北太平洋涡旋对基于细尺度参数化的海洋内部混合的影响

基于Vector Geometry方法对2016—2018年的高度计资料进行涡旋识别,并使用细尺度参数化方法和Argo数据计算了涡旋附近的海洋内部扩散率,分析了北太平洋的涡旋对海洋内部混合的影响。结果显示,研究区域在涡旋影响下的平均扩散率比无涡旋影响下的值大6%,并且气旋涡增强了600—1200m深度的混合,对600—900m深度的混合影响最大,可达18%;反气旋涡明显增强了300—900m深度的混合,但对900—1200m深度的混合没有明显影响。随着与涡旋中心距离的增大,涡旋外围混合扩散率缓慢减小,涡旋内部混合扩散率变化不明显,此结果与2014年3—10月在24°—36°N、132°—152°E区域的一个个例分析结果一致。此外,随着涡旋强度的增大,海洋内部混合明显增强。统计结果表明,在研究区域, 90%的扩散率值在10~(-5.5)—10~(-4)m~2/s范围内。     

海洋中的天气式涡旋

将由海洋中各物理过程产生的海水特性分布非均匀性，分为小、中、天气式和全球4种时、空尺度。对比副势带急民生罗斯贝波变形半径，阐明海洋天气式涡旋小于和慢于大气中的数十倍。对比在高空锋带下方，低怪大气锋中出现地面涡，揭示海洋蛇曲中不产生高空锋带类似物及近海底锋；大洋中自由涡虽能集中于海洋上半部，便与大气中低空正、反气旋正相反。因而，锋流环和洋中涡能对局地天气起作用，流环能成为海洋子午向热传递的重要机制。     

基于案例推理的海洋涡旋特征信息空间相似性研究

目前对海洋涡旋的分析主要采用水团、近海海流分析和数值模拟方法,这些方法结合不同的区域资料已经有过很多成功的研究。但面对日益增长的多源、大面积海洋遥感数据,在快速自动化提取海洋涡旋的空间信息方面还存在很多难题。因此该文针对海洋涡旋空间信息的快速定量分析问题,提出了基于案例推理(Case-Based Reasoning,CBR)的海洋涡旋空间相似性研究方法。该方法首先采用多源数据(遥感数据、遥感反演数据、观测数据等)进行历史涡旋案例定量分析,并构建基于CBR的海洋涡旋案例表达模型和历史案例库;继而采用“基于重心矢径的序列分析方法”进行历史涡旋空间相似性分析,并结合典型的海洋涡旋区域给出具体实例。研究结果表明该方法是可行的。     

基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性分析

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km, 时间尺度约为1天, 里查森数和罗斯贝数为0(1), 能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级, 并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果, 采用方差椭圆方法, 评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征, 并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明, 黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域, 主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域, 各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系, 表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制, 较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。     

短生命周期海洋涡旋的时空分布特征

中尺度涡旋在海洋中分布广泛,是海洋动力、营养物质等混合和输运的重要途径。统计发现海洋中超过80%的涡旋生命周期不超过1个月,属于本文定义的短生命周期涡旋。本研究采用统计、对比等方法,对全球尺度,较短生命周期涡旋的时空分布特征进行了分析。研究表明,短生命周期涡旋与大洋中环流系统密切相关,其最易发生在暖流和寒流的交汇处以及运动方向相反的两种环流的交汇处,且在除30°S～30°N的热带地区外均表现为气旋式略多于反气旋式。低纬地区,短生命周期涡旋在每年的冷季数量较多,而高纬地区与之相反。除存在大规模东向环流的海域,短生命周期涡旋一般向西迁移,同时气旋式涡旋略倾向于赤道偏转,反气旋式略倾向于极地偏转。短生命周期涡旋的平均位移和平均迁移速率呈相似的赤道对称分布规律。     

