南大洋环流动力学研究动态

本文基于南大洋环流研究最新资料，从资料来源、动力模式以及有待解决的问题几个方面较详细地阐述南大洋环流动力学研究动态。     

南极绕极流的经向输运

南极绕极流(ACC)是南大洋中最显著的流动，流量超过130×106m3/s (Nowlin et al.，1986)。传统认为，由于以东向运动为主的ACC的存在极大地阻碍了南大洋中上层的南北向物质和能量的交换，绕极流区的经向输运是非常小的。但是近些年的研究发现，穿过ACC的通量并不是可以忽略不计的，它对维持南极和亚南极区的动力和热力平衡起着重要作用，在全球气候系统中也有着深刻的影响(Doos et al.，1994)。     

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.     

南极绕极流线性理论的一个摄动解

为了模拟南极绕极流区的流动，首先将环形条带区从Drake海峡处分开，并展成以经纬度为坐标的矩形区域。将模拟区划分为边界区和内部区。与Munk的大洋环流理论不同．在我们所考虑的线性化的涡度方程中保留了经向摩擦作用。这是基于绕极流流轴处的强剪切产生的经向摩擦项与β效应同等重要的判断。另外．内部区的北边界取为流线，而2个侧边界区的北边界视为南北水体交换的通道。基于巴西暖流穿过北边界流入和秘鲁寒流穿过北边界流出，以及常年有大于100Sv(平均约134Sv)的水体自西向东穿过Drake海峡的观测事实，引入了净通量条件。计算出了不同于Sverdrup流的更集中的内部区带状流的流线分布，这与观测大体一致。在Drake海峡处引入匹配条件，从而得到了完整的边界解。计算结果与理论分析指出，通过Drake海峡的流量远小于南极绕极流所带动水体的纬向通量是因为Drake海峡偏离绕极流流轴(也是南大洋西风带的主轴)。受南美大陆的阻挡，另一部分水体通过秘鲁寒流流出该海区。     

基于多数据集的菲律宾海深层环流研究

本文使用多套再分数据、气候态数据和模式模拟结果对菲律宾海深层环流进行了研究,同时结合断面观测数据评估了这些数据集对于菲律宾海深层水团与环流分析的适用性。结果显示,气候态数据的温盐结构与断面观测结果较为一致,较适于用来进行菲律宾海深层水团气候态特征的研究。多个非气候态资料的数据集中混合坐标模型(Hybrid coordinate ocean model GLBa0.08)数据中的温盐结构与观测相对较为接近,也可用于开展菲律宾海深层水团研究。海洋与气候环流模型(Estimating the circulation and climate of the ocean Version 2)数据与菲律宾海深层环流的观测研究吻合相对较好。通过对比分析多个数据集,结合前人研究成果,显示在菲律宾海的2 000～4 000 m层,深层水会从雅浦-马里亚纳深水通道(Yap-Mariana junction, YMJ)处入侵到菲律宾海深层,并跨过九州-帕拉海脊(Kyushu-Palau Ridge, KPR),在菲律宾海盆(Philippine Basin, PB)的南部和北部形成气旋式环流;深层水还会通过伊...     

南极普里兹湾区环流与混合的研究

Mosby(1934)指出,如果南极区的陆架水由于海冰的形成而变得足够咸,那么该陆架水将因其密度较大而沿着大陆坡下沉,并因此而形成底层水。当然,在南极周围的海域中，由于较高密度的海水下沉而引起的混合过程是十分复杂的。由于南极底层水( Antarctic Bottom Water,AABW)的主要源区在威德尔海,故以往研究者对于这种混合过程的研究多数集中于威德尔海( Foster et al.,1987)。 至于位于印度洋扇形区的普里兹湾及其邻近海区,一般认为这种类型的海水混合过程实际上并不强烈。Smith et al.,(1984)曾经根据1980-1981年澳大利亚对普里兹湾区的考察资料,分析了这一区域的水团和环流。他们认为,在这一区域中,南极底层水的主要部分源于威德尔海和罗斯海。Middleton and Humphries (1989)利用澳大利亚1981-1985年夏天对普里兹湾海区的考察资料,分析了那里的混合过程,他们认为那里的绕极深层水(CDW)在周期性的上升流过程(它与潮汐和陆架波有关)的参与下与陆架上较冷的陆架水(SW,它与陆架上的海冰形成有关)相混合,形成了低温、高盐的混合水,这种混合水被称为普里兹湾底层水(PBBW),他们认为在多数年份中,这一混合过程可能对普里兹湾中活跃的底层水的形成起主导作用。 在上一篇文章(乐肯堂等,1996:以下简称“上文”)中,我们以中国第六次(CNARE-Ⅵ)和第七次(CNARE-Ⅶ)南极考察中所获得的温、盐资料为基础,并结合有关的化学要素资料,对普里兹湾区的水团分布特性进行了分析。分析结果表明,1991年1月,在普里兹湾外的陆架底部确实存在着上述的PBBW,且这一较重(密度较大)的水有可能沿着大陆坡下滑而达到800m以下的水层。 在本文中,我们仍以上述考察资料为基础,对普里兹湾区的环流和混合过程进行分析,进一步探讨普里兹湾区底层水形成的可能方式。本文所用的考察资料和站位均与“上文”相同,故相同部分不再赘述。     

