基于实测资料的南海北部台风“海鸥”致近惯性振荡研究

文章利用2014年9月南海东北部附近海域的A、B两个相距约20km的潜标数据, 分析了台风“海鸥”在南海东北部激发的近惯性振荡的垂向分布特征。结果表明, 台风过境在两站点激发了强烈的近惯性振荡, 其能量由海表向海洋内部传播; 近惯性能量在表层随着深度增加而增大, 最大值出现在次表层, 此后随着深度增加迅速衰减。但是两个观测站点的近惯性振荡垂向分布特征有较大的差别: A站点的近惯性振荡在不同深度上存在三个不同的垂向相速度, 而B站点的垂向相速度没有变化; 两站点的最大近惯性动能的大小及其所在深度不同, B站点比A站点的最大近惯性动能大15%左右。台风过后两个站点均出现由近惯性波f和半日内潮波D₂非线性相互作用产生的次级波动fD₂, 但其强度存在差异。台风后A站点fD₂在不同深度上有不同的变化, f和D₂相互作用较弱; 而B站点的fD₂在整个近惯性振荡影响深度内都是增强, 其fD₂和f频带的动能和流速在时空分布以及变化趋势上有较好的相关性。两站点的近惯性振荡垂向相速度以及次级波动fD₂的不同可能是水体层结的差异和涡旋的影响所导致的。     

南海北部台风和中尺度暖涡对近惯性振荡的影响

基于2014年8-9月南海北部东沙群岛附近海域两个临近站位(站位A,20.736°N,117.745°E,水深1 249 m;站位B,20.835°N,117.56°E,水深848 m)的潜标数据,研究了台风过境所激发的近惯性振荡的特征,分析了中尺度暖涡对近惯性频率的调制及其对近惯性动能分布和传播的影响。站位A(B)142(175) m以浅,近惯性频率由0.710 1(0.713 3)周/d红移至0.659 2周/d,频率减小了7.2%(7.6%),观测结果与两个站位所处的背景涡度相吻合。中尺度暖涡改变了水体层结状态,两个站位的近惯性动能在不同层结中被改变了0.5~3倍。水体层结对能量的折射作用使得站位B的近惯性动能在深度158~223 m之间衰减较少,而站位A的近惯性动能则随着深度的增加快速减小。站位A和站位B近惯性内波的垂向群速度分别约为15.2 m/d和14.1 m/d。如果忽略近惯性动能的水平辐散,近惯性内波的垂向传播分别造成了两个站位垂向上约47%和38%的近惯性动能衰减。     

台风Wayne过后南海北部陆架海域的近惯性振荡

1986年8月18日8616号台风维纳(Wayne)在南海中部生成,其后在南海北部迂回盘旋,前后3次穿越巴士海峡,9月4日在海南岛登陆。布放在海南岛东部陆架上的锚系浮标记录了台风中心过境前后风和近表层的海流响应。分析结果表明,台风中心过境造成海水强烈的近惯性运动,其影响大约持续了6—8d,近惯性振荡的频率为0.029 2周.h-1(周期约34.2h),高出当地的惯性振荡频率(0.028cph)4.3%。带通滤波所提取的惯性运动特征显示,台风过境后惯性振荡逐渐衰减,惯性圆逐渐向西南方向偏移。根据这一个例,探讨了台风条件下近表层流速与风速的关系以及台风尾迹中近惯性流流速衰减过程的经验描述,可为近海海洋工程设计提供参考。     

台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风"康森(Conson)"进行数值模拟,并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明,模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致,台风"康森"在近海面的风场不对称结构非常明显,台风中心两侧的速度大小相差可达10m·s~(–1)。台风"康森"在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡,且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布,表明台风"康森"在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量,发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小,平均近惯性动能不超过35J·m~(–3)。随着气旋强度的增大,热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长,而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致,当最大风速半径(R0)增大一半(1.5R0)时,其产生的最大平均近惯性动能从81J·m~(–3)增大到631J·m~(–3),影响面积从大约600km~2增加到大于900km~2。     