台风-涡旋相互作用研究进展

台风轨迹和强度的预报一直备受关注,也是大气和海洋学家最为关注的科学问题之一。近些年,随着观测技术和计算机模拟的快速发展,发现海洋中尺度过程和台风有紧密的联系。本文针对该主题进行简要回顾和总结,主要侧重2个方面：(1)台风如何影响海洋中尺度过程？强调了地转过程的重要性和高度计观测对台风影响涡旋的低估;(2)海洋中尺度过程如何影响台风？强调了冷暖涡的不同以及位置不同对台风强度的影响。在此基础上,探讨台风-涡旋相互作用研究中尚未解决的问题：涡旋对台风的三维响应、多涡对台风的综合效应、时间尺度匹配和海气通量等。     

基于复杂网络的海洋涡旋移动特征研究——以南海为例

海洋涡旋作为一种快速连续变化的海洋现象,如何分析和挖掘其移动特征成为当前海洋涡旋定量研究的重点。本文引入空间数据挖掘的社区网络划分方法,将涡旋过程看作复杂的移动网络,对涡旋移动的聚集性特征进行探索和分析。首先,以网格为统计单元对1992-2011年近20年南海海洋涡旋移动数据进行组织,基于图论模型构建了涡旋瞬时移动（TP）,涡旋移动起止点（OD）,涡旋最小描述距离的特征点移动网（MDL）和涡旋过程移动再生数据（RSP）4种状态的海洋涡旋的移动网络图;其次,采用基于快速模块度优化的区域划分方法分别得到4种状态下涡旋移动的聚集性区域;最后,利用弦图对区域内和区域间涡旋移动规律进行了可视化分析,发现海洋涡旋的RSP数据能够弥补原始涡旋移动数据在区域划分方法中呈现的数量不足的问题,能够在足够数据量的情况下,有效地发现从起点到终点的主要移动通道和涡旋移动的聚集性区域,这些区域反映了南海涡旋从其产生、发展到结束整个演化过程的聚集性特征。     

基于传输函数的二/三维全时空连续海洋中尺度涡旋流场实时可视化

海洋中尺度涡旋可视化可以将海洋中尺度涡旋的运动规律以图形图像等直观的方式加以展现,是研究海洋中尺度涡旋强有力的工具。然而,现有的可视化方法存在一些不足,如时空连续可视化框架中的流线不能表现全时空连续的运动过程,应用到海洋涡旋提取的特征值受阈值影响严重,交互式传输函数依赖用户经验等。为解决已有的不足,本文首次提出了全时空连续框架和传输函数标准形态模式,将基于区域的涡旋提取技术(?准则)应用到海洋中尺度涡旋可视化中,并提出了全时空连续可视化框架二维及三维的GPU实现方案。实验结果表明,本文的可视化方案达到了实时可交互的级别,对于海洋中尺度涡旋交互式可视化具有重要意义。     

基于客观方法的海洋三维涡旋核心线提取

涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素,涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋物质能量垂直运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和准则,提出了使用客观化的流场参数得到区域,并提取其山谷线作为涡旋核心线的方法,实现了对海洋三维结构中尺度涡旋核心线的提取和可视化。首先,引入了最优局部参考系,使速度、速度梯度等测度转换为在运动的参考系下保持不变的客观量,提升了在海洋科学实践中的可靠性和实用性。其次,针对含有垂向速度的海洋三维流场数据,计算其空间雅可比矩阵,展示了涡旋核心区域的三维结构,实现了海洋涡旋研究从二维到三维的提升。最后,分别在多个半径大小播撒流线种子点,分析不同旋转方向的涡旋,对已提取的涡旋核心线实验结果进行验证,证明了客观海洋三维涡旋核心线提取方法的有效性及可行性。     

哈马黑拉涡旋的季节变异研究

利用1992年1月～2006年11月期间的ECCO2海洋同化数据资料,研究了海洋上层50m平均的哈马黑拉涡旋的季节变异特征。结果表明,哈马黑拉涡旋在5月开始出现,7月达到最强,3月和4月消失,这主要取决于新几内亚沿岸流的季节变化。新几内亚沿岸流4～11月为西北向,从12月到次年的2月为东南向。随着西北向新几内亚沿岸流的增强,哈马黑拉涡旋开始出现并增强。而随着西北向新几内亚沿岸流的减弱和反向,哈马黑拉涡旋减弱并消失。同时棉兰老海流在夏季的增强也有利于哈马黑拉涡旋增强。旨在研究哈马黑拉涡旋的季节变异特征及其影响因子,为进一步探讨其垂向结构、年际变异等时空变化特征和该区域的环流特征提供研究基础。     

