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。     

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。     

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。     

南海北部流切变环境中台风引起的近惯性振荡的比较研究

通过2008年和2009年布放在南海北部的声学多普勒流速剖面仪(ADCP)锚系潜标,本文观测到了三次由台风引起的近惯性振荡(NIO)事件,分别编号为2008a,2009a,2009b,并对其进行了比较研究.其中2008a在三次事件中强度最大,持续时间最长(15 d),而2009a和2009b仅分别持续了4 d和8 d.三次事件的垂直能量分布和位相传播有明显的区别.在频率偏移方面,2008a的峰值频率略低于局地科氏频率(红移),而2009a和2009b则体现出蓝移.不同的NIO事件的特征表现主要由台风扰动和背景流场环境共同决定,特别是背景流场通过平流和调制作用在其中起了重要的作用.本文的研究为不同背景流场中NIO的不同响应提供了观测的证据.通过分析数模提供的背景流场的涡度和有效科氏频率,2008a事件中较强的振幅和较长的持续时间是由于背景的剪切流场的波导效应造成,其改变了台风过后NIO的能量分布,将入射波能量集中于负涡度区域.而2009a和2009b事件中由于涡度不明显,因此没有类似效应.     

南海北部2011年台风“纳沙”尾迹处近惯性内波特征的研究

In September 2011, Typhoon Nesat passed over a moored array of instruments recording current and temperature in the northern South China Sea（SCS）. A wake of baroclinic near-inertial waves（NIWs） commenced after Nesat passed the array. The associated near-inertial currents are surface-intensified and clockwise-polarized. The vertical range of NIWs reached 300 m, where the vertical range is defined as the maximum depth of the horizontal near-inertial velocity 5 cm/s. The current oscillations have a frequency of 0.709 9 cycles per day（cpd）, which is 0.025 f higher than the local inertial frequency. The NIWs have an e-folding time-scale of 10 d based on the evolution of the near-inertial kinetic energy. The depth-leading phase of near-inertial currents indicates downward group velocity and energy flux. The estimated vertical phase velocity and group velocity are 0.27 and 0.08 cm/s respectively, corresponding to a vertical wavelength of 329 m. A spectral analysis reveals that NIWs act as a crucial process to redistribute the energy injected by Typhoon Nesat. A normal mode and an empirical orthogonal function analysis indicate that the second mode has a dominant variance contribution of 81%, and the corresponding horizontal phase velocity and wavelength are 3.50 m/s and 420 km respectively. The remarkable large horizontal phase velocity is relevant to the rotation of the earth, and a quantitative analysis suggests that the phase velocity of the NIWs with a blue-shift of 0.025 f overwhelms that of internal gravity waves by a factor of 4.6.     

台风“海鸥”期间南海北部波浪和SST变化特征分析

采用SWAN波浪模式对201415号台风‘海鸥’期间的海浪进行数值模拟,通过与实测数据对比,模拟结果较好。台风风场由圆形对称Jelesnianski-II模型构造,风场结构能够很好的体现出台风过境期间的变化情况。根据台风期间的实测温度数据以及ECMWF海表面温度数据的变化研究海表面温度对台风的响应。研究发现,台风"海鸥"在近海复杂的海洋和地形条件下,台风路径降温范围成不对称分布,最大降温中心出现在路径右侧,降温幅度将近1.5℃。     