南海西北部上层海洋对台风“杜苏芮”的响应分析

基于锚碇观测资料,本文分析了南海西北部陆坡区上层海洋对台风“杜苏芮”的动力学和热力学响应特征。在动力学响应方面,台风“杜苏芮”期间上层流速显著增强,混合层纬向流速可达1.20 m/s;“杜苏芮”经过后上层海水运动以近惯性振荡为主(流向顺时针旋转周期在36～40 h之间)。近惯性能量在垂向分布上存在两个高值中心,分别位于混合层和温跃层深度上。近惯性能量耗散过程的e折时间尺度约为3.7 d,我们认为能量的向下传播在局地近惯性能量衰减过程中起主要作用。对能量谱的分析表明,“杜苏芮”作用期间近惯性频率能量相对于其作用前增大了约29.4倍,而全日和半日频率(K₁和M₂)能量有所减弱。此外,能量谱显示近惯性频率存在明显的“蓝移”现象,即对于纬向和经向流速分量在400 m以浅平均的近惯性振荡频率分别为1.167 f₀和1.170 f₀(f₀为局地惯性频率)。蓝移与近惯性内波的向下传播及正的相对涡度的输入有关。在热力学响应方面,上层海洋在台风的搅拌作用下,40～250 m深度均出现较小增温,最大增温幅度接近1°C;此外70 m以浅盐度的降低可能与台风过境时的降水相关,而Ekman抽吸引起的上升流则可能对70～100 m深度盐度的升高具有重要作用。     

台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风“康森(Conson)”进行数值模拟, 并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明, 模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致, 台风“康森”在近海面的风场不对称结构非常明显, 台风中心两侧的速度大小相差可达10m·s^-1。台风“康森”在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡, 且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布, 表明台风“康森”在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量, 发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小, 平均近惯性动能不超过35J·m^-3。随着气旋强度的增大, 热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长, 而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致, 当最大风速半径(R₀)增大一半(1.5R₀)时, 其产生的最大平均近惯性动能从81J·m^-3增大到631J·m^-3, 影响面积从大约600km²增加到大于900km²。     

南海北部深层近惯性振荡信号研究

本研究通过分析布放在南海北部的着陆器流速数据,研究一支蓝移的近惯性振荡信号,发现该信号可以传到600m水深以下,持续时间为11月3—16日。该信号的最大的东向流速为0.133m/s,最大南向流为0.124m/s。谱分析发现垂向流速呈现出5个不同的流核,最强流核发生在600—650m位置。近惯性能量下传速度为67±5m/d,从600m下传到1000m的位置能量耗散18%。经验正交函数(empiricalorthogonalfunction,EOF)分解结果显示,这次近惯性振荡信号开始是第一模态占主导,随后变成高阶模态为主导的形式。由于不知道其信号生成的源头,所以无法确定近惯性振荡形成原因,结合前人的研究结果,可以排除台风引起此次近惯性振荡信号的生成。卫星的海表高度异常显示,此时的正涡度有利于此次近惯性振荡发生蓝移特征。     

南海北部海域对台风尼格的响应特征分析

本文基于布放于南海北部的ADCP海流数据和温度链数据,分析了南海北部上层海洋对强台风尼格响应特征。结果表明:台风活动会生成强烈的近惯性振荡;在热力学方面会引起南海北部海区特别是表层海水迅速降温,海温的日变化特征消失;动力学方面近惯性内波成为支配研究海区海水流动的关键因素,造成流速迅速增大;此外近惯性内波会向下传播,并且下传时经历由慢至快的过程;最后近惯性内波会引起波-波相互作用,包括近惯性内波的入射和反射波之间相互作用生成频率两倍于惯性频率的内波,以及近惯性振荡与半日内潮相互作用生成两者频率之和的波动,使近惯性能量发生转移。     

