北部湾冬季风生环流的数值模拟及其对海洋环境的影响分析

利用Finite Volume Coastal Ocean Model(FVCOM)三维模式以及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)Climate Forecast System提供的北部湾的冬季风场,建立了北部湾冬季的风生环流模型。模拟得到北部湾冬季表中底层的风生环流结构。结果表明:整体上看,环流从琼州海峡流入北部湾,沿越南沿岸向南流动。从分层结构上看,冬季表层北部湾中部位置被1个大范围逆时针环流控制,南部湾口附近也存在1个不闭合的逆时针环流;而中层和底层的环流在琼州海峡西北和西南侧各形成1个小的逆时针环流,同时北部湾北部中间位置呈现1个顺时针环流。琼州海峡、广西及越南沿岸环流流速较大,有利于污染物的输移扩散,而北部湾北部中间位置,莺歌咀附近出现闭合环流且海南岛西南岸流速较小,不利于污染物的输移扩散,对冬季北部湾的海洋环境会产生不利影响。     

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。     

基于FVCOM的渤海冬季三维风生环流数值模拟

利用FVCOM海洋模型以及MM5气象模式预报风场,对渤海冬季三维风生环流进行了数值模拟,结果显示:渤海风生环流具有显著的三维结构,表层基本沿风向运动,量值在5~10 cm/s,海峡处流速可达15 cm/s,底层有明显的补偿流,量值<3 cm/s;深度平均流环流状态明显,渤海海峡海流北进南出,渤海中部以及辽东湾为一顺时针环流,渤海湾以及莱州湾基本呈逆时针环流。文章通过对比实验,进一步讨论了海面风应力以及海底地形对渤海环流的不同影响,得出:在渤海中部风应力的切变涡度是形成顺指针流型的主要驱动力;除渤海中部以外,渤海冬季流型受地形作用的影响要大于海面风场的切变涡度。     

一个基于MOM的全球海洋数值同化预报系统

随着国家战略利益的拓展,国家对全球海洋环境预报保障的需求日益凸显。近年来,国家海洋环境预报中心研发并建立我国首个涵盖全球大洋的"全球海洋数值预报系统",该预报系统由MOM4全球海洋环流模式及三维变分同化系统组成。该系统的建立,实现了全球范围海洋环流预报业务全覆盖,为我国探索深海大洋环境的迫切需求提供有力保障,明显提升了我国海洋环境预报能力,体现了我国海洋数值预报技术的发展和进步。该系统的历史回报试验和业务化试运行结果表明其对全球海洋环境要素具有较好的预报能力,其预测结果已经在实际业务中得到了应用,在"雪龙号"极地遇险脱困、马航MH370失联飞机搜救等重大事件的预报保障任务中发挥了重要作用,为我国实施海洋强国战略,推进实施"21世纪海上丝绸之路"的战略构想,应对海上突发事件、维护国家海洋权益等各个方面提供有力的科技支撑和保障,并成为我国全球海洋预报业务的重要参考依据。     

印度尼西亚贯穿流的年际变化:一个全球变网格海洋模式的初步模拟结果

使用1994～2000年NCEP风应力资料驱动全球变网格环流模式，得出印度尼西亚贯穿流(ITF)流量的年际变化时间序列。模拟结果显示：ITF流量的年际变化与太平洋和印度洋的年际变化均有密切联系，在El Ni~↑no年流量偏低，在La Ni~↑no年流量偏高；ITF流量的年际变化与Ni~↑no 3区指数呈显著负相关，Ni~↑no 3区指数超前ITF流量2个月时负相关系数达到最大，为-0．81；与南方涛动指数(SOI)明显呈正相关，SOI超前ITF流量2个月时相关系数达到最大，为0．72；与印度洋偶极子(IOD)指数负相关，IOD指数超前ITF流量3个月时负相关系数达到最大，为-0．74。     

