南海西部夏季上升流锋面的次中尺度特征分析

利用卫星遥感资料和区域海洋数值模式ROMS(regional ocean modeling system)高分辨率数值模拟结果, 对南海西部夏季上升流锋面的次中尺度特征及其非地转过程进行了探讨。高分辨率卫星遥感观测和数值模拟结果显示, 南海西部夏季锋面海域存在活跃的次中尺度现象, 其水平尺度约为1~10km, 且具有O(1)罗斯贝数(Rossby number, Ro)的典型次中尺度动力学特征。进一步的诊断分析表明, 在夏季西南风的驱动下, 沿锋面射流方向的风应力(down-front wind stress)引起的跨锋面埃克曼输运有利于将海水由锋面冷水侧向暖水侧输运, 减小了锋面海域的垂向层结和Ertel位涡, 加剧了锋面的不稳定, 并形成跨锋面的垂向次级环流。高分辨率模拟结果显示, 锋面海域最大垂向流速可达100m?d ^-1, 显著增强了上层海洋的垂向物质交换。因此, 活跃在锋面海域的次中尺度过程可能是增强南海西部上升流海域垂向物质交换的重要贡献者。     

南海西部风驱离岸急流次中尺度锋面的动力学分析

本文利用卫星观测资料和500 m分辨率数值模拟结果,结合理论分析,对南海西部夏季风场驱动的离岸急流海域次中尺度锋面及其不稳定对背景流场的动力学影响进行了研究。卫星观测和模拟结果表明,南海西部（WSCS）存在侧向尺度为O（1-10）km的次中尺度锋面,在地转和非地转运动的共同作用下,次中尺度密度锋面具有一阶Rossby（Ro）和Richardson（Ri）数。锋面诊断结果显示,沿锋面急流方向的风场强迫引起了显著的跨锋面Ekman净输送,有效地在跨锋面方向将表层冷水平流输送至暖水侧,导致海表浮力损失。减弱的垂向层结和增强的水平浮力梯度使得锋面海域出现负Ertel位涡（PV）,表明该密度锋面易受次中尺度对称不稳定（SI）的影响。次中尺度锋面不稳定引起的跨锋面次级环流能够显著增强垂向速度,其最大值可达100 m·d^-1。能量评估结果表明,次中尺度湍流的两个主要能量源,即地转剪切项（GSP）和垂向浮力通量（BFLUX）在锋面海域显著增强表明在沿锋面急流方向的风场强迫作用下,大尺度地转流的地转剪切动能和锋面有效位能能有效地通过锋面不稳定向次中尺度过程传递。因此,次中尺度锋面及其不稳定有助于增强局地垂向交换和正向串级地转能量,可以为夏季WSCS高叶绿素浓度的相干结构和锋面地转能量的正向传递提供新的动力解释。     

南海海洋温度锋面时空特征遥感分析

使用2010–2020年微波和红外融合SST数据,利用温度梯度法计算总温度梯度,获取了南海海面温度的水平变化梯度,开展了锋面位置、锋面平均强度及中心线长度的研究。利用锋面信息结果,开展了南海锋面气候态分布特征和年际变化分析和锋面强度与海面风场的相关性分析。结果发现：南海区域探测到的8个锋面多为河口锋和陆架锋,均有明显的季节态变化。1–2月检测到的锋面数量最多,所有锋面均可被检测;3–4月有较小幅度地减少,主要体现在马来西亚–菲律宾西侧沿岸锋和泰国湾锋的消失;5–9月呈现持续减少的趋势,并在9月达到最小值,仅检测到台湾海峡及广东福建沿岸锋和越南沿岸锋;10–12月开始有所回升,南海北部沿岸锋面开始被检测到。台湾海峡及广东福建沿岸锋平均梯度全年与风速的相关程度都在0.48以上,越南沿岸锋与纬向风相关系数最低为0.021。相比较夏季来说,冬季平均梯度与风速的相关程度较高。     

2008年夏季楚科奇陆架海域近底层水温大幅快速变化事件研究

2008年夏季中国第3次北极科学考察期间,利用锚碇潜标对北冰洋楚科奇陆架海域进行了为期33 d的海流剖面、近底层温度与盐度连续观测。观测数据显示楚科奇陆架海域近底层海水温度出现了两次较大幅度的快速升降现象。结合此次科学考察R断面温盐深仪(CTD)观测资料、以及卫星遥感海表温度(SST)和海表风场等资料,综合分析表明:观测到的这种快速升、降温现象不仅发生在近底层;这种快速升、降温现象应该是由海水温度锋面在夏季整体缓慢北移的同时存在短暂南北摆动所导致;温度锋面的季节性北移属于北极气候特征,而温度锋面短暂的南北摆动则与短期天气过程有关。     

