南海大气边界层高度的气候特征研究

利用1979—2020年逐时的ERA5再分析数据,研究了南海区域大气边界层高度的气候特征及其影响因子。结果表明：南海区域平均大气边界层高度为500～800 m,空间上呈中间高、四周低的分布特征。南海大气边界层高度具有显著的季节变化特征,总体按照冬季、秋季、夏季、春季依次递减,日变化较小,大部分区域边界层高度的日变化幅度小于300 m,日循环比较平缓。南海大气边界层高度显著的季节变化特征主要受海气温差、海表面风、感热通量、潜热通量和稳定度的共同影响。较大的海气温差和强风速使海表热通量增加,下垫面不稳定性增加,海气相互作用加强,湍流活动增强,导致秋冬季边界层高度较高。过去42 a南海区域年平均大气边界层高度显著增高,年平均增高率约为0.8 m/a,且边界层高度变化存在显著的季节差异。海表面温度升高、潜热通量增加以及稳定度减小有利于边界层的发展,可能是导致南海边界层高度增加的主要原因。     

基于大涡模拟耦合模式的小尺度海气相互作用研究

大气和海洋是影响地球气候系统的两个重要因素,它们之间的相互作用是海洋和大气研究的重要课题,海气耦合模式则是研究海气相互作用的重要工具,而海气耦合模式重点考虑的参数是海气通量。针对传统的大尺度海气耦合模式缺少湍流尺度分析的问题,本文使用并行大涡模拟海气耦合模式（The Parallelized Large-Eddy Simulation Model,PALM）,在小尺度上探究风速对海气通量及湍流动能收支（Turbulence Kinetic Energy Budget,TKE Budget）的影响,设置了5、10和15m/s三种地转风速度对大气边界层（Atmospheric Boundary Layer,ABL）和海洋混合层（Oceanic Mixed Layer,OML）进行海气耦合模拟。研究表明：海气通量的分布与风速大小密切相关,风速越大,净热通量和浮力通量相对越大,由于温度上升导致海水蒸发加剧,使得大气的淡水通量增大;海洋湍流动能收支各项在近海面处受风速影响较大,且随着深度加深而逐渐减弱。本研究初步展示了小尺度海气耦合模式在海气通量研究中的应用,对进行小尺度海气相互作用研究具有一定的意义。     

热带西太平洋耦合海气系统物理量特征分析

本文利用中美“热带海洋和全球大气”（ＴＯＧＡ）科学合作第７航次（１９８９年１０月１６日～１２月４日）、第８航次（１９９０年６月１日～７月１６日）的海上船舶观测资料，对影响季和年际时间尺度全球平均大气环流演变的下垫面重要物理量变化，如海表水温（ＳＳＴ）、表面风场、表面通量和海表净热量收支等进行了分析和计算。这些现象学的图型或诊断分析，对改进区域气候特征认识，扩大对海气相互作用机理了解，提高修正表面通量参数化方案及改善区域或全球气候数据模式都是十分有益的。     

东海黑潮暖水区一次夜间云覆盖边界层发展过程的大涡模拟——辐射强迫研究

2015年4月2日,中国海洋大学东方红2船在东海黑潮暖水区观测到了一次夜间云顶逆温边界层发展的过程。本文利用船载数据及UCLA_LES3.0模式进行数值模拟,讨论边界层发展的原因以及云对边界层发展的作用。结果显示,海表潜热通量的供应使边界层内水汽增多,水汽抬升凝结成云。云的产生使边界层内水汽通量、热通量以及垂向湍流速度的分布发生改变,云区的水汽通量变大,云顶的热通量发生突变,云区和近表面层均有湍流速度的极大值,云底有湍流速度的极小值。云形成过程中通过改变边界层内浮力项的贡献影响边界层的垂直结构,云区有正的浮力项贡献,云底以下有负的浮力项贡献。云顶长波辐射主要影响边界层中上层,在关闭辐射强迫后,边界层内比湿和位温的廓线没有明显变化,但最大垂直速度减小了20%,垂向积分的湍流动能降低了约30%,垂向湍流速度在边界层中上层不存在极大值,边界层内热通量廓线没有突变,水汽通量和热通量廓线分布与晴空边界层廓线相当。本研究通过数值试验证明了云顶长波辐射效应对大气边界层的反馈作用,为理解云与边界层的相互作用提供了科学依据。     

关于海气耦合模式气候漂移及敏感性的一点探讨

本文从概念性的大气或海洋系统及海气耦合系统出发,通过简单的理论分析指出:用观测气候场作为边界条件来调试大气或海洋模式并非最佳选择;海气耦合漂移是由两部分组成的,其中一部分源于未耦合模式模拟得到的气候状态与观测气候状态之间的系统误差,而另一部分则源于海气系统的非线性相互作用;海面“通量修正”可以消除因模式气候与观测气候之间的系统误差而引起的那部分漂移,但仍保留了海气系统的大部分非线性相互作用项.本文最后利用中国科学院大气物理研究所发展的海气耦合模式进行了敏感性试验,指出耦合漂移受到模式海洋的垂真发辨的率、海洋温盐扩散方案、海气耦合强度等诸多因素的影响.     