1998年冬季南海环流的三维结构

利用1998年11月28日至12月27日南海的调查资料,采用三维海流诊断模式,计算了冬季南海三维海流,所得结果如下:(1)冬季南海环流系统方面:1)南海北部,在吕宋西北海域分别存在一个气旋式、反气旋式涡.2)南海中部,在越南近岸存在较强的、南向的西边界射流.其以东海域出现较强的气旋式环流.南海中部东侧海域存在一个较弱的反气旋式环流.3)南海南部,一般流速较弱.在112°E以西受反气旋式环流所控制,加里曼丹岛西北海域存在气旋性环流.由于受调查海域所限,这两个环流只部分出现.(2)上述环流系统与200 m层水平温度、密度分布对应较好.(3)南海冬季环流垂向速度分布方面:1)表层,南海北部,在吕宋西北为范围较大的上升流海区.而在东沙群岛附近海域出现了下降流.海南岛以南及东南海域也存在下降流.南海中部,越南以东海域出现范围较大的下降流,其以东为上升流海域,而在巴拉望岛西北海域又出现下降流.南海南部,基本上被上升流海域所控制.2)次表层与表层不同,例如在次表层,海南岛东南部海域出现上升流.中层和深层垂向速度分布与次表层相似.(4)关于南海垂向速度分量分布的动力原因:在表层,风应力旋度场起着主要作用;在次表层,β效应与斜压场相互作用是重要的动力因子,而风应力旋度场和β效应与正压场相互作用也有一定影响;在南海中部等区域的中层以及在南海的深层,主要受B效应与斜压场相互作用和B效应与正压场相互作用的共同作用.     

南海上层对台风响应的模拟研究

利用中尺度海气耦合模式对2006年第1号台风Chanchu海气相互作用的模拟结果.分析了南海上层海洋对台风的热力和动力响应特征.研究发现:模拟的chanchu影响下南海SST分布与观测较为符合;与SST降低相对应的是混合层深度普遍增加,较大的海面冷却对应了较大的混合层加深;在台风作用下,海面上产生了一个气旋式环流,随着台风中心的移动而移动.流场呈现明显的不对称结构;模拟结果表明南海对台风的响应具有很明显的近惯性振荡特征.     

热带风暴天鹰期间南海西北部海域内部响应的观测分析

2005年7月28日热带风暴天鹰(Washi)在南海东沙群岛西南海域生成,并向西北偏西推进,在7月29日增强为一个热带风暴,于7月30日在海南岛登陆。布放在南海西北部大陆架海域的锚系测站记录了天鹰过境期间温度和海流的响应过程。分析结果表明,伴随着热带风暴的强风应力引起强烈的垂向混合作用,使海表面温度下降2℃,混合层加深20 m,并且8 m以下各水层也都有明显的降温过程,但降温幅度低于8 m层,降温开始的时间也随着深度的增加而延后。台风过后,观测海域的近惯性内波显著,其频率为8.1×10?6 Hz,略高于当地的惯性振荡频率(7.75×10?6 Hz)。滤波后的海流数据分析显示,近惯性波动是从海面向深海处传播的,其影响大约持续了10 d。本研究丰富了南海在台风期间响应过程的认识,可为近海海洋工程设计提供科学依据。     

1994年夏季南海北部海水氧同位素分布特征

南海东北部海区１９９４年夏季海水氧同位素示踪分析结果表明：氧同位素δ＾３８Ｏ值的分布在一定程度上反映了本区环流的某些特征。δ＾１８Ｏ值在垂向表现出表层低正值，次表层达到最大值，然后随深度的增加逐渐降低的特点。     