南海北部反气旋涡旋边缘的次中尺度动力过程分析

广泛存在于上层海洋的次中尺度过程能有效地从平衡态的中尺度地转剪切中汲取动能, 并通过非地转斜压不稳定正向串级能量至小尺度的耗散过程, 从而对海洋物质能量输运、中尺度过程变异以及混合层再层化等产生重要影响。文章利用高分辨率(500m)的区域海洋数值模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)模拟结果, 并结合理论分析, 对南海北部冬季典型反气旋涡的次中尺度动力过程进行了初步探讨。研究结果表明, 典型中尺度涡边缘存在显著的锋面, 锋面海域强烈的水平浮力梯度能有效地减小Ertel位涡, 有利于诱发次中尺度对称不稳定(symmetric instability); 锋生作用是引起该中尺度涡边缘发生对称不稳定的主要动力机制之一。同时, 次中尺度过程及其不稳定引起的垂向次级环流显著增强了混合层垂向物质能量交换, 最大垂向速度可达95m·d^-1, 影响深度最深至80m。     

南海北部次中尺度过程数值研究

近年来的观测与理论研究发现,海洋上混合层存在一类水平尺度为0.1~10km、时间尺度为~O(1天)的重要物理过程,称之为次中尺度过程。该过程具有较大的罗斯贝数(Ro)和较小的理查森数(Ri),它能有效地通过次级不稳定从中尺度地转过程中汲取能量,并向小尺度湍流混合串级,从而对上层海洋物质能量输运、中尺度过程变异、海气相互作用,以及混合层再分层等产生重要影响。利用区域海洋模式系统ROMS(Regional Ocean Modeling System)进行水平分辨率约为1km的高分辨率数值实验,对南海北部的次中尺度过程进行了初步探讨。分析结果表明,南海北部海域有着丰富的中尺度涡旋与海洋锋面活动,且涡旋与锋区边缘存在显著的次中尺度现象。通过对次中尺度涡旋个例的稳定性和能量分析发现,锋面海域强烈的水平浮力梯度导致了涡丝边缘的Ertel位涡小于0,并引起对称不稳定,锋生作用是该次中尺涡旋南侧发生对称不稳定的主要动力机制。同时,对称不稳定能有效地从地转剪切中汲取能量并向小尺度湍流混合串级,其能量汲取的最大值出现在20m深度,约为4×10~(–7)W×kg~(–1)。     

台湾海峡南部的海洋锋

通过近期水文观测,结合卫星遥感和历史水文资料,对台湾海峡南部海域的海洋锋现象进行了整体分析。结果表明,由于多种水系在此交汇,台湾海峡南部冬、夏季匀有明显锋面发育。受季风气候影响,锋面发育有显著的季节差异。夏季影响本海区的水系主要有韩江冲淡水、上升流、南海水、和黑潮水等。它们的交汇形成了韩江冲淡水羽状锋、台湾浅滩上升流锋、黑潮锋、以及陆架／陆坡锋等的三维锋结构。韩江冲淡水和上升汉对夏季海崃南部浅海峰     

利用卫星遥感资料对南海北部陆架海洋表层温度锋的分析

利用7年(1993～1999)月平均的SST卫星遥感资料，分析了南海北部陆架区域海洋表层温度锋在一年中的逐月变化特征，表明南海北部陆架海洋表层温度锋存在明显的季节内变化。结合风场的卫星遥感资料，分析了东北季风对南海北部陆架温度锋的影响，表明东北季风风速的增加有利于温度锋强度的增强。通过对黑潮南海流套入侵较强的1999年2月与流套入侵较弱的1998年2月的SST卫星遥感资料的对比分析，考察了黑潮南海流套的入侵对南海北部陆架温度锋的影响，结果表明黑潮流套的较强入侵能够增加陆架温度锋的强度，对温度锋的走向也会产生一定的影响。     

