MASNUM海浪数值模式业务化预报与检验

介绍了MASNUM(Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海浪数值预报系统,并利用全球和西北太平洋的Jason-1卫星数据和NDBC浮标数据中的海浪波高观测,对该预报系统进行了自2007年8月1日-2007年12月31日5个月的24,48和72 h预报结果的比较检验.模式校验结果表明,有效波高预报与观测的绝均差在0.5 m左右,从夏季到冬季,预报精度不断提高,与风场冬季预报精度较高吻合.     

中尺度涡自动识别算法比较与应用

中尺度涡是典型的海洋中尺度现象,开展中尺度涡研究具有重要的科学意义和实用价值,主要利用Okubo(1970)和Weiss(1991)提出的W方法和Nencioli等(2010)提出的几何学算法,针对数值模式输出产品开展了中尺度涡的自动识别与信息提取。结果表明,W方法和几何学方法均能够较好地识别出中尺度涡的位置,进而提取中尺度涡的半径、强度能信息,相比W方法,几何学方法能够识别出更多尺度相对较小的中尺度涡。同时,这两种自动识别方法也存在一定比例的漏判和错判的现象,进一步改进和完善中尺度涡的识别和信息提取算法仍然是必要的。     

中尺度涡冷暖特征的推导

为了从理论上解释中尺度涡旋冷暖性质与涡旋旋转方向的关系,本文基于中尺度涡的几何特征,做出如下假设：中尺度涡具有对称的几何形态,涡旋中海洋要素沿径向具有线性化变化的特征。从原始方程组出发,利用柱坐标系和上述假设条件,略去耗散力,推导出了中尺度涡的一些冷暖特征,论证气旋式中尺度涡对应冷涡和反气旋式中尺度涡对应暖涡的涡旋冷暖特征与部分涡旋的观测不符的现象。结果表明,中心对称的形式可以作为对中尺度涡的几何特征的一个理想的形态近似,在考虑上述假设条件的理想环境下,柱坐标系在研究中尺度涡的几何性质上具有一定的优势。     

南海海浪业务化数值预报系统检验

为检验南海海浪业务化数值预报系统的预报效果,利用2010年和2011年3-11月的观测资料,通过计算预报值和观测值的绝对误差、相对误差等统计参数和线性回归分析对南海海浪业务化数值预报系统进行检验.统计结果显示有效波高和平均周期的预报误差24 h＜48 h＜72 h,有效波高的24 h、48 h、72 h预报平均绝对误差小于0.5 m,平均周期的24 h、48 h、72 h预报平均绝对误差小于0.8 s;预报误差有明显的季节变化,10月和11月的预报误差显著小于其它各月;回归分析结果显示预报值与观测值存在中度高度线性相关关系,随着预报时效的增长相关度逐渐递减,预报值较观测值偏大.总体来说,该系统的预报误差在可接受的范围之内,满足业务化预报的要求,但与欧洲气象中心等发达国家的预报系统比较来看,该系统还存在较大差距.     

一种海洋遥感图像中尺度涡的自动检测方法

基于遥感图像涡区域检测边缘一般是由近似椭圆的分段圆弧曲线所构成的特点 ,提出一种“由粗到细”的海洋遥感图像中尺度涡计算机自动检测方法。首先对检测边缘利用曲线拟合和局部区域Hough变换的方法产生候选子区域 ,然后仅仅针对候选子区域利用局部区域图像灰度分割确定出涡的区域。实验结果表明所提出的方法可以完成处于成熟期、形态特征比较明显的中尺度涡自动检测     

南海东部中尺度涡生成机制

利用高度计海面高度异常数据和非线性1½层约化重力模式研究了南海东部中尺度涡的生成机制。模式结果表明,南海内区风场是南海东部中尺度涡生成的主要驱动力,且南海内区高频风场能解释约54%的南海东部中尺度涡。从西太平洋传来的信号同样有十分重要的作用,由西太区域高频风场大致能解释南海东部40%的中尺度涡。风驱动的赤道附近的海面异常信号能经过锡布图通道和民都洛海峡传播到吕宋岛西海岸,其中有部分能量会以罗斯贝波的形式往西传播。这种信号在西传的过程中会发生不稳定,可能形成孤立的涡旋。     

基于生成对抗网络模型的热带和亚热带海洋中尺度涡预报研究

中尺度涡蕴含海洋超过90%的动能,显著影响海洋物质能量循环。对中尺度涡的预报是目前物理海洋学研究的热点和难点。文章基于卫星高度计观测的近30年海表面高度异常数据(sea level anomaly, SLA),采用基于博弈思想的生成对抗网络方法(generative adversarial networks, GAN),构建了中尺度涡预报模型,进行了28天预报,并采用独立样本分析了预报涡旋的空间分布、时间分布、能量强度等特征参数,探讨影响预报结果准确性和时效性的主要因素。结果表明,半径为100～200km的涡旋在15天左右的预报时长仍能保持较好的准确性及时效性,误差在20%以内。该区域的平均涡动能约为0.875m²·s^–2,其预报的均方根误差(root mean square error, RMSE)普遍介于0.02～0.04m²·s^–2。且涡旋预报结果受异常天气影响较小,在正常天气条件和台风娜基莉条件下具有相似的预报能力。这些结果对进一步理解并应用生成对抗网络这一新方法预报海洋中尺度涡提供了参考。     