基于再分析数据的南海三维温盐结构特征分析

掌握南海三维温盐场特征对于研究南海海洋动力环境及其对海洋气候变化的影响具有重要意义。基于海洋再分析数据GLORYS12V1和AVHRR OISST数据,开展了南海温盐空间分布及季节变化分析,以及海表温度对台风过程的响应特征分析。分析结果表明：南海海表温度一般为25～32℃,最高温度出现在8月的黄岩岛附近海域,海表盐度一般为32～35 psu,最高盐度出现在7月的东海附近海域;温盐垂向结构表现为表层高温低盐,随着深度增加温盐季节性变化越小。南海地区温跃层深度存在明显季节变化特征,秋冬季节温跃层深度大于春夏两季。根据“威马逊”台风期间海表温度变化特征分析海表温度对台风过程的响应,台风期间南海水体垂向混合作用增强,海表温度降温明显。     

南海东北部地转运动与近惯性运动间动能交换的时空变化特征研究

地转平衡运动与近惯性运动是海洋里普遍存在且含能较高的两种运动形态,二者间的相互作用与能量传递在大洋能量串级中扮演着重要角色。然而受到现场观测和数值模式时空分辨率不足等因素的制约,目前对于二者间动能交换的时空变化特征及其在二者动能收支中所扮演的角色尚不清晰。本文利用1/48(°) MITgcm数值模式资料,对南海东北部地转与近惯性运动的动能交换率时空变化特征进行了刻画,并定量评估了动能交换率在二者动能收支中的作用。研究结果表明,在地转动能较强的吕宋海峡区域,二者间的动能交换率显著高于地转动能较弱的南海东北部内区。在吕宋海峡,地转运动向近惯性运动正向传递动能,年平均总动能交换率为3.61×10^-7 m³·s^-3,但季节变化不显著;在南海东北部内区,近惯性运动向地转运动逆向传递动能,且受黑潮入侵影响,表现为冬强(-11.37×10^-8 m³·s^-3)、夏弱(-5.26×10^-8 m³·s^-3)。与...     

南海东北部表层沉积中有孔虫的分布及其环境意义

为了探讨南海东北部表层沉积中有孔虫分布的规律，选取184个表层样进行分析，结果发现有孔虫的垂向分布与碳酸盐的溶解作用密切相关。在2300－2500m水深以下，浮游有孔虫丰度迅速减小，而底栖有孔虫占有孔虫全群的比值BF／（BF＋PF）以及底栖有孔虫胶结质壳类的百分含量则迅速增加，这三者随水深的变化在3400－3500m处有一明显的转变，被认为是南海东北部CCD面（碳酸盐补偿深度）所在的位置，且该研究区内碳酸盐补偿深度南部较北部深100m。浮游有孔虫水平分布除了受表层海水温度的的控制外，黑潮南海分支以及吕宋岛北端上升流区带来的富营养水体的存在也起很重要的作用。     

西北太平洋上层海洋对台风响应的合成分析研究

基于台风最佳路径资料和20a的Argo浮标资料,采用一种合成分析方法,得到了西北太平洋上层海洋的温度、盐度、溶解氧等三维要素场对台风的平均响应特征,结果表明:台风移动路径右侧海表面温度呈明显的负异常,即具有"右偏性",次表层在"热泵"和"冷抽吸"共同影响下,温度异常呈正负相间的分布,次表层以下大部区域以温度负异常为主,但"右偏性"已不明显;表层至1 000 m深度,各层占主导的盐度异常值呈"正-负-正"的垂向分布,次表层以下,各层的盐度异常在平行和垂直于台风路径方向上的分布较为均匀,不具有明显的各向性差异;表层至1 000 m深度层,溶解氧浓度呈"小-大-小"的垂向分布,各层的平面分布特征较为相似,均在平行于台风路径-2～2 R50范围存在一带状高值区域;温度、盐度、溶解氧浓度等要素对台风的平均响应深度可达到1 000 m以上.     