海洋飞沫方案改进对台风“威马逊”强度预报的影响

本文采用分粒径段组合方式改进海气耦合模式海洋飞沫方案,并利用耦合模式对1409号台风"威马逊"进行数值模拟,分析了海洋飞沫方案改进对台风结构、强度以及海气动量通量、热量通量模拟结果的影响。结果显示,耦合模式中海洋飞沫方案可通过改变海表面粗糙度影响海气动量与热量通量;海洋飞沫还可以通过沫滴向大气输送感热和水汽而直接影响海气热通量,进一步影响台风的强度。模拟结果显示改进后海洋飞沫方案的台风强度更接近观测。改进海洋飞沫方案后粗糙度的计算结果小于原始方案,相应地海气热通量以及下垫面耗散作用也弱于后者,海表面风场是海气热交换与下垫面耗散共同作用的结果。     

一种船载走航式海气甲烷交换通量测量系统设计与应用研究

海气界面交换是实现海洋和大气相互作用的重要途径,其通量代表海洋与大气之间的能量交换幅度。研究海气交换通量变化特征对监测海气界面碳循环过程、碳收支通量和全球气候变化具有重要意义。针对传统通量测量方法存在观测方式结合不足、样品转移损耗大、无法实时测量导致计算结果偏差较大等问题,并结合实际工作需求,本文设计了水气甲烷交换通量自动测量系统。该系统主要由采集模块、控制模块及辅助模块构成,在硬件层面上实现了船载海表大气及表层海水甲烷同步走航测量。基于C#、JavaScript语言对流式数据实时存储及通量计算过程进行了可视化编程,该系统实现了交换通量结果计算自动化,解决了海水—大气界面甲烷含量及交换通量的快速实时测量等核心问题。通过对海气通量自动测量系统海试,验证了该系统设计的可行性,为后续研究多尺度海气相互作用及全球气候变化提供了新的技术手段。     

中低风速下海洋飞沫对海气热通量的影响

基于2016-02-01—2016-05-21在南海博贺海洋气象观测平台观测的实验资料,首先利用整体空气动力学算法分别计算海气界面处感热通量与潜热通量,同时利用涡动相关法计算液滴蒸发层处总的感热通量与潜热通量。然后比较海气界面处热通量与液滴蒸发层处热通量的值,并利用差比法分别对2处感热通量和潜热通量进行做差计算。结果表明:液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量存在明显差异。通过与海洋飞沫引起的热通量值比较,结果表明液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量的差值由海洋飞沫作用引起;且在中低风速条件下,海洋飞沫引起的热通量与风速呈正相关;相比感热通量而言,潜热通量随着风速的变化更为显著。     

热带太平洋海气热交换年变化特征的分析

本文用块体动力学公式计算了热带太平洋潜热、感热通量,并用EOF方法分析了这两类热通量的时空分布以及影响它们的因素.结果指出,热通量的模态1反映了太平洋海气热交换的基本气候特征,中、西太平洋的暖池就是这种气候特征下的具体反映;模态2说明了海气热交换与海流和海陆分布有密切联系;模态3反映了下半年海气热交换的加强,为热带太平洋ITCZ的活动提供了能量.东太平洋,感热通量和海气温差分布型十分相似,而西太平洋,则取决于全风速的量值.潜热通量的时空分布主要取决于全风速的时空分布,和比湿差的分布型相差较大.赤道以北中、西太平洋风速异常是导致气候异常的关键.北半球ITCZ云带是由其海面热通量变化所决定;西太平洋SPCZ云带是由其海表温度和海气温差所决定.     