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。     

南海北部陆架区两个台风过境时近惯性运动的若干特征

Features of near-inertial motions on the shelf(60 m deep) of the northern South China Sea were observed under the passage of two typhoons during the summer of 2009. There are two peaks in spectra at both sub-inertial and super-inertial frequencies. The super-inertial energy maximizes near the surface, while the sub-inertial energy maximizes at a deeper layer of 15 m. The sub-inertial shift of frequency is induced by the negative background vorticity. The super-inertial shift is probably attributed to the near-inertial wave propagating from higher latitudes. The near-inertial currents exhibit a two-layer pattern being separated at mid-depth(25–30 m), with the phase in the upper layer being nearly opposite to that in the lower layer. The vertical propagation of phase implies that the near-inertial energy is not dominantly downward. The upward flux of the near-inertial energy is more evident at the surface layer(17 m). There exist two boundaries at 17 and 40 m, where the near-inertial energy is reflected upward and downward. The near-inertial motion is intermittent and can reach a peak of as much as 30 cm/s. The passage of Typhoon Nangka generates an intensive near-inertial event, but Typhoon Linfa does not. This difference is attributed to the relative mooring locations, which is on the right hand side of Nangka's path(leading to a wind pattern rotating clockwise with time) and is on the left hand side of Linfa's path(leading to a wind pattern rotating anti-clockwise with time).     

基于实测资料的南海海浪周期关系研究

海浪周期在海洋工程设计中有着重要作用,而不同的海洋工程设施在设计时所选用的周期参数也不同,因此不同周期间的换算关系也就显得尤为重要。本文利用南海北部油气田区1 a的实测海浪周期数据,研究了其谱峰周期、有效周期、跨零周期和最大波高周期等的相互关系,并与相关规范和文献研究结果进行对比,给出了南海海浪周期间的关系式,从而为海洋工程设计提供了支持,也为南海海浪周期关系研究提供了参考。     

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。     

南海北部对8007号台风的响应

采用三维自由表面正压环流数值模式，数值求解南海北部对８００７号台风的响应。结果表明：广泛阳江闸坡港以西的卧Ｖ形岸楔部出现最大增水，因受窄管效应的影响，琼州海峡的流速很大。     

南海北部台风引起的广西近岸增减水研究

引起广西近岸增减水主要是台风导致的风暴潮所致。受台风影响,北海站42年中最大增水1.45m,最大减水-1.87m。受台风走向影响,广西近海总是先减水后增水。引起广西近海增减水除去台风直接作用外,还有广东沿海陆架波西传的间接作用。西传的陆架波一部分直接穿过琼州海峡进入北部湾,另一部分绕过海南岛以顺时针方式进入北部湾。2001年7月6日,台风"尤特"已在珠江口北岸登陆,可是7月8日却在广西近海普遍引起20cm以上增水。7月2日18时,台风"榴莲"已经在广西登陆,但是西传的陆架波使广西沿岸发生很强的西向流,表层地转流流速接近92cm/s。广西沿岸增减水除去台风直接与间接作用外,还有地形的影响与大气重力波的强化作用。     

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。     

台风“威马逊”（1409）在南海北部急剧增强的环境因子分析

利用ECMWF-interim逐6 h再分析资料、中国气象局台风最佳路径资料和NOAA逐日OISST海表温度等资料,并采用ARW-WRF中尺度数值模式,对1409号台风"威马逊"在南海北部海域急剧增强的原因进行分析和数值敏感性试验。结果表明:低层西南季风气流突然增强和高空东风急流异常偏强的高低空环流的最佳配置,是此次台风在南海北部海域急剧增强的主要动力机制;整层环境风垂直切变较大,而低层环境风垂直切变小,高层出流强、低层水汽充沛,是台风在南海北部海域快速增强过程中所独具的环境特征;南海北部海温异常偏高是造成此次台风猛烈发展并出现登陆极端强度的决定性因子。     

2021年10月南海北部上层细结构对台风“圆规”的响应分析

基于水下滑翔机观测资料,分析了2021年10月南海北部上层海洋细结构强度及类型对台风“圆规”的响应特征。在细结构强度响应方面,受台风“圆规”影响,次表层盐度升高,温度降低,最大降温幅度可达3℃,温跃层中上部细结构显著增强。“圆规”影响期间,温度、盐度细结构强度最大值深度均约为50 dbar;台风过境后,温度、盐度细结构强度最大值分别移至温跃层上部和中部。结果表明,“圆规”通过加强海洋上层混合促进了“共变型”细结构的生成。台风中心过境时,Ekman抽吸引起的上升流对温跃层产生了水团入侵的效果,从而使“侵入型”细结构瞬时增多;台风过境后,“侵入型”细结构强度迅速衰减,“共变型”细结构在温跃层内减弱,而在200～400 dbar深度范围内继续加强,表示该层海水混合继续加强。由此表明,南海北部上层细结构的强度和类型变化对台风“圆规”响应显著。     