西北太平洋中尺度涡半径与涡动能的统计关系

中尺度涡的半径与涡动能之间的关系及其内在机制的研究,对我们理解中尺度涡旋的三维结构特征及其变异规律有很大的帮助。本文利用AVISO卫星高度计融合数据,基于流场几何特征的识别方法对西北太平洋(10°～52°N, 120°～180°E)的中尺度涡进行了识别追踪,并由此分析了该区域内中尺度涡的半径与涡动能(Eddy Kinetic Energy, EKE)的统计关系。结果表明该区域中尺度涡的半径与EKE之间存在类似翻转高斯函数的递增关系,特别是在涡旋半径达到一定程度后,EKE将不随半径的变大而继续增强。而且该关系与纬度密切相关,相同半径条件下,涡旋的EKE近似与其所在纬度的第一斜压Rossby变形半径的平方呈反比。进一步分析表明该统计关系与中尺度涡所处的发展阶段没有明显的联系。该结果为建立一个实用性的参数化、归一化的中尺度涡模型提供了一定的理论基础。     

北太平洋中尺度涡时空特征分析

利用1993~2011年19 a的AVISO卫星高度计资料研究了北太平洋(10°~60°N,120°E~100°W)中尺度涡的时空分布特征,结果表明:北太平洋每年约产生1 800余个涡旋,其中气旋涡稍多。北太平洋东部沿岸、西北沿岸、黑潮延伸体北侧、副热带逆流区是中尺度涡的高发区,春、冬季是涡旋的高发季节。涡极性分布以35°N为界,北部多反气旋涡,南部多气旋涡。涡旋半径以100 km左右为主,并且基本随纬度升高而减小,涡旋数量随着周期增长而急剧下降。反气旋涡的平均半径和周期均大于气旋涡。利用Argo浮标剖面资料分析的6个个例涡旋的垂直结构显示,每个涡旋都有其独特的冷暖核结构,深度不同。研究结果对于分析北太平洋涡动能分布及传输具有一定的参考价值。     

印度洋中尺度涡遥感调查和验证

海洋湍流的基本结构之一是各种尺度的涡旋,既有构成背景场流的随机小尺度涡旋,又有在统计意义上存在拟序结构的中尺度涡。针对印度洋广泛存在的中尺度涡,研究使用长时间序列、空间分布均匀的卫星测高数据,开展了印度洋中尺度涡遥感调查和结果验证。结果显示,印度洋中尺度涡主要分布在南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡以及北印度洋的阿拉伯海以及孟加拉湾。北印度洋由于空间区域所限,其中尺度涡生命周期和移动距离均较小;而南印度洋存在大量长生命周期的中尺度涡,部分涡旋可以横跨整个南印度洋运动。基于ARGO现场观测数据以及多源海洋三维再处理数据,对中尺度涡遥感调查结果进行了验证,中尺度涡表层遥感信号与水下温度信号显示了较好的一致性。     

Eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy analysis in the Southern Ocean

The spatial distribution of eddy diffusivity, basic characteristics of coherent mesoscale eddies and their relationship are analyzed from numerical model outputs in the Southern Ocean. Mesoscale fluctuation information is obtained by a temporal-spatial filtering method, and the eddy diffusivity is calculated using a linear regression analysis between isoneutral thickness flux and large-scale isoneutral thickness gradient. The eddy diffusivity is on the order of O (103 m2/s) with a significant spatial variation, and it is larger in the area with strong coherent mesoscale eddy activity. The mesoscale eddies are mainly located in the upper ocean layer, with the average intensity no larger than 0.2. The mean radius of the coherent mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddy gradually decays from (121.2±10.4) km ((117.8±9.6) km) at 30°S to (43.9±5.3) km ((44.7±4.9) km) at 65°S. Their vertical penetration depths (lifespans) are deeper (longer) between the northern side of the Subpolar Antarctic Front and 48°S. The normalized eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy activity show a significant positive correlation, indicating that coherent mesoscale eddy plays an important role in eddy diffusivity.     

