中国物理海洋学研究70年:发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团,以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强,研究领域不断拓展,涌现了大量具有广泛影响力的研究成果,其中包括:提出了被国际广泛采用的“普遍风浪谱”和“涌浪谱”,发展了第三代海浪数值模式;提出了“准调和分析方法”和“潮汐潮流永久预报”等潮汐潮流的分析和预报方法;发现并命名了“棉兰老潜流”,揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等,系统描述了太平洋西边界流系;提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流);不断完善了中国近海陆架环流系统,在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流,以及陆架波方面均取得了深刻的认识;从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结;发展了浅海水团的研究方法,基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制,在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献;阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制,揭示了中尺度涡的三维结构,定量评估了其全球物质与能量输运能力;基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征,提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制;构建了“南海内波潜标观测网”,实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识;发展了湍流的剪切不稳定理论,提出了海流“边缘不稳定”的概念,开发了海洋湍流模式,提出了湍流混合参数化的新方法等;在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识,并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响;研发了全球浪–潮–流耦合模式,推出一系列海洋与气候模式;发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统;建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模 型实验平台;发展了ENSO预报的误差分析方法,建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系,揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应;初步建成了中国近海海洋观测网;持续开展南北极调查研究;建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统,为中国气象减灾提供保障;突破了国外的海洋技术封锁,研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器;建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型,为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示,经过70年的发展,中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍,这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军。     

2000年8月长江口外海区冲淡水和羽状锋的观测

采用CTD、多参数环境监测系统 YSI等仪器设备 ,于 2 0 0 0年 8月在长江口外海区对长江冲淡水结构、羽状锋等进行了现场观测。 2 0 0 0年 8月长江冲淡水出口门后 ,朝东北偏北流动 ,而当年 8月为长江径流量偏小的月份。通过动力分析指出了近口门段长江冲淡水分布类型与径流量的关系。长江冲淡水主流在近口门附近朝东北偏北扩展后 ,在科氏力作用下朝东南扩展 ,在转向区域为沿水下河谷北上的高盐台湾暖流水。高盐的台湾暖流水和长江冲淡水混合 ,生成口外羽状锋 ,强度大 ,阻挡了长江冲淡水向东扩展 ,并使冲淡水在当年径流量偏小情况下朝东北偏北运动。部分台湾暖流水在中下层能穿越长江口外而向北流动。羽状锋主要存在于长江口外 1 2 2 .6°E附近的 1 5m水层之上。在浙江沿岸、长江口外水下低谷西侧、吕泗近岸存在着上升流现象     

无结构网格二维河口海岸水动力数值模式的建立及其应用

为完全拟合河口近海复杂岸线和工程结构以及有效局部加密,设计并建立了一个无结构三角形网格二维河口海岸水动力数值模式。空间离散主要基于有限体积法以保证守恒性,时间积分采用预估修正法以提高精度。水位在三角形网格中心通过连续方程求解;水平x方向和y方向的流速U和V均在网格边中点上通过动量方程求解。流速平流项的求解中采用了TVD格式。TVD流速平流通量为一个一阶迎风格式通量和一个二阶格式通量的组合,一阶格式通量和二阶格式通量根据流速的局部分布情况得出配比,最终组合得到TVD通量。TVD格式具有低耗散和无频散的优点,提高了模式的稳定性。应用实测资料验证建立的模式,结果显示水位、流速和流向的计算值与实测值均符合良好。     

EAST CHINA SEA RESPONSE TO TROPICAL CYCLONES

The response of the East China Sea (ECS) to a tropical cyclone (TC) is studied with a two-layernonlinear primitive equation ocean model. Numerica experiments indicate that there is rightward bias inocean response to a moving TC. The initial middle layer (ML) depth and stratification intensity havesubstantial impact on the Changes of SST and ML depth. The initial ML depth has large effect onthe value of the current, whereas the initial stratification intensity has slight influence on it. Thedistribution of ECS ML depth, especially the special ocean thermal structure on the continental shelf facil-itates the drop of SST. The simulation results of ocean response to Typhoon 7002 are fairly consistentwith the observation data.     