黑潮延续体区域多源观测资料的海洋涡旋的统计对比分析

本文首次利用海面温度、海面高度异常和表面漂流浮标数据等多元观测资料定量比较了获取的涡旋特征要素。结果表明：虽然不同数据源得出的涡旋统计特征具有一定的差异,但具有相似的分布特征。在此基础上,还发现该研究区域存在异常涡旋（逆时针旋转的暖涡和顺时针旋转的冷涡）。     

基于2005~2019年卫星遥感观测的南大洋印度洋扇区中部涡旋特征分布研究

在南大洋印度洋扇区中部海域,除了地形控制(凯尔盖朗高台),南极绕极流和厄加勒斯回流的汇合流进一步加强了下游的斜压剪切强度,导致涡旋能量显著增强,因此,对该海域涡旋的研究有助于了解该海域的涡旋特征以及地形与涡旋的分布关系。基于2005~2019年卫星遥感数据,对该海域涡旋特征进行统计,并对涡旋产生地分布、跨锋面涡旋的移动状况进行分析,同时结合Argo剖面数据,进一步剖析涡旋内部水文分布特征。结果表明:该海域涡旋生命周期多在20 d以内(64.25%),平均半径多在30~100 km(96.13%);平均半径与平均振幅呈正相关关系(相关系数R=0.55);生命周期越大的涡旋平均传播距离也越大。2014年开始涡旋数量明显增加,主要由短寿命涡旋(<30 d)数量增加所贡献。反之, 21世纪10年代后期年平均涡动能异常呈减小趋势。涡旋产生地随着寿命增长,逐渐从亚南极锋与南极绕极流南部边界之间的锋面区域向亚南极锋以北移动。跨锋面涡旋中,暖涡向高纬,冷涡向低纬移动,大部分具有携带水团移动的能力。由涡旋内部水文特征分析结果可知,不同极性的涡旋能够实现完全不同来源水团的远距离输送,对同一来源水团,气旋涡具有抬升作用,而反气旋涡具有压沉作用。该研究工作有助于提升对南大洋涡旋特征及变动的认识,为进一步的涡旋动力研究提供支撑。     

一次强降水事件中的中尺度涡旋特征分析

利用济南多普勒雷达探测资料,参考美国国家强风暴实验室发展的中气旋探测算法,对2005年9月2日发生在山东鲁南地区的1次强降水事件中的中尺度涡旋结构及其演变特征进行了分析。结果表明:造成此次强降水过程的中尺度对流系统内存在1个尺度为20km左右的风切变区,其内包含1个尺度为10km左右的涡旋;该风切变区及其涡旋在4～6km高空处最明显,其首先于高空6km附近发展,然后向上、向下生长;它们的尺度和强度达到最大的时刻也是降水最强的时段。     

多重分形方法在涡旋遥感信息处理提取中的应用研究

目前提取遥感影像中的涡旋信息主要用边缘探测技术,例如Canny算子和Hough算子等,然而由于涡旋信息和遥感影像本身的复杂性和模糊性,用传统的方法不能取得理想的提取结果.基于多重分形技术,利用海洋涡旋信息的物理特征时空形态的自相似性来提取涡旋,用NASA MODIS,Sea WiFS和NOAA在典型海区如边界流的卫星影像进行试验,研究结果表明,用多重分形方法获取的涡旋信息非常有利于对海洋涡旋的深刻认识和分析研究.     