热带西太平洋耦合海气系统物理量特征分析

本文利用中美“热带海洋和全球大气”（ＴＯＧＡ）科学合作第７航次（１９８９年１０月１６日－１２月４日），第８航次（１９９０年６月１日－７月１６日）的海上船舶观测资料，对影响季和年际时间尺度全球平均大气环流演变的下垫面重要物理量变化，如海表水温（ＳＳＴ），表面风场，表面通量和海表净热量收支等进行了分析和计算。这些现象学的图型或诊断分析，对改进区域气候特征认识，扩大对海气相互作用机理了解。提高修正表面通     

南海上层热含量的年代际变化及影响因子分析

南海上层海洋热力结构年代际变化的研究,是海气相互作用与变化研究的热点之一,对南海区域及更大范围的气候异常的研究和南海海洋环流年际变化的研究都具有重要意义。本文采用多套海温、流场和海气界面通量资料,基于热平衡方程和统计分析方法,分析了南海上层热含量的年代际变化,研究了南海上层热含量影响因子的变化特征,比较了混合层及混合层以下热含量变化的异同,进而探讨了影响因子在混合层及混合层以下的不同作用;利用区域积分海温方程后得到的热量收支方程,诊断南海内区不同海域的热收支方程中的各项,发现了不同海域在影响热收支的物理过程方面存在差异。结果表明:南海混合层的热含量的变化主要受海气界面热通量的影响,夹卷效应在热含量的变化中也有接近1/3的贡献。在整个上层400m的热含量变化中,平流效应占据了主导地位。     

Large eddy simulation of turbulence in ocean surface boundary layer at Zhangzi Island offshore

This study uses a large eddy simulation （LES） model to investigate the turbulence processes in the ocean surface boundary layer at Zhangzi Island offshore. Field measurements at Zhangzi Island （39°N, 122°E） during July 2009 are used to drive the LES model. The LES results capture a clear diurnal cycle in the oceanic turbulence boundary layer. The process of the heat penetration and heat distribution characteristics are analyzed through the heat flux results from the LES and their differences between two diurnal cycles are discussed as well. Energy balance and other dynamics are investigated which show that the tide-induced shear production is the main source of the turbulence energy that balanced dissipation. Momentum flux near the surface shows better agreement with atmospheric data computed by the eddy correlation method than those computed by bulk formula.     

西太平洋暖池区域热通量变化及其与南海夏季风爆发的关系

利用卫星遥感资料反演出的海洋大气参数,应用目前世界较为先进的通量算法(CORAER 3.0),计算了西太平洋区域海-气热通量(感热通量和潜热通量)。首先分析了海-气热通量的多年平均场和气候场变化的基本特征,以及年际和年代际变化特征;进而对其与南海夏季风爆发之间的关系进行了初步探讨。结果表明,西太平洋海-气热通量具有明显的时空分布特征,感热通量的最大值出现在黑潮区域,潜热通量的最大值出现在北赤道流区和黑潮区域。在气候平均场中,黑潮区域的感热通量和潜热通量最大值均出现在冬季,最小值出现在夏季;暖池区域感热通量除了春季较小外,冬、夏和秋季基本相同,而潜热通量最大值出现在秋、冬季,最小值出现在春、夏季。另外,海-气热通量还具有显著的年际变化和年代际变化,感热通量和潜热通量均存在16 a周期,与南海夏季风爆发存在相同的周期。由相关分析可知,4月份暖池区域的海-气热通量与滞后3 a的南海夏季风爆发之间存在密切相关关系,这种时滞相关性,可以用于进行南海夏季风爆发的预测,为我国汛期降水预报提供科学依据。基于以上结论,建立多元回归方程对2012年的南海夏季风爆发进行了预测,预测2012年南海夏季风爆发将偏晚1～2候左右。     

TOGA—COARE IOP海—气通量和SST季节内变化的分析

利用TOGA—COARE计划的强化观测资料,对《实验3号》科学考察船第一和第二两个航次期间暖池区内感热、潜热和海面净热通量、动量通量和混合层深度、SST变化进行计算和初步分析。指出:上述各量都存在明显的季节内时间尺度变化。从对计算结果的对比分析得出:SST的变化与垂直混合、潜热输送和云对短波辐射的调节作用有比较密切的关系。可以认为,海洋SST季节内时间尺度的变化可能与大气的动力和热力强迫有直接的关系。     

2008年南海季风爆发前后西沙海域海气通量变化特征

基于2008年4至5月在南海西沙永兴岛进行的海气通量观测试验资料和NCEP资料,应用COARE3.0通量算法计算了海气通量,分析了季风爆发前后西沙海域天气变化特点和海气通量对南海季风爆发的响应。结果表明:2008年南海季风首先于5月第1候在南海南部爆发,受热带气旋等因素的影响,北部海区季风爆发推迟到5月18日。季风爆发和热带气旋活动对西沙海域的风速和海气通量影响较大,其中热带气旋的影响更强烈。热带气旋来临之前,潜热通量、感热通量以及动量通量均较小;在气旋活动及此后的季风爆发时期,大风使潜热通量和动量通量显著增强,感热通量则在降水期间变化明显;动量通量的最大值出现在热带气旋活动期间,其在此过程中的均值是观测初期均值的3倍以上。在整个观测过程中,潜热通量明显大于感热通量,后者是前者的16∶1。不同类型天气过程中,潜热通量的日变化相似,而感热通量的日变化有差异。湍流交换系数与风速有较好的相关关系。     

穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响

用数值方法研宄穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响时,有些学者人为地设定了风速和热通量。这种做法可能会出现风速和热通量数值不匹配的问题。为了弥补这一缺陷,本文采用国内外常用的块体公式计算热通量的方法来代替人为设置,并以北太平洋为例,研究了穿透性太阳短波辐射对海洋混合层深度的影响。结果表明:低风速(U10<10m／s),且海表短波净辐射处于40～200 W／m2时,穿透性太阳短波辐射对混合层深度影响很显著;高风速(U10>10m／s)和短波净辐射高值区(S*(0)>200 W／m2),穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响较小。     

A Comparison of Sea Surface Fluxes over Southern Indian Ocean Cruise Expedition Observation and NCEP Reanalysis

Surface layer atmospheric and ocean observations have been collected along the cruise track from a special scientific expedition to Antarctica. Bulk estimates of surface momentum flux, sensible heat flux and latent heat flux have been computed applying bulk algorithms from the data collected along cruise track during the time period January 27 to March 31, 2006, and compared the results with National Centre for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis. Underestimation of surface momentum flux in roaring forties (40°S–50°S) area of Indian Ocean is seen from NCEP reanalysis. Systemic differences in sensible and latent heat fluxes between observed and NCEP reanalysis have been found. Along the cruise track, the average sensible (latent) heat flux was 9.45 Wm^?2 (67.46 Wm^?2) and 3.75 Wm^?2 (64.45 Wm^?2) from the direct measurement and NCEP reanalysis, respectively. The NCEP reanalysis is being widely used in numerical modeling studies, and the discrepancies shown in the NCEP reanalysis in present study will be of immense use to the modeling community of the Indian Ocean in general and Southern Indian Ocean in particular.     

南海西南季风期NCEP2湍流热通量的质量分析

以5次南海现场观测试验数据(Xisha2002,Xisha2000,Xisha1998,Kexue 1和Shiyan 3)为参照,对NCEP2再分析资料中湍流热通量在南海西南季风期的精度进行了评估.结果表明NCEP2估算的潜热通量的平均值在试验Xisha2000,Xisha1998,Kexue 1和Shiyan 3期间分别高估了6(11%),2(2%),7(7%)和13W/m2(16%),而在Xisha2002试验中低估了10 W/m2(11%).在5个试验中低估的感热通量分别为7(130%),3(64%),7(170%),5(53%)和5 W/m2(72%).NCEP2与5个现场观测试验的时间序列的相关系数均没有达到95%的置信度.模式中湍流热通量损失的误差来源于基本变量和算法,基本变量中以海表温度和海面风速的误差产生的影响最大.应用COARE2.6a算法和NCEP2的基本变量重新计算的湍流热通量更加符合物理意义.     

FIO-ESM v2.0 CORE2-forced experiment for the CMIP6 Ocean Model Intercomparison Project

We introduced the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) Ocean Model Intercomparison Project CORE2-forced (OMIP-1) experiment by using the First Institute of Oceanography Earth System Model version 2.0 (FIO-ESM v2.0), and comprehensively evaluated the simulation results. Unlike other OMIP models, FIO-ESM v2.0 includes a coupled ocean surface wave component model that takes into account non-breaking surface wave-induced vertical mixing in the ocean and effect of surface wave Stokes drift on air-sea momentum and heat fluxes in the climate system. A sub-layer sea surface temperature (SST) diurnal cycle parameterization was also employed to take into account effect of SST diurnal cycle on air-sea heat ?uxes to improve simulations of air-sea interactions. Evaluations show that mean values and long-term trends of significant wave height were adequately reproduced in the FIO-ESM v2.0 OMIP-1 simulations, and there is a reasonable fit between the SST diurnal cycle obtained from in situ observations and that parameterized by FIO-ESM v2.0. Evaluations of model drift, temperature, salinity, mixed layer depth, and the Atlantic Meridional Overturning Circulation show that the model performs well in the FIO-ESM v2.0 OMIP-1 simulation. However, the summer sea ice extent of the Arctic and Antarctic is underestimated.