期晚期;1890年以来SSTA总体呈阶段性上升,其中1971-1998年升温最快,1998年达到峰值（2℃）,之后SSTA略呈下降趋势,冷暖变化与北半球陆地温度变化基本是同步的。频谱分析显示,黄岩岛海域SSTA在过去234年主要呈现出26~34 a的冷暖周期波动,其相位转变基本与太平洋年代际振荡冷-暖位相同步。近234年来南海中部黄岩岛海域SSTA的年代际变率并不是持续不变的,1890年以来该海域SST年代际变率出现明显增强,可能与全球变暖导致的海洋内部变率的变化有关。考虑到热带西南太平洋SST年代际变率同样在1890年也发生了一次转变,我们认为这些证据可能指示了整个热带太平洋内部变率在1890年以后发生了一次转变。     

南海冬季海浪的时空变率特征

The spatial and temporal variation characteristics of the waves in the South China Sea(SCS) in the boreal winter during the period of 1979/1980–2011/2012 have been investigated based on the European Centre for Medium-range Weather Forecasts interim(ERA-Interim) reanalysis dataset. The results show that the leading mode of significant wave height anomalies(SWHA) in the SCS exhibits significant interannual variation and a decadal shift around the mid-1990 s, and features a basin-wide pattern in the entire SCS with a center located in the west of the Luzon Strait. The decadal change from a weak regime to a strong regime is mainly associated with the enhancement of winter monsoon modulated by the Pacific decadal oscillation(PDO). The interannual variation of the SWHA has a significant negative correlation with the El Ni?o Southern Oscillation(ENSO) in the same season and the preceding autumn. For a better understanding of the physical mechanism between the SCS ocean waves and ENSO, further investigation is made by analyzing atmospheric circulation. The impact of the ENSO on the SWHA over the SCS is bridged by the East Asian winter monsoon and Pacific-East Asian teleconnection in the lower troposphere. During the El Ni?o(La Ni?a), the anomalous Philippine Sea anticyclone(cyclone) dominates over the Western North Pacific, helps to weaken(enhance) East Asian winter monsoon and then emerges the negative(positive) SWHA in the SCS.     

基于精细温度观测的南海东北部陆坡-深海盆底层湍流混合*

南海是存在强湍流混合的边缘海之一, 但前人对南海湍流混合的研究更多关注的是中上层, 对底层则鲜有关注。本文基于高分辨率温度传感器于2019年5月在南海东北部22个站位海底上方0.5m处持续观测4.4d的温度数据, 分析了2216~3200m深度范围内底层海水温度的时间变化特征, 并探讨了地形粗糙度和内潮对底层湍流混合的影响。分析结果表明, 南海东北部各站位底层海水的温度变化量级约为10^-4~10^-3℃; 温度变化趋势与正压潮变化趋势不同, 温度能谱显示多数站位在全日和半日频带区间出现谱峰, 温度变化更多地受斜压潮影响, 全日、半日内潮起主要调制作用。陆坡-深海盆过渡区及深海盆底层的湍动能耗散率量级为10^-10~10^-9m²∙s^-3, 涡扩散系数量级为10^-4~10^-3m²∙s^-1。观测数据未能显示底层湍流混合与地形粗糙度存在明显的相关性。底层湍流混合的空间分布与过去观测到的南海北部深海盆内潮的南北不对称性分布一致。     

影响东海气候的太阳活动信息分析

采用逐次滤波法逐次提取东海气温资料序列中蕴涵的太阳活动影响信息并加以分析,发现东海气候年代际变化特征十分清楚,主要表现为:(1)突变性,东海夏季7月海平面层及对流层大气温度场在过去半个多世纪中发生过一次急剧变化,突变点是1978年7月.从1978年7月由历时30多年的温度偏低时期跃变为持续高温时期,高温期持续至20世纪末,升温幅度超过0.4℃.资料分析表明,整个对流层东海夏季大气温度都具有这种年代际变化特征;(2)高空气候持续增温型,东海夏季7月平流层中部10 hPa大气温度表现为一种波动式的持续升温过程,50多年来温度升高4℃,年升温率超过0.075℃/a.东海平流层底部100 hPa温度也具有持续升温的特点,从1948年至今呈缓慢升高的趋势,53 a升高了1.9℃,升温率为0.036℃/a;(3)周期性,东海不同高度大气温度都具有显著程度不同的22 a周期性年代际变化特征,22 a周期分量的振幅由高空到低空迅速减小,表明22 a周期高空清楚,低空不太明显.东海对流层中部和平流层底部还具有显著的11 a周期性年代际变化.据分析认为22 a周期是太阳黑子磁场磁性变化周期所激发,11 a周期与太阳黑子相对数11 a周期相吻合,二者均为太阳活动在大气气候中的反映.     

利用卫星资料分析黄海海表温度的年际与年代际变化

海表温度长期变化在一定程度上反映了海域的气候变化信号,卫星遥感资料是获取高时空分辨率水温长期变化的有效手段。基于国家海洋局1982—1999年黄海断面监测器测数据的2 954组水温数据对时空匹配的卫星(NOAA/AVHRR)反演海表温度(SST)进行校验,计算得到卫星反演SST系统偏差为(0.18±1.00)℃。卫星反演的水温空间分布以及长期变化趋势与器测趋势较为一致,可以用来研究海域SST长期变化规律。利用校验后1982-01～2011-08NOAA/AVHRR的SST数据,分析了该时段黄海冬夏季代表月2、8月海表水温的变化规律。结果显示:(1)近30a,黄海冬季水温有2次跃迁:1989—1990年由冷至暖的状态跃迁,2000-2001年出现由暖至冷的状态转变;1990年代冬季水温达最高,相比1880年代,水温升高1.07℃,新世纪水温稍有降低,水温较1990年代下降了0.53℃,温度变化较大区域位于北黄海、山东半岛沿岸,苏北浅滩毗邻海区,该区SST与局地经向风场存在显著正相关,且北极涛动通过影响冬季风间接影响黄海水温变化;(2)夏季海表水温在1994—1995年呈现由冷至暖的状态跃迁,冷、暖期水温相差0.57℃,水温变化较显著的区域为黄东海分界处,其具体变化机制需深入研究。