全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951−2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

热带太平洋对风应力异常响应的数值试验

本文在建立了一个含约化重力及包括海表温度变化的正压非线性海洋模式的基础上,模拟了在年平均风应力作用下,海表温度及海流场的年平均状况,并做了热带太平洋对风应力突然加强的响应试验.西风增加区域分6.8°N～6.8°S间的整个赤道太平洋和西赤道太平洋二种情况.在这二种情况下,都能产生东太平洋的正海温距平和西太平洋的负海温距平,且正海温距平向东移动,与实际的EI Nino现象相似,并就海洋中Kelvin波和Rossby波的传播作了一些讨论. 此外,本文还试验了减弱的赤道太平洋东风恢复正常后,El Nino的衰减过程.结果表明,模式模拟的EI Nino衰减过程与观测到的现象比较类似.     

热带海洋对南亚季风和太平洋信风强迫的几种响应模态

应用动力学分析和数值计算的方法讨论了热带海洋对南亚季风和太平洋信风强迫的几种响应模态。结果表明：对于行星尺度的海洋系统,大气风应力可以激发出比较稳定的风生洋流：而对于天气尺度以下的海洋系统,大气风应力则主要激发出几种不同周期的海洋波动。上述结果既同一些经典理论研究有相似之处,也提出了一些新的观点和看法。     

海面对风应力的非定常响应

针对常垂直湍流系数和变垂直湍流系数两种情况，给出了开阔静止海面对风应力的非定常响应的解析表达式，并讨论了水深，风应力强弱对响应过程的影响，尽管没有考虑风场的非定常性，但本文的结果对理解海洋对风应力的非定常响应过程具有一定的帮助，对分析海面停风后的消衰过程也具有实际意义。通过与实测资料比较，认为垂直湍流系数模式要比常垂直湍流系数模式更为合理。     

海洋对洋面风应力的动力响应

利用海洋混合层的线性正压模式得出洋面附近风强迫下的洋流和洋面扰动高度的解析表达式。并用1980～1988年九年年平均一月风场和1983年一月月平均风场计算了在这些风应力作用下的定常和非定常情况下的风生洋流和洋面的扰动高度场。1983年一月洋流对实际风场响应的时间尺度主要是10天到50天的慢时间尺度,洋流流函数随时间变化迅速,最迟到第五天已经达到定常状态。洋面扰动高度场表明:太平洋西部和南美西海岸以西洋面有拾升现象。相对多年平均,1983年智利、秘鲁以西的南太平洋有大片海面扰动高度的正距平区,最大值可达40cm,呈东南-西北走向伸到赤道太平洋中部。     

海洋的季节变化及风应力异常对海洋影响的数值试验

对一个6层5°×4°网格的全球海洋模式作了一些改进,建立了10层5°×4°网格的全球海洋模式,进行了季节变化数值模拟,积分250a,取得稳定的结果.除了高纬度海洋外,模拟的季节变化与实际观测十分接近.在此基础上,作了热带太平洋海温场对热带季风异常响应的3组敏感性实验,第1组为赤道西太平洋异常西风向东传播的试验;第2组为整个赤道太平洋风应力振荡异常试验;第3组为赤道西太平洋异常西风、东风交替向东传播的敏感性试验.模拟结果表明:(1)第1组风应力敏感性实验结果揭示出,西太平洋西风异常的向东传播的风应力异常可以产生类似厄尔尼诺的赤道东太平洋变暖;(2)第2组试验结果表明,热带太平洋风应力的局地振荡首先在中太平洋东西部激发出海温扰动,然后海温扰动分别向东太平洋和西太平洋传播,从而引起东、西太平洋海温的异常;(3)第3组试验验证风应力QBO可以产生海洋中类似的QBO振荡.     

地形与热源强迫下的南方涛动

用El Nino和La Nina位相时的海温异常和地形作为大气下垫面的异常强迫,引入IAP的两层原始方程大气环流模式,模拟出了南方涛动的典型结构.当去掉地形后,仅仅由海温异常也能模拟出太平洋东西部的气压异常振荡,但太平洋东部振荡中心的位置并不与观测的一致.由此可见,观测到的南方涛动是在实际地形下对全球海温异常的响应.     