基于自动探测方法的南海北部涡致海表温度锋面的特征研究

南海北部具有丰富的温度锋面和中尺度涡,它们调节着局地的热量和能量平衡。本文利用卫星海洋高度异常和海表温度数据,并基于自动探测方法,探究了2007年至2017年南海北部中尺度涡边缘的海表温度锋面（涡致锋面）特征。反气旋/气旋边缘出现锋面的概率可达20%。气旋涡在各个方向上出现锋面的概率比较均匀,反气旋涡的东北部和西南部出现锋面的概率大于西北部和东南部。中尺度涡致锋面的数量有明显的季节变化,而涡动能未表现出明显的季节变化。中尺度涡致锋区的总涡动能是中尺度涡内动能的3倍,并且反气旋涡致锋面的总涡动能明显强于气旋涡致锋面的总涡动能。中尺度涡致锋面的数量和涡动能的年际变化与厄尔尼诺南方涛动指数没有明显的相关性。本研究也讨论了中尺度涡致锋面的可能机制,但是中尺度涡对海表温度锋的贡献需要进一步定量研究。     

基于海洋调查实测资料的中尺度涡旋识别结果的验证及边界拟合技术

结合卫星高度计资料,本文在海洋中尺度涡旋综合识别法(综合法)的基础上,利用实测资料对识别的涡旋边界和中心点进行比对验证,得出以下结论：(1)通过诊断涡旋识别的边界切线与实测海流矢量的夹角,结果表明综合法识别的涡旋边界形态基本可以反映实测涡旋的水平形态;(2)利用实测海流和温度资料反演涡旋中心,通过与综合法识别的涡旋中心进行比对,结果显示涡旋识别的中心位置与反演的涡旋中心位置基本吻合。此外,通过比对圆与椭圆对识别涡旋的边界拟合效果,结果显示椭圆拟合准确率高于圆拟合准确率。     

Multisatellite observations of smaller mesoscale eddy generation in the Kuroshio Extension

Smaller mesoscale eddies (SMEs) have an important effect on the transmission of ocean temperatures, salinity, energy, and marine biochemical processes. However, traditional altimeters, the dominant sensors used to identify and track eddies, have made it challenging to observe SMEs accurately due to resolution limitations. Eddies drive local upwelling or downwelling, leaving signatures on sea surface temperatures (SSTs) and chlorophyll concentrations (Chls). SST can be observed by spaceborne infrared sensors, and Chl can be measured by ocean color remote sensing. Therefore, multisatellite observations provide an opportunity to obtain information to characterize SMEs. In this paper, an eddy detection algorithm based on SST and Chl images is proposed, which identifies eddies by characterizing the spatial and temporal distribution of SST and Chl data. The algorithm is applied to characterize and analyze SMEs in the Kuroshio Extension. Statistical results on their distribution and seasonal variability are shown, and the formation processes are preliminarily discussed. SMEs generation may be contributed by horizontal strain instability, the interaction of topographic obstacles and currents, and wind stress curl.     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要的作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而可对中尺度涡带来的物质和能量输送进行系统认识。     

一种使用卫星高度计数据且基于密度聚类的新型海洋中尺度涡自动探测算法

中尺度涡旋是海洋中典型的中尺度现象,是海洋中能量传递的运输者,中尺度涡识别与提取是物理海洋学研究的重要内容之一,而中尺度涡自动发现算法是最基础的用于寻找与分析中尺度涡的工具。中尺度涡旋探测工作的数据来源主要为卫星高度计数据融合出的SLA数据,该数据可以客观的描述海洋表层高度状态。中尺度涡表示为SLA闭合等值线所包围的局部等值区域,涡旋识别需要从SLA数据中提取出稳定的闭合等值线结构。针对基于SLA数据中的中尺度涡探测的特点,本文提出了一种新的基于聚类方法的中尺度涡自动识别算法,通过对SLA数据集的分割与筛选将中尺度涡区域与背景区域分离,后建立区域内联系并将其映射到SLA地图上来提取中尺度涡结构。本文算法解决了传统探测算法中参数设定的敏感性问题,不需要进行稳定性测试,算法适应性增强。算法中加入了涡旋筛选机制,保证了结果的涡旋结构的稳定性,提高了识别准确率。在此基础上,本文选取了西北太平洋及中国南海地区进行了中尺度涡探测实验,实验结果展示出了本文算法在较传统算法提高算法效率的同时,也保持着较高的算法稳定性,可以在稳定识别各个单涡结构的同时识别稳定的多涡结构。     

中尺度暖涡对热带气旋强度变化的影响及作用机制

基于两组理想化数值试验,对比研究了分布于热带气旋不同位置处的海洋中尺度暖涡所引发的热带气旋强度变化的时空特征。研究发现,热带气旋中心附近的暖涡对热带气旋强度有增强作用,而位于热带气旋外围的暖涡则会抑制热带气旋的发展。本研究将暖涡增强（减弱）热带气旋强度的区域称为内（外）区。随着时间的推移,内（外）区暖涡对热带气旋强度的增强（减弱）幅度逐渐减小（增大）,区域范围同步减小（增大）。内区暖涡增强了热带气旋的次级环流和结构对称性、增加了海气界面热通量,同时减弱了外围螺旋雨带,进而导致热带气旋强度增强;若暖涡在外区,其对热带气旋的作用相反,导致热带气旋强度减弱。由于理想化试验中热带气旋静止不动,因此研究结果可能只适用于传播速度较慢的热带气旋。本研究结果有助于更好地理解热带气旋和海洋中尺度暖涡之间的相互作用,并通过引入热带气旋外区暖涡的影响助力提高热带气旋强度预报工作。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。