孟加拉湾上层环流研究综述

综述了孟加拉湾上层环流研究的主要成果并指出,研究海区环流与季风转换不完全同步。在西南季风期间,南、北海区各有一气旋式环流;在秋季季风过渡期间,出现海湾尺度的气旋式环流;在东北季风期间,气旋式环流减弱北移,南部则为一反气旋式环流控制;春季与秋季的情形相反,整个湾出现一海湾尺度的反气旋式环流。研究海区环流的变异主要受季风、赤道远地作用和浮力通量等复杂外源作用的影响。东印度沿岸流的季节变化与季风转换也不同步,局地风、内部Ekman抽吸、远地沿岸风及赤道远地作用的影响对沿岸流周年变化有重要作用。孟加拉湾上层环流年际变化显著,此年际变化主要受赤道风场的影响。     

引潮力对海洋环流模式的影响

The eight main tidal constituents have been implemented in the global ocean general circulation model with approximate 1° horizontal resolution.Compared with the observation data,the patterns of the tidal amplitudes and phases had been simulated fairly well.The responses of mean circulation,temperature and salinity are further investigated in the global sense.When implementing the tidal forcing,wind-driven circulations are reduced,especially those in coastal regions.It is also found that the upper cell transport of the Atlantic meridional overturning circulation(AMOC) reduces significantly,while its deep cell transport is slightly enhanced from 9×106m3/s to 10×106 m3/s.The changes of circulations are all related to the increase of a bottom friction and a vertical viscosity due to the tidal forcing.The temperature and salinity of the model are also significantly affected by the tidal forcing through the enhanced bottom friction,mixing and the changes in mean circulation.The largest changes occur in the coastal regions,where the water is cooled and freshened.In the open ocean,the changes are divided into three layers:cooled and freshened on the surface and below 3 000 m,and warmed and salted in the middle in the open ocean.In the upper two layers,the changes are mainly caused by the enhanced mixing,as warm and salty water sinks and cold and fresh water rises;whereas in the deep layer,the enhancement of the deep overturning circulation accounts for the cold and fresh changes in the deep ocean.     

南海海洋环流的诊断计算

利用GDEM温盐资料,采用P矢量方法计算了与温盐资料时间序列相对应的不同季节、不同层深的南海海洋环流及流涡系统,并且得出了相关的结论。     

Path Transition of the Kuroshio Due to Mesoscale Eddies: A Two-Layer, Wind-Driven Experiment

We have executed numerical experiments using a two-layer, wind-driven ocean model with simplified coastal geometry and bottom topography to investigate the possibility of the Kuroshio path transition due to mesoscale eddies. A straight path easily changes into a meandering path due to the eddy action. For this transition, an anticyclonic eddy is preferable to a cyclonic one when imposed in the beginning region of the Kuroshio (east of Taiwan). When imposed southeast of Kyushu, on the other hand, a cyclonic eddy is more effective than an anticyclonic one. The reverse transition, from a meandering to a straight path, did not occur at all in this experiment. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

区域性海洋环流数值模式研究及对南海环流与海峡流量的模拟

基于MOM模式的物理框架,妥善考虑了开边界的物理过程,改造和发展了一个区域海洋数值模式。本模式不仅可以方便地调整开边界条件,使之满足边界的特定物理条件,而且可以方便地做针对性修改,使模式更加可靠。改进后的模式具有MOM模式物理概念明确、公式便于理解、结果便于表达的全部特点,同时克服了MOM模式边界条件不完整、程序不易调整、参数难以改变的缺点。区域性模式比全球模式的计算速度快很多倍,可以成为区域性研究的有效工具。将此模式应用于南海,利用Hellerman＆Rosenstein气候态风应力驱动模式10a,得到与全球模式效果相当的结果。模式模拟结果展现了南海流场的季节特征,在模式分辨率下表现出了多涡结构。根据模拟的流场计算了南海与其它海域的水交换通量。在年平均意义下,外海水通过吕宋海峡进入南海,南海水通过台湾海峡、民都洛海峡和卡里马塔海峡流出南海。各海峡水通量具有明显的季节变化。     