低频风应力强迫减弱数值模式中厄尔尼诺多样性（英文）

厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)包括低频海-气耦合和高频过程,但ENSO动力学中的非线性阻碍了两者对ENSO发展贡献的定量分析。最近的一项工作提出了在线低通滤波技术,通过去除模型中海-气耦合过程中风应力的高频部分,从而研究低频海-气相互作用对ENSO动力学的影响。本文通过比较使用和不使用在线低通滤波模块的模式,发现去除高频风力后会延长ENSO的周期,并降低厄尔尼诺现象的多样性,这证实了高频过程在厄尔尼诺多样性的成因中起着至关重要的作用。     

北印度洋风暴潮特征及其对气候信号的响应研究

北印度洋是我国“海上丝绸之路”的重要通道,其每年热带气旋活动引起的风暴潮等严重威胁着船舶航行安全和沿岸国家人民生命财产安全。分析研究北印度洋风暴潮的特征,对我国经济发展及北印度洋沿岸国家防灾减灾具有重要的现实意义。利用美国联合预警中心(the Joint Typhoon Warning Center, JTWC)公布的1950~2020年热带气旋资料、美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)公布的1950~2020年热带气旋资料与1950~2020年的Niño3.4指数、夏威夷大学海平面中心(University of Hawaii Sea Level Center, UHSLC)公布的北印度洋每小时的水位数据进行分析,结果表明:　(1)北印度洋大于1 m的风暴潮主要分布在孟加拉湾北部,少量分布在孟加拉湾其他区域与阿拉伯海; (2)孟加拉湾北部区域的年际最大热带风暴潮(annual maximum tropical cyclone storm surge, AMTSS)与当月Niño3.4指数、南方涛动指数(southern oscillation index, SOI)相关性较高、受厄尔尼诺-南方涛动(EI Niño-Southem Oscillation, ENSO)的影响明显; (3)北印度洋AMTSS月际分布呈现双峰分布,与热带气旋(tropical cyclone, TC)的月际分布基本一致; (4) La Niña期间影响孟加拉湾北部的热带气旋在数量与强度方面均超过El Niño期间影响孟加拉湾的热带气旋,是La Niña期间风暴潮极值大于EI Niño期间风暴潮极值的重要原因。研究表明, AMTSS对ENSO信号的响应可能为AMTSS提供了潜在的可预测性,这对早期预警和减少风暴潮灾害具有重要意义。     

热带太平洋对风应力拖曳系数响应的敏感性试验

为了检验一个准全球的海洋环流模式中热带太平洋对风应力变化的响应,使用NCEP月平均再分析资料计算的强迫场强迫该模式进行控制试验,在(10.5°S～9.5°N,159.75°E～110.25°W)的区域增大或减小风应力拖曳系数进行敏感性试验,并把试验结果与同时段的SODA资料进行分析比较.该模式基本能模拟出海洋环流的基本气候态,但是对一些细节描述还不够准确.试验结果表明,风应力减小时可以改善模式对热带东太平洋冷舌的模拟,而对次表层温度和流场的刻画能力较弱.增大风应力则对次表层温度和流场的模拟有所改善.通过对模式中热量收支的分析可知,平流过程、扩散过程对热带太平洋海表温度的变化起到了重要的作用;海表面热交换可以促使海温距平向相反的方向发展.垂直输送对赤道中东太平洋表层的降温起重要作用,抑制了次表层的增暖,水平平流过程则促进了赤道太平洋次表层的增暖.     

海—气相互作用及其对我国气候的若干影响

本文综述了近年来我国学者在海－气相互作用方面的研究成果，集中探讨了海－气相互作用对我国气候的若干影响。结果表明：①我国许多地区的降水和气温变化具有明显的准３．５年振荡周期，这一特征与赤道太平洋地区的海面温度也表现出强烈的准３．５年振荡现象有着密切的联系；②我国气温与南方涛动存在着遥相关的事实，可以作为早期识别埃尔－尼诺的信号；③热带太平洋海温异常影响到副热带高压强弱和位置的变化，是导致我国东部夏季     

风应力拖曳系数选取对风暴潮数值模拟的影响

在风暴潮的形成中风应力起决定性作用 ,风应力拖曳系数决定了大气与海洋间的动量传输率。观测结果表明 ,风应力拖曳系数随风速而变化 ,与海面粗糙度有关。文中采用几种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行数值模拟 ,与将其视为常数情况相比较 ,计算结果的精度均有较明显提高。对比各表达式模拟结果 ,采用 Smith(1980 )风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好     