利用遥感技术估算南海北部表层异养细菌丰度

常规异养细菌监测方法精度高但费时费力且不能连续观测, 而卫星遥感成本低、可以大面积同步、长时间周期观测, 可与常规方法互补。文章利用南海北部10个航次采集的表层异养细菌丰度和卫星遥感反射率, 采用统计回归的方法建立了异养细菌丰度的遥感模型, 其模型决定系数为0.81, 均方根误差为2.44×10⁸个·L^-1, 平均相对误差为21%, 具有较好表现。利用该模型估算南海北部表层异养细菌丰度, 结果显示: 从珠江河口到南海北部开阔海域, 异养细菌丰度逐渐减小。夏季河口地区平均异养细菌丰度最高, 春季最低; 近岸海域靠近珠江河口西侧的平均异养细菌丰度高于东侧; 冬季陆架地区平均异养细菌丰度最高, 夏季最低; 开阔海域的异养细菌丰度变化幅度较小。     

黑潮延伸体海域典型涡旋的次中尺度特征分析

本文基于卫星遥感资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模拟结果, 对黑潮延伸体海域典型中尺度涡旋的次中尺度特征进行了探讨。卫星观测和模拟结果显示, 黑潮延伸体涡旋海域伴随着活跃的次中尺度现象。涡旋演变与多尺度能量分析结果表明, 涡旋海域次中尺度动能的强弱与涡旋海域地转流动能有着密切联系, 锋生可能是涡旋边缘次中尺度动能增强的重要机制。次中尺度现象在中尺度涡旋海域具有沿地转流方向的复杂涡丝状结构特征, 意味着涡旋边缘较强的水平浮力梯度和地转流侧向剪切为次中尺度过程形成与发展提供了有利条件。此外, 垂向结构分析表明, 次中尺度过程能引起较大的垂向速度, 最大可达100m·day^-1, 该垂向速度可以影响至混合层下200m深度处, 对海洋内部的垂向物质能量交换、海—气相互作用等有着重要的影响。     

Seasonal variation in the three-dimensional structures of coastal thermal front off western Guangdong

The seasonal structure and dynamic mechanism of oceanic surface thermal fronts(STFs) along the western Guangdong coast over the northern South China Sea shelf were analyzed using in situ observational data, remote sensing data, and numerical simulations. Both in situ and satellite observations show that the coastal thermal front exhibits substantial seasonal variability, being strongest in winter when it has the greatest extent and strongest sea surface temperature gradient. The winter coastal thermal front begins to appear in November and disappears after the following April. Although runoff water is more plentiful in summer, the front is weak in the western part of Guangdong. The frontal intensity has a significant positive correlation with the coastal wind speed,while the change of temperature gradient after September lags somewhat relative to the alongshore wind. The numerical simulation results accurately reflect the seasonal variation and annual cycle characteristics of the frontal structure in the simulated area. Based on vertical cross-section data, the different frontal lifecycles of the two sides of the Zhujiang(Pearl) River Estuary are analyzed.     

Circulation of the East China Sea,a numerical study

A three-dimensional, primitive-equation model is developed to study how the Kuroshio, the monsoon, the Yangtze River outflow and the buoyancy forcing from the South China Sea affect the circulation of the East China Sea. It is found that the Kuroshio water usually intrudes into the East China Sea from both sides of Taiwan Island. Winter winds enhance the Kuroshio intrusion from northeast of Taiwan, but weaken it from the Taiwan Strait. Summer winds act in the opposite way. The increased presence of the Kuroshio water in the East China Sea in winter can be largely attributed to the shoreward surface Ekman drift associated with the northerly wind. In summer, the-shaped plume emanating from the Taiwan Strait is, to a large extent, produced by the buoyancy forcing from the South China Sea.In summer, the bimodal distribution of the Yangtze River outflow is initially produced by the upwelling-favorable wind. Away from the Yangtze River, the far-field dispersal of the fresher water depends on the strength of the Kuroshio. A stronger Kuroshio enhances the seaward dispersal of the northern branch of the Yangtze outflow north of Taiwan, but reduces the southward penetration of the southern branch. In winter, downwelling-favorable winds confine the Yangtze River outflow to a narrow band forming nearshore coastal jet penetrating southward. The northern tip of Taiwan acts as a conduit, channeling the seaward dispersal of the fresher water. The model results interpret the observed circulation patterns.     