渤海、黄海、东海冬季环流的数值模拟

在POM的基础上,建立一个σ坐标系下三维斜压预报模式,利用经过资料同化处理的周平均卫星遥感海面温度资料,考虑海底地形、外海出入流、海面风应力等因素的影响,较好的模拟了冬季渤、黄、东海环流的情况。     

热带印度洋偶极子发生和演变机制的数值研究

对中国科学院大气物理研究所(IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的第三代海洋模式(L30T63 OGCM)进行了改进。分析了该模式1959年1月—1998年12月的40a积分结果，以此研究热带印度洋偶极子发生、发展和消亡的物理机制。对数值模拟结果的分析表明，赤道印度洋表面异常东风引起的异常环流结构是偶极子发生、发展的主要动力学原因，其表面异常东风转换为异常西风所引起的异常环流结构调整是偶极子消亡的主要动力学原因；海气界面热通量异常的交换对热带印度洋海表温度距平偶极子模态的形成和演变起着重要的作用；垂直输送作用是热带印度洋次表层海温偶极子模态发生和演变的主要物理机制。     

边界条件对北太平洋海盆尺度环流模式的影响

采用Stevens开边界条件,将一个闭边界海盆尺度环流模式改造成开边界模式,对20°S以北太平洋大尺度环流进行了系统模拟。考察了开边界和不同等密面扩散系数对北太平洋环流和温盐结构的影响。模式较好地再现了太平洋大尺度环流特征,模拟出了表层赤道流系(包括北赤道流、黑潮和北太平流)以及对应的顺时针环流,同时还较好地反映了温盐场的基本分布特征。从年平均的纬向平均温度和盐度的断面分布可以看出,温跃层深度呈“W”型分布,在亚极地海区有一个梯度比较大的盐度锋区。南边界打开后使得模拟的北太平洋中层水温度和盐度更低,低盐水舌加深和向南延伸加强,更加接近观测值。增加沿等密面扩散系数后得到的中层水强度更大,尤其是34.6等盐线更接近观测资料。质量输运流函数分布表明,赤道两边各有一个翻转区,亚极地地区也存在一个浅的翻转区,打开南边界可以消除因为闭边界存在产生的假的下沉流,这些都为将来进行示踪物模拟打下基础。     

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。     

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。     

Ice Sheet-Thermohaline Circulation Interactions in a Climate Model of Intermediate Complexity

A vertically integrated dynamic ice sheet model is coupled to the atmosphere-ocean-sea ice-land surface climate model recently developed by Wang and Mysak (2000). The background lateral (east-west) ice sheet discharge rate used by Gallee et al. (1992) is reduced and the planetary emissivity is increased (to parameterize the cooling effect of a decrease of the atmospheric CO₂ concentration), in order to build up substantial ice sheets during a glacial period and hence set the stage for ice sheet-thermohaline circulation (THC) interactions. The following iceberg calving scheme is then introduced: when the maximum model height of the North American ice sheet reaches a critical value (2400 m), a prescribed lateral discharged rate is imposed on top of the background discharge rate for a finite time. Per a small prescribed discharge rate, repeated small iceberg calving events occur, which lead to millennial-scale climate cycles with small amplitudes. These are a crude representation of Dansgaard-Oeschger oscillations. Over one such cycle, the zonally averaged January surface air temperature (SAT) drops about 1.5°C at 72.5°N. However, a large prescribed lateral discharge rate leads to the shut down of the THC. In this case, the January SAT drops about 5°C at 72.5°N, the sea ice extent advances equatorward from 57.5° to 47.5°N and the net ice accumulation rate at the grid of maximum ice sheet height is reduced from 0.24 to 0.15 m/y. Since data strongly suggest that a collapsed THC was not a steady state during the last glacial, we restore the THC by increasing the vertical diffusivity in the North Atlantic Ocean for a finite time. The resulting climate cycles associated with conveyor-on and conveyor-off phases have much larger amplitudes; furthermore, the strong iceberg calving events lead to a larger loss of ice sheet mass and hence the period of the oscillations is longer (several thousand years). This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