西北太平洋不同寿命中尺度涡统计特征

本研究通过OW(Okubo-Weiss)参数和闭合等值线相结合的方法自动识别西北太平洋(0°—45°N,120°—180°E)中尺度涡并跟踪后续中尺度涡,分析了不同寿命中尺度涡的季节变化、年际变化、数量特征以及动力学参数等。研究发现,不同寿命中尺度涡的数量高峰时间在不同程度上晚于气象上最冷月份约1～3个月。与其他寿命中尺度涡不同,中等寿命中尺度涡的气旋涡(33.9 cm/s)比中等寿命中尺度涡的反气旋涡(16.9 cm/s)旋转得更快,季节变化最为显著。冬季更适于西北太平洋中尺度涡的发生与发展,并且在寿命上,更易发展为中等寿命涡旋。不同寿命中尺度涡的月数量变化都存在3个明显的周期性变化(第一主周期、第二主周期、第三主周期),根据不同主周期的时间尺度长短,它们的影响因子分别可能是太阳辐射、ENSO现象、季节变化。从地理分布看,不同寿命中尺度涡高频区分布并不完全一致。从涡旋平均振幅地理分布看,中等寿命中尺度涡在高频区拥有最大的涡旋平均振幅(15～25 cm),短寿命中尺度涡次之(15～20 cm),长寿命中尺度涡的平均振幅最小(10～16 cm)。从涡旋半径地理分布看,长寿命中尺度涡仅在副...     

台湾以东黑潮锋的中尺度过程研究

采用海洋再分析结果,研究了海洋涡旋和锋面波动对台湾以东黑潮锋的影响,结果表明,Rossby波第一斜压模态形成的冷涡(暖涡),减弱(增强)台湾以东黑潮温度锋强度,减小(加大)锋的宽度.在再分析结果中,捕获到1991年1-2月台湾以东的一次黑潮锋面波动.锋面波动的波槽(波脊)到达时,该温度锋强度减弱(增强),宽度和厚度减小...     

台湾以东黑潮锋的中尺度过程研究

采用海洋再分析结果,研究了海洋涡旋和锋面波动对台湾以东黑潮锋的影响,结果表明,Rossby波第一斜压模态形成的冷涡(暖涡),减弱(增强)台湾以东黑潮温度锋强度,减小(加大)锋的宽度.在再分析结果中,捕获到1991年1-2月台湾以东的一次黑潮锋面波动.锋面波动的波槽(波脊)到达时,该温度锋强度减弱(增强),宽度和厚度减小...     

冬季黑潮延伸体区域涡旋尺度海面温度季节内变化特征

利用ERA_interim再分析资料以及OISST高分辨率海面温度(Sea surface temperature,SST)卫星观测数据,通过小波分析、二维模态相关(Pattern correlation)等方法系统地分析了黑潮延伸体区域涡旋尺度SST信号的季节内变化特征。发现涡旋尺度SST季节内变化信号在冬季最强、夏季最弱。该信号主要分布在黑潮-亲潮海洋锋面区域,在日本沿岸振幅最强、并沿黑潮、亲潮锋面向东延伸,其标准差高达1℃,是该海域冬季SST的重要变化信号。涡旋尺度SST的季节内变化周期以40～100 d周期为主,会引起大气边界层的响应,激发海气界面湍流热通量、海面气温、边界层高度等同位相的季节内变化。在该区域涡旋信号较强个数较多的时间段SST异常的季节内变化信号更明显,边界层大气与涡旋尺度SST季节内变化信号的相关程度更大。     

基于追踪数据的全球中尺度涡旋偶极子自动识别方法

海洋中的涡旋在传播过程中相互吸引并以偶极子的形式进行传播是一种常见的海洋现象,这些偶极子在输送海水、养分和其他物质方面发挥着重要作用.本文提出了一种基于海表面高度异常数据得到的涡旋轨迹数据的全球偶极子自动识别方法.通过使用K–D树切割空间的方法,对1993年1月至2016年9月间的涡旋轨迹数据进行计算,共发现了生命周期...     

冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究

南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构,海洋中尺度涡旋的演变(时间上的生消和空间上的迁移)是南海环流季节调整的可能方式。文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实,采用一个改进了涡分辨(eddy-resolving)普林斯顿海洋模式(POM),对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究,初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史。计算结果表明,在实际的气候冬季风应力驱动下,具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋。文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构。由此可以得知,在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段,上述动力学因子的重要性是相对的。不同的敏感性试验表明,斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子;边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素。