南大洋古环流研究方法综述

南大洋海洋环流系统由南极底层水AABW、南极绕极流ACC、南极表层水AASW、绕极深层水CDW组成,它们在全球气候调节中扮演重要角色。随着科考技术的进步,有关南大洋古环流研究越来越多,研究主要集中在温度、盐度、流向和影响作用等方面。研究侧重内容不同所采取的手段和方法也有差别,南大洋古环流研究方法包括古生物法、地球化学法、数值模拟、沉积法、实测资料等。本文就这些研究方法做一简单综述,以期强调南大洋在全球大洋历史中的作用。     

德里克海峡附近绕极流和锋面研究的进展

本文概括了近几十年来，关于德里克海峡附近绕极流研究的进展，这些研究主要以实际观测资料为基础，说明了德里克海峡附近海洋锋面分布和绕极流的体积输运，其中，主要的海洋锋面有：亚南极锋，极锋和陆缘水边界；而德里克海峡绕极流的体积输运则代表了太平洋和大西洋两大洋之间通过德里克海峡的水量交换，读者可通过本文加深关于德里克海峡锋面成因和绕极流机制的理解。     

中国南大洋水团、环流和海冰研究进展(1995-2002)

总结了1995年以来中国在南大洋物理海洋学研究和南极海冰研究中所取得的成果。普里兹湾海区是中国南大洋研究的重点区域，研究表明，在该海区存在显著的深层水涌升和陆架水北扩现象，某些年份深层水与陆架水混合后产生了较重的水体，但是尚未发现生成南极底层水的直接证据。在普里兹湾所处的印度洋区段，亚热带锋、亚南极锋和极锋表现出显著的时空变化，特别是不同年份的锋面位置存在较大的摆动。该海区的南极绕极流既是风生的，也受到密度场的影响。在凯尔盖朗海台的地形引导作用下，南极绕极流表现出显著的非纬向性特征。南极海冰除了显著的季节变化以外，也表现出长期变化的趋势。此变化与海洋、大气中的其它变化有一定的相关性，表现为两极海冰涛动、南方海洋涛动等多种变化模态，对我国气候也有一定的影响。     

普里兹湾附近绕极深层水和底层水及其运动特征

利用中国第15次南极科学考察科学考察队的CTD全深度观测资料(1998年11月至1999年2月),分析并讨论了普里兹湾以北的南大洋海域内,绕极深层水(CDW)和南极底层水(AABW)的物理特性及其空间分布.同时还与历史上其他学者的发现进行了比较.指出了在研究海域内,CDW在100～2000m之间从北向南扩展,其高温核(t>1.2℃)和高盐核(S>34.7)在75°E断面上最为深厚,向南扩展得最远;而AABW则在2500m以深由陆坡底部向北扩展,σ_θ>27.875的高密度水体在70°E断面上最为深厚,向北扩展得最远.此外还通过实测的CTD资料证实了CDW和AABW的经向环流特征,以及它们与迪肯流环(Deaconcell)、亚极地流环和深层流环的一致性.     

全海深ARV动力学建模及简化研究

以全海深自主遥控水下机器人(AutonomousRemotely-operated Vehicle, ARV)为研究对象,针对全海深ARV的稳定航行和作业控制需求,借助潜艇标准运动方程建立直航动力学模型,还提出使用多元函数泰勒展开的方法建立独立的垂直运动动力学模型。其次,以节约计算机资源为目的,采用拟合优度分析、显著性检验和全局敏感性分析的方法剔除动力学模型中不重要的水动力系数项,得到简化的动力学模型。将初始和简化动力学方程的拟合结果与计算流体力学仿真(Computational Fluid Dynamics, CFD)计算结果进行对比分析,对比结果表明,全海深ARV直航和垂直运动动力学模型和简化动力学模型均是可靠的。     

基于HYCOM的海洋环流仿真建模研究

HYCOM海洋模式是垂向混合坐标模式的代表。基于HYCOM海洋模式,采用三层嵌套技术对东海南部海域的海洋环流进行仿真建模研究。通过对仿真结果的验证表明,HYCOM模式的垂向混合坐标方案能够很好的模拟地形复杂海域的环流。     