全球大洋环流诊断模式研究--流场及流函数

基于GFDL的MOM模式建立一个全球大洋环流的诊断模式(R0bust diagnostic model)来研究全球大洋环流.水平空间分辨率1°×1°.垂向分为21层.分别进行月平均和年平均模拟,积分的时间长度为11a.模式水流来自DBDB5(National Geodetic Center,Boulder,Colorado).所用的温度、盐度数据根据Levitus(1994)的资料,表面风应力根据Hellerman and Rosenstem(1983)的全球风场数据插值而来.从模拟结果看,全球大洋中的主要环流结构均得到体现.北太平洋副热带流圈得到合理的模拟,其最大的输运超过50 Sv.北赤道流在12.N附近分为南北两支.北支形成黑潮,而南支为棉兰老海流,在其东边,棉兰老冷涡得到很好的再现.在吕宋海峡有海水进入南海,在南海形成一个气旋式流圈,进而通过南海南部水道流入印度尼西亚海.模拟结果表明南极绕极流和黑潮可以深达底层.湾流则不能深达底层,其下方在1 000～2 000 m深度存在南向的深层流,显示了大西洋深层水的流动.     

简单热带海气耦合模式中的海洋低频扰动

讨论简单热带海气耦合模式中的低频海洋扰动。研究结果表明,挟卷对海洋Ｒｏｓｂｙ波的发展起抑制作用,而平流有利于海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的发展;挟卷和平流都有利于与海温距平相对应的扰动Ｕ的发展     

HYCOM模式对赤道及北太平洋海表温度的模拟

根据2种海气通量数据集(COADS、ECMWF)和2种海气通量块体参数化方案(常数块体参数化方案和非常数块体参数化方案)的不同结合,构成4组数值实验,使用HYCOM数值模式分别模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度。实验结果表明:(1)非常数块体参数化方案优于常数块体参数化方案;在太平洋40°N～20°S区域内,采用前者得到的年平均海表温度比Pathfinder卫星资料高约0.21℃,而采用后者得到的年平均海表温度比Path-finder卫星资料高约0.63℃。(2)HYCOM数值模式很好地模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度变化及西太平洋暖池空间分布的月变化。特别是实验2(采用COADS数据集和非常数块体参数化方案),在太平洋40°N～20°S区域内,冬、春两季平均SST仅比Pathfinder卫星数据集高0.02℃。(3)不同海气通量数据会对模拟结果产生明显影响。对比采用COADS数据集的实验2结果与采用ECMWF数据集的实验4结果可以发现,在模拟区域的西北部,实验2比实验4的年平均SST高约1℃;在模拟区域的东南部,实验4比实验2的年平均SST高约1℃。两者差的最大值出现在58°N、140°E附近及中国渤海,实验2比实验4的年平均SST高约4℃。     

Effects of Interannual Variability in the Eastern Indian Ocean on the Indonesian Throughflow

The influences of the large-scale interannual variations in the eastern Indian Ocean on the variability of the Indonesian throughflow are investigated by using an ocean general circulation model, driven by the ERS satellite winds from July 1992 to June 1997. The empirical orthogonal function (EOF) analysis of the simulated surface dynamic height variability captures two dominant modes on an interannual time scale, which are quite consistent with the available observations. The first mode indicates large amplitude in the western tropical Pacific and has a strong relation to the El Niño events, while the second EOF exhibits the large amplitude in the eastern Indian Ocean. The simulated net Indonesian throughflow shows an interannual variation of amplitude of about 15 Sv, with large transport from the Pacific to the Indian Ocean during 1994/95 and small transport during 1992 and 1997. It turns out that the net throughflow variation shows a high correlation with the second EOF mode (r = 0.51) for the whole five-year simulation. On the other hand, the correlation with the first mode is rather low (r = ?0.07). However, the relative importance of the EOF modes to the throughflow variability changes with time. The upper-layer transport above a depth of 230 m in the Indonesian archipelago is also affected by the second mode. The difference in the upper-layer transport across 1°S and 110°E generates warm water convergence/divergence with a magnitude of 4 Sv within the Indonesian Seas on the interannual time scale, which shows good correspondence with sea surface temperature variation averaged over the Indonesian archipelago.