用南海西沙站观测资料诊断研究南海季风季节内振荡

应用Lanczos滤波和小波变换方法,对1958~2000年南海北部西沙站降水和1980~2001年850hPa风场观测资料进行分析,发现西沙站每日降水和850hPa风场都存在谱长度10~50d左右其峰值为10~20,30~50d的季节内振荡,降水和850hPa风场的季节内振荡都有明显的年变化.降水季节内振荡开始于5月中旬结束于10月中旬,与南海夏季风的爆发时间和终止时间一致.850hPa风场谱长度10~50d左右其峰值为10~20,30~50d的季节内振荡在一年中的大部分时间都存在.降水和850hPa风场季节内振荡的强弱年与南海夏季风的强弱年并不一致.研究表明南海夏季风存在季节内振荡,而南海夏季风与季节内振荡的关系比较复杂.     

南海混合层近惯性能通量的时空变化

On the basis of the QSCAT/NCEP blended wind data and simple ocean data assimilation(SODA), the wind-induced near-inertial energy flux(NIEF) in the mixed layer of the South China Sea(SCS) is estimated by a slab model, and the model results are verified by observational data near the Xisha Islands in the SCS. Then, the spatial and temporal variations of the NIEF in the SCS are analyzed. It is found that, the monthly mean NIEF exhibits obvious spatial and temporal variabilities, i.e., it is large west of Luzon Island all the year, east of the Indo-China Peninsula all the year except in spring, and in the northern SCS from May to September. The large monthly mean NIEF in the first two zones may be affected by the large local wind stress curl whilst that in the last zone is probably due to the shallow mixed layer depth. Moreover, the monthly mean NIEF is relatively large in summer and autumn due to the passage of typhoons. The spatial mean NIEF in the mixed layer of the SCS is estimated to be about 1.25 m W/m2 and the total wind energy input from wind is approximately 4.4 GW. Furthermore, the interannual variability of the spatial monthly mean NIEF and the Ni?o3.4 index are negatively correlated.     

南海北部一次台风浪过程的数值模拟

采用Holland 模型将2009 年6 号台风莫拉菲参数化, 并通过一个权重系数将模型风场和背景风场叠加起来, 构造了南海北部台风过境时的风场。随后通过时空插值, 将该风场以空间分辨率5′×5′、时间步长1 h 的精度输入到SWAN(Simulating Waves Nearshore)模式中, 模拟了莫拉菲台风通过时南海北部的海浪场。然后使用Jason-2 卫星波高数据对模式进行了验证, 结果表明模式结果与实测值吻合良好。利用模式结果我们分析了台风中心和海浪场的最大有效波高中心的位置关系, 以及台风风场结构和海浪场结构的关系。最后, 通过计算海浪场的能量并将其与风要素和浪要素对比, 我们研究了台风过境期间海浪场的动力机制。     

南海风生近惯性能通量的敏感性分析

After validated by the in-situ observation, the slab model is used to study the wind-generated near-inertial energy flux(NIEF) in the South China Sea(SCS) based on satellite-observed wind data, and its dependence on calculation methods and threshold criteria of the mixed layer depth(MLD) is investigated. Results illustrate that the total amount of NIEF in the SCS could be doubled if different threshold criteria of MLD are adopted. The NIEF calculated by the iteration and spectral solutions can lead to a discrepancy of 2.5 GW(1 GW=1×109 W). Results also indicate that the NIEF exhibits spatial and temporal variations, which are significant in the boreal autumn,and in the southern part of the SCS. Typhoons are an important generator of NIEF in the SCS, which could account for approximately 30% of the annual mean NIEF. In addition, deepening of the MLD due to strong winds could lead to a decrease of NIEF by approximately by 10%. We re-estimate the annual mean NIEF in the SCS,which is(10±4) GW and much larger than those reported in previous studies.