“桑吉”号泄漏物质扩散与漂移数值模拟预测

基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式,对西北太平洋海域进行了水平分辨率高达4km的水动力环境数值模拟,该分辨率可以很好地分辨我国东海陆架环流以及中尺度涡旋等过程,此外模式考虑了8个分潮,模式结果很好地再现了黄、东海陆架环流等。基于模式结果,对"桑吉"号泄漏物质可能的扩散和迁移轨迹进行了数值模拟分析。在"桑吉"号沉船位置的表、底Ekman层内,释放拉格朗日粒子和示踪物来示踪"桑吉"号泄漏物质的可能影响范围。拉格朗日粒子和示踪物模拟结果表明:在未来3个月,"桑吉"号泄漏物质对我国黄海的影响较小,其主要随着对马暖流进入日本海和随着黑潮进入日本九州以南的太平洋海域。随着冬、春的季节转换,三个月后,北风会减弱,减弱风场的试验表明,风场减弱会减少泄漏物质向黄海的输送。5月份后黄海冷水团逐渐形成,由于斜压效应,在黄海深层水中会逐渐建立起气旋式环流,从而进一步阻碍了"桑吉"号泄漏物质向黄海的输送,该气旋式环流有利于"桑吉"号泄漏物质通过对马海峡向日本海的输送,而会抑制底层泄漏物质向我国黄海西侧的输送。     

南海北部海区上层水体平均声速场的变化

对所收集到的南海北部海区的温度、盐度和深度历史资料进行了声速的计算、统计与分析,结果表明该海区上层水体的平均声速场有较明显的年际变化:表层声速的平面分布显示出沿岸水与外海水强弱交替变化的特征,声速等值线的走向几乎与岸线平行,等声速线的值自近岸向外海增加,大陆架外缘海区声速的水平梯度较大;下层声速的分布以环流和水体共同作用的形式出现,50m层声速平面分布的趋势除冬季与表层稍为相似外,其余季节与表层有明显的差别,春、夏季节50m层声速自西向东增加,而秋季与其表层分布相反,自近岸向外海减小;声速的垂直分布受海水升温与降温的影响显著,春、夏季表层海水升温,海表声速最大,声速自海表随深度的增加而减小;秋、冬季表层附近水层降温,声速稍偏低,普遍出现正梯度现象,最大声速移至表层以下的水层,这个深度随季节的改变而改变,随海区的不同而不同.该海区的平均声速有年波动现象,表层波幅最大,随深度的增加波幅变小,至100m水层其波动的位相几乎与表层相反.     

Double-celled circulation in coastal upwelling

Simple numerical experiments on two-dimensional coastal upwelling are made with emphasis on the role of non-geostrophic solenoidal field of density in the formation of double-celled circulation and multi-celled density front. Geometry of shelf and slope is not taken into account. Existence of poleward undercurrent presumably caused by the longshore variation of the large scale pressure field is also suppressed for the sake of simplicity.The results are, (1) double-celled circulation revealed in the present experiment is closely related with the internal frictional layer, where the horizontal density gradient balances with the vertical gradient of the longshore velocity and the vertical diffusion of the vorticity. (2) density front formed by the emergence of the pycnocline to the sea surface is successively advected offshoreward by the Ekman transport. (3) the pycnocline intersecting the sea surface forms the density front which is nearly vertical on account of the small scale convection. The surface currents converge at the front and construct an anti-clockwise circulation (viewed from the lee side). (4) small coefficient of eddy viscosity and strong wind stress lead the Ekman transport unstable and form a multi-celled structure in the frontal region.     

2017年辽东湾夏季潮汐锋位置变化的分析

近海潮汐锋的分布和变化，主要受表层风摩擦、底层潮混合、净热通量和浮力平流的影响。基于2017年7、8月份辽东湾东部海域的实测数据，并结合ROMS（Regional Ocean Model System）模拟结果，利用考虑浮力平流效应的Stigebrandt公式对夏季辽东湾潮汐锋的位置变化进行了诊断计算，计算结果与ROMS模拟的潮汐锋位置符合较好，进一步探讨了风、净热通量和浮力平流对锋面位置变化的影响。主要结论如下：（1）位于辽东湾北部和东、西沿岸浅水区的潮汐锋呈"几"字形分布；（2）2017年6-7月潮汐锋位置变动不大，7月份仅在辽东湾东、西两岸潮汐锋位置略微向深水区移动，这主要是净热通量整体略微减小和风场略微增大造成的，浮力平流作用效果不够显著；（3）2017年8月辽东湾潮汐锋位置较7月向深水区大幅移动，最大移动距离约为20km，辽东湾8月份净热通量的大幅减弱起到了重要作用，浮力平流使潮汐锋位置向浅水区偏移，其调节效果比较显著。