长江口枯季北港淡水向北支扩展的动力机制

2011年12月至2012年1月长江口的现场观测资料表明,大潮和大潮后中潮期间,北港的淡水向北支口门和下段扩展,减小了北支下段的盐度,而小潮及其后的中潮期间无此现象。为了确证淡水的来源,采用验证良好的三维数值模式再现了上述观测现象,并通过数值试验和淡水通量机制分解方法分析其动力成因。数值试验结果表明,大潮及其后的中潮期间,北港主槽流经北港北汊及其周围浅滩的水体是北支淡水的主要来源,拉格朗日余流输送是其向北支扩展的主要动力机制。北港北汊的增深增加了进入北支的淡水通量,减弱了北支的盐水入侵。偏北风风速的增加抑制了北港淡水向北支的扩展,增加了北支的盐水入侵。     

夏季风场对长江冲淡水扩展影响的数值模拟

建立一个σ坐标系下三维非线性斜压陆架模式，研究长江冲淡扩展的动力机制。数值试验再现了夏季长江冲淡水转向东北的现象，夏季风场对长江冲淡水扩展的影响，取决于风速的大小和动向，风速为３ｍ／ｓ的南风，对冲淡水向北扩展的影响比较明显，而当南风风速达到６ｍ／ｓ时，则起着十分显著的作用，西南风加强了冲淡水向东扩展，但对南北向的扩展影响甚微，东南风抑了冲淡水向东扩散，并使之偏向西北，明确阐明了夏季风场对冲淡水扩展     

海洋对热带气旋响应的研究

建立一个二层非线性原始方程海洋模式，用以研究海洋对静止和以不同移速移动的热带气旋的响应。数值试验结果表明，海洋对静止ＴＣ的响应，具有不对移性；在ＴＣ中心处，抽吸使混合层变浅，在ＴＣ最大风速半径处，大风夹卷明显使ＭＬ加深和海表温下降；海洋对移动ＴＣ的响应，具有右偏性，且随移速加快而加剧。ＭＬ深度和ＳＳＴ的变化对ＴＣ移速十分敏感，而海流则不同。     

河口环流和盐水入侵I--模式及控制数值试验

本文应用ECOM模式,设计1个控制试验,研究理想河口环流和盐水入侵的动力过程.数值计算结果表明,盐水入侵产生盐度锋面,在锋面处底层存在着向陆的密度流,为保持断面上质量连续,上层的流速趋于增大;近口门附近底层流有偏南分量,表明有横向环流存在.在口门外因斜压和底形的作用,产生明显的上升流.盐水入侵在空间上具有不对称性,高盐水位于北岸的下层.在拦门沙上游出现上下2个相反方向的横向环流,而在口门处只出现1个顺时针方向的横向环流.从动力机制上分析了盐水入侵的空间不对称性和横向环流的产生.     

Observed residual currents off the Changjiang （Yangtze） Rivermouth in summertime of 1959 and 1982

Data taken in two large scale ocean observations in China in summer 1959 and 1982 were used to analyze the residual current off the Changjiang (Yangtze) River mouth. The currents at surface off the mouth in July 1959 and 1982 flow northeastward and eastward due to the river discharge, the current speed was larger in 1982 than in 1959. All the bottom currents flow landward due to baroclinic effect. The surface current was controlled by the river runoff and the Taiwan Warm Current (TWC). A return current at surface off the mouth was observed in September 1959. In general, the bottom currents were controlled by the TWC in most study area in addition to the runoff near the mouth. Although driven by 3-D model with the monthly averaged forces (river discharge, wind stress, baroclinic effect, open boundary water volume flux and tidal mixing) in August, the simulated circulations were basically consistent with the observed ones with episodic time manner.     

S坐标下西北太平洋环流和海温数值模拟

综合考虑侧边界水通量、海表面风应力、热通量、蒸发和降水等,建立了一个采用垂向S坐标的西北太平洋海洋模式,模拟和分析西北太平洋环流和海温。S坐标具有使海洋上层趋于同一水深的物理平面和同时底层拟合海底变化的优点。与日本2008年西北太平洋实测温度断面资料比较,模式计算的海温在分布势态和量值上较为一致,模式能较好地验证海洋温度分布情况。与σ坐标相比,S坐标能更好地验证海温的变化。模式较好地模拟出了西北太平洋气候态环流和海温变化。由于在σ坐标系下水深的水平变化体现在σ层上,海洋表层的分辨率比S坐标系下低,以及初始海温的水平分布含有水深水平变化的信息,S坐标海洋模式能更好地模拟环流和海温的变化。