南海东北部叶绿素a浓度对台风“风泵”和黑潮共同作用的响应

南海东北部是寡营养海域,夏季浮游植物叶绿素浓度较低,热带气旋“风泵”效应带来的上层海洋扰动可能引起表层浮游植物的显著增长。以往的研究通常关注热带气旋风应力和海洋中尺度涡对上层海洋浮游植物的影响,本文利用航次CTD、实测叶绿素a浓度、Argo温盐剖面和遥感数据,探讨了台风“风泵”和黑潮共同作用下真光层内浮游植物的变化特征及其成因。结果表明,2015年台风“莲花”过境1周后产生向吕宋海峡西北侧南海海域(A区)入侵的黑潮流套,该入侵的黑潮流套使台风前原有的气旋涡消失,抑制了台风产生的上升流对表层(0～40 m)营养盐供给,使次表层(60～90 m)营养盐富集,进而抑制了表层的叶绿素a增长,促进了次表层叶绿素a的增长;吕宋海峡西侧南海海域(B区)表层的浮游植物叶绿素a浓度增加不仅是源于叶绿素最大层浮游植物的向上输运,更是由于浮游植物的繁殖增长;A区台风引起的流套式的黑潮入侵,促进了B区台风后气旋式流场的形成,产生的持续增强的气旋涡为B区表层叶绿素持续增长提供了充足的营养盐供给。     

台风影响下长江口羽流的响应与淡水输运机制

河口区域冲淡水锋面及物质输运会对台风产生快速而复杂的响应,并产生显著的生态效应及沉积过程,且不同类型的台风会对水动力及物质输运产生不同影响。本文以长江河口为研究区域,利用盐度锋面附近的浮标站点观测数据,发现在登陆型超强台风“利奇马”的影响下,旋转流特征消失,站点全水深出现持续近两天的北向流;而在转向型强台风“巴威”的影响下,出现持续约三天的全水深南向流。应用覆盖长江口及邻近海域的有限体积海洋模型（FVCOM）对两次台风过程进行模拟,实验对比台风过境前后流场、盐度场并且计算淡水通量,发现台风过境时通过破坏夏季典型的向海扩张的表层平流型羽流结构,从而促进盐度垂向混合,导致大量淡水堆积在靠岸一侧,加强了沿岸的淡水输运,进而形成底部捕获型羽流。对于登陆型台风“利奇马”的影响,淡水输运主要沿苏北海岸向北,而在转向型台风“巴威”偏北风的影响下,淡水则显著沿岸向浙闽海域流动。这两种台风过后,表层淡水开始向海扩展,垂向盐度分层再一次呈现,在2～3天内完全恢复为表层平流型羽流结构。     

基于潜标观测的吕宋海峡以东深海潮流特征研究

本文使用吕宋海峡以东的潜标观测的长达1年的海流数据,重点对该海域海流的高频波动(潮流)的垂向分布及其时间变化特征进行了分析,结果表明:该海域次表层(100～160 m)的潮动能比中层(1 550 m)和深层(2 560 m)大1～2个数量级,近底层(4 040 m)的潮动能略大于中、深层;次表层为不正规半日潮流,中、深层为不正规全日潮流;各层次潮动能均在夏季(6?9月)和冬季(2?3月)增强,与M₂分潮和K₁分潮在夏季和冬季的增强相对应;各层次海流的高频波动以顺时针旋转为主,次表层海流近惯性周期接近当地理论惯性周期,中、深层略小于当地理论惯性周期。     

基于观测的南海西沙海域深层近惯性振荡特征分析

近惯性内波运动普遍存在于全球大洋中,影响大洋中的质量、动量和能量输送,是大气强迫与海洋混合之间的重要纽带。由于目前海洋深层观测资料的缺乏,对于深层近惯性内波生消演变特征研究甚少。利用2009-2012年的潜标观测资料,采用带通滤波和谱分析方法研究了南海西沙海域深层近惯性内波生成、传播和消亡等演变特征。通过研究发现,南海西沙海域深层存在较强的近惯性振荡,其生成源为台风过境能量输入,绝大部分时段内,近惯性振荡能量在海洋浅层耗散,不向海洋深层传播;仅在少部分时段内,近惯性振荡能量的80%～85%耗散在500 m以浅区域,有大概15%～20%继续向海洋深层传播。