大洋环流模式中Boussinesq近似与静压近似问题的讨论

改进环流模式中的Boussinesq近似与静压近似是当前海洋环流模式的主要研究方向之一。虽然目前已提出一些在模式中包含非Boussinesq效应和静压效应的方法,但是仍有很多关键问题亟待解决。系统地回顾了改进这2个基本近似的理论分析和数值模式的研究进展,介绍了不同方法的理论基础及其数值分析结果,并分析了这些方法中所存在的缺陷和问题,指出了开展进一步研究需要首先分析的几个关键问题。     

海洋环流模式中不同近似假设下的海表高度

Boussinesq近似是现代海洋环流模式中经常采用的假设，但随着海洋模式的不断发展完善以及气候研究应用的需要，有必要估算Boussinesq近似造成的模式误差。分别利用一个非Boussinesq近似的海洋模式与另一个结构相同且采用Boussinesq近似的模式计算海表高度，并同时利用模式预报的温度、盐度资料计算了比容异常高度。分析结果显示，这3种不同定义的海表高度无论空间结构，还是时间演变，都基本类似，尤其在热带海区最接近，差值≤1cm。Boussinesq近似意味着在模式中以体积守恒代替质量守恒，通常的做法是对其进行简单的质量补偿来保持质量守恒。比较说明，以质量补偿方法进行的高度订正对减小Boussinesq近似带来的误差没有本质的意义。     

Dynamics of seasonal and interannual variability of the ocean bottom pressure in the Southern Ocean

Seasonal and interannual variability of ocean bottom pressure(OBP) in the Southern Ocean was investigated using Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE) data and a Pressure Coordinate Ocean Model(PCOM)based on mass conservation. By comparing OBP, steric sea level, and sea level, it is found that at high latitudes the OBP variability dominates the sea level variability at seasonal-to-decadal time scales. The diagnostic OBP based on barotropic vorticity equation has a good correlation with t...     

浮游生态系统非线性动力学研究

建立了新的藻类-浮游动物生态非线性动力学模型,该模型考虑了藻类与浮游动物之间的增长关系。研究了模型平衡点的稳定性,以及Hop f分岔现象。通过对选取的分岔参数进行分析,揭示了该系统的动力学特性。     

Photosynthesis versus irradiance relationships in the Atlantic sector of the Southern Ocean

Eleven incubation experiments were conducted in the South Atlantic sector of the Southern Ocean to investigate the relationship between new production (ρNO^–₃), regenerated production (ρNH⁺₄), and total carbon production (ρC) as a function of varying light. The results show substantial variability in the photosynthesis–irradiance (P vs E) parameters, with phytoplankton communities at stations that were considered iron (Fe)-limited showing low maximum photosynthetic capacity (P^B_max) and low quantum efficiency of photosynthesis (α^B) for ρNO₃, but high P^B_max and α^B for ρNH₄, with consequently low export efficiency. Results at stations likely relieved of Fe stress (associated with shallow bathymetry and the marginal ice zone) showed the highest rates of P^B_max and α^B for ρNO₃ and ρC. To establish the key factors influencing the variability of the photosynthetic parameters, a principal components analysis was performed on P vs E parameters, using surface temperature, chlorophyll-a concentration, ambient nutrients, and an index for community size structure. Strong covariance between ambient nitrate (NO₃) and α^B for ρNO₃ suggests that Fe and possibly light co-limitation affects the ability of phytoplankton in the region to access the surplus NO₃ reservoir. However, the observed relationships between community structure and the P vs E parameters suggest superior performance by smaller-sized cells, in terms of resource acquisition and Fe limitation, as the probable driver of smaller-celled phytoplankton communities that have reduced photosynthetic efficiency and which require higher light intensities to saturate uptake. A noticeable absence in covariances between chlorophyll-a and α^B, between P^B_max and α^B, and between temperature and α^B may have important implications for primary-production models, although the absence of some expected relationships may be a consequence of the small dataset and low range of variability. However, significant relationships were observed between ambient NO₃ and α^B for ρNO₃, and between the light-saturation parameter E_k for ρNO₃ and the phytoplankton community’s size structure, which imply that Fe and light co-limitation drives access to the surplus NO₃ reservoir and that larger-celled communities are more efficient at fixing NO₃ in low light conditions. Although the mean P^B_max results for ρC were consistent with estimates of global production from satellite chlorophyll measurements, the range of variability was large. These results highlight the need for more-advanced primary-production models that take into account a diverse range of environmental and seasonal drivers of photosynthetic responses.