大尺度环流异常对南极印度洋扇区海表面高盐异常的影响

南极印度洋扇区分布了许多南极底层水的生成区,此海域海水盐度变化对全球的气候变化有着深远影响。本文采用EN4再分析数据、实测海豹资料和WOD18数据,结合大气再分析和海冰密集度数据,对南极印度洋扇区表面盐度长期变化及其对大尺度环流异常的响应进行探究。2008年以来,南极沿岸出现显著的海表面持续性高盐异常,其中印度洋扇区变化最为显著,表层高盐水主要集中在达恩利冰间湖附近与沙克尔顿冰架以北的海域。沿岸海域的高盐陆架水向北扩张且影响深度不断加深,高盐的绕极深层水上涌也更加明显。此高盐异常与南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)、印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)两种大尺度环流密切相关。AAO与IOD正位相下,西风显著增强,促进海冰大量生成,为海表面提供了大量的盐通量。同时,海表面出现更显著的风场旋度负异常与低压异常,促进高盐深层水上涌,对高盐异常有重要维持作用。此外,纬向风剪切与蒸发增强也是影响该高盐异常的重要局地过程。     

北太平洋风应力与流场联合EOF的主模态分析

采用了SODA资料,将海面风应力场与大洋各层流场看作一个整体做了赤道外北太平洋风应力和流场异常的联合EOF分析,此时风应力场与各层流场有相同的时间系数,这样就可揭示海气耦合的结构和演变,这是该方法的特点和优点。得到的主要结论有:诊断得到的主模态的风应力异常体现了北太平洋大气活动中心的异常,两者关系密切;在冬、春、秋三季均表征为阿留申低压的异常,在夏季则表征为副热带高压的异常。该主模态的风应力和流场异常均是PDO模态在其上的体现,且前者处海气相互作用中矛盾的主要方面,后者处次要方面,前者起着主动作用,后者则处被动状态。主模态在四季均有明显的年际变化和年代际变化;对北太平洋风场和上层流场而言,年际变化反映了ENSO的影响,而约20a的年代际变化则反映了太平洋年代际振荡(PDO)的影响。主模态中北太平洋海盆尺度的风应力异常、大洋环流异常和上层海温的动力异常这三者具有紧密的联系,这三者的连锁作用则造成了北太平洋SSTA的PDO模态;而在此大洋环流异常则起着关键中介作用。主模态的风应力异常与黑潮系统流场的异常有紧密联系;对于明显的正(负)异常,冬、夏两季135°E以东的黑潮都偏强(弱),黑潮续流则偏弱(强);对于黑潮以南的回流涡旋,冬季则偏强(弱),夏季则偏弱(强);而ENSO和PDO对黑潮流场系统的异常均有明显影响。     

风应力的实验室测量方法研究

介绍了风应力的传统测量方法,指出其缺点是误差较大。提出了一种在实验室测量风应力的新方法－倾斜水面法,并在实验中加以比较验证,证明了此种方法的可行性。其精度更高,且具有操作方便、容易观测的特点。     

南海海面风应力特征分析

用南海的船舶气象资料分析了南海海面风应力的四季特征。指出冬季风应力最大,且指向西南;夏季次之;春、秋两季较弱,最小在春季。本文还进一步分析了南海风应力与大涌频率、浪高的相关关系,并建立了相应的相关方程。     

海洋对热带气旋风应力响应的准平衡解析解

为考察海洋上层各物理量对热带气旋风应力的响应问题,本文利用海洋线性化约化重力方程组开展了解析研究,所得主要结论如下:求解该问题使用跟随热带气旋中心移动的极坐标较为方便,当热带气旋风应力在热带气旋云墙内即热带气旋眼中为静止,在云墙处及之外随该极坐标半径增加而成反比衰减时,可求得该问题在此极坐标系中的定常解析解,该解强度与风应力成正比;解的流场在热带气旋云墙内为静止,在云墙处及之外呈现有向外流出的气旋式涡旋形态,且随极坐标半径增加而衰减。在云墙之外离云墙较近处,解的切向流速大于径向流速,在更远处则反之。解的径向流与热带气旋切向风应力平衡,切向流是梯度流,流动呈水平无辐散状态。在热带气旋眼中以及云墙处,海洋上层的厚度不变,且达到最小值。从云墙向外则厚度值逐渐增加。厚度值的变化反映了密度跃层的变化,在厚度值最小处附近,跃层位置有明显抬升,这会造成跃层附近海水涌升,从而海洋上层的响应涡旋是冷性的。略去海洋上层对热带气旋移动的响应,将此移动极坐标系中的解返回到固定坐标系后,则解的空间分布形态不变,但由定常解转变为非定常解,且随热带气旋一起移动;此解最重要的物理性质是其具有准平衡性,这与非平衡的近惯性振荡与重力惯性内波有本质区别。