东海原甲藻赤潮的垂向发展过程:生物-物理耦合数值模拟

近年来,东海原甲藻赤潮在我国东海近岸海域频繁发生。本研究利用生物-物理耦合模型对发生于2005年的东海原甲藻赤潮进行后报模拟,并对控制其起始与发展的因素展开研究。该模型由东海原甲藻种群动力学模型与多层嵌套的水动力模型组合。通过对比模拟结果与室内实验结果,证实种群动力学模型能够很好地重现东海原甲藻在不同光照与磷营养限制条件下的生长过程,同时能够再现藻细胞内部磷含量及藻类对外部营养盐浓度的影响。耦合模型能够较好地再现模拟海域水动力（见Sun et al.,2016）与东海原甲藻赤潮的时空分布。模拟的赤潮发展过程与此前研究中的观测结果一致,且模拟结果表明模型能够捕捉到赤潮初期种群的次表层孕育现象。随后模拟结果被用于诊断决定赤潮垂直分布的决定性因素,结果表明磷酸盐是控制这一现象的关键因素。同时,表层风场在决定赤潮的分布中扮演着重要角色。模拟结果强调了营养盐限制在东海原甲藻次表层孕育及消散过程中的作用,本文所建立的耦合模型需要进一步优化并应用于其它条件下东海原甲藻赤潮的研究中。     

TESTING DRAG COEFFICIENT APPROACHES BY USING THE BUOY DATA COLLECTED IN MODERATE TO HIGH WIND UNDER FOLLOWING, CROSSING AND OPPOSING SWELL CONDITIONS

Hurricane intensity and track are strongly affected by air-sea interactions. Classified as following swells, crossing swells, and opposing swells, the observed wave height was parameterized by using the 10-m wind speed collected on 5 buoys by the National Buoy Data Center during 13 hurricane events. The path information of these 13 hurricanes was obtained from the National Hurricane Center Best Track (NHC-BT). Results show that the wave height increases exponentially with the 10-m wind speed, and the wave height reaches the maximum value, 11.2 m (8.1 m), when 10-m wind speed is 40 m s-1 under the following and crossing (opposing) swell conditions. We find that the wave steepness (the ratio of wave height to wave length) is proportional to the -2/3 power of the wave age (the ratio of wave phase velocity to 10-m wind speed). The parameterizations of friction velocity and drag coefficient are tested using the buoy data collected in moderate to high wind under following, crossing and opposing swell conditions. A wave age dependent equation for drag coefficient is found more accurate and suggested for future usage in numerical models. Further, these algorithms also suggest that wind-swell orientation needs to be considered to retrieve accurate surface drag under high winds and strong swells.     

机载波谱仪海浪谱反演方法及其验证

为了验证波谱仪反演二维海浪谱的功能,根据海浪波谱仪的信号形成机制,总结了机载波谱仪反演海浪的流程。利用机载波谱仪回波数据,通过自相关和互相关两种功率谱估计方法,反演了二维海浪谱。最后通过与浮标测量的二维海浪谱进行对比,验证了该机载波谱仪探测二维海浪谱的有效性。结果表明,无论采用自相关函数还是互相关函数进行功率谱估计,得到的主波波长和有效波高与实际二维海浪谱基本一致。互相关函数法得到的交叉谱能去除180°模糊现象,其在计算有效波高时相对于自相关函数会稍微偏小。在计算斜率方差时可以采用5°~12°入射角范围的后向散射系数进行公式拟合,因此定标与否并不影响最后的二维海浪谱结果,未来星载波谱仪只有靠多波束联合才能实现。     

基于X波段海洋雷达的南海西北部内波参数特征研究

中国南海是内波频发海域,卫星遥感在内波参数特征的统计分析中得到了广泛应用,但是卫星轨道的重复访问时间长,不能连续观测内波参数的变化特征。X波段海洋雷达具有高时间和空间分辨率,可以长期连续观测内波的变化,本文提出了利用X波段海洋雷达图像提取内波参数的方法,并利用连续观测的数据研究了各参数的分布特征。首先,对雷达图像进行预处理,包括平均处理及斜坡校正两步;利用二维快速傅里叶变换确定内波的传播方向,进而根据该方向上的径向廓线确定内波的相速度大小、波长及周期。最后,利用在南海石油平台上观测的X波段雷达图像对内波各参数进行提取和统计分析,结果表明,研究区域内波的传播方向多为西北向及西向传播,相速度多为0.6～0.8 m/s,波长一般为400～600 m,周期大部分不超过1000 s。     

用TOPEX/POSEIDON高度计数据研究南极绕极流流域海面高度的低频变化

采用TOPEX/POSEIDON(T/P)卫星高度计 1 993年 1月— 2 0 0 0年 1 2月海面高度数据 ,研究包含了整个南极绕极流流系 (40°— 6 0°S)的海面高度低频变化。首先采用EOF分解方法获取南大洋时空分布的主要模态 ,前 3个EOF模态分别占总方差的 2 4 .8%、1 3 .8%和 1 0 .7%。然后采用EMD方法分别分析了各个EOF模态的时间系数曲线的组成成分 ,对南极绕极流海域的各种时间尺度变化给出了清晰的描述 ,对于不同尺度变化所占的比例得到了定量的结果。研究结果表明 ,EOF的各个模态不仅在形态上存在差异 ,而且具有相互独立的物理背景。EOF的第一模态主要体现了以太阳辐射冬夏差异形成的年周期变化 ,另一个显著的特征就是南极绕极流从 1 993— 2 0 0 0年海面的整体上升趋势。EOF的第二模态体现了陆地地形对南极绕极流的约束作用 ,同时也显示了ENSO过程对南极绕极流 ,特别是对南太平洋的海面高度变化的影响。EOF的第三模态则体现了南极绕极流对南大洋表面风场东西方向不均匀变化的响应。同时 ,本文的研究也证明了EOF与EMD方法联合使用对揭示大范围时空变化有重要的实际意义     

海洋热浪多时间尺度变化特征与机理

在系统梳理国内外海洋热浪相关研究文献的基础上,本文综述了海洋热浪季节、年际和年代际变化特征与长期变化趋势及其形成机理的主要研究进展。已有的研究表明：(1)由于夏季海洋混合层深度较浅,海表温度对海面加热过程更敏感,导致海洋热浪多发生于夏季且强度最强,冬季则相反。复杂的局地海洋与大气强迫也使得海洋热浪的季节变化具有显著的区域性特征。(2)海洋热浪的年际变化主要受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和印度洋偶极子（IOD）等年际尺度海气耦合模态的影响,其中ENSO对海洋热浪的影响最为显著,其影响范围覆盖了全球大部分海域,IOD的影响主要集中在热带印度洋和热带太平洋,北大西洋涛动和大西洋纬向模态主要影响区域分别位于北大西洋和非洲西岸近海。(3)年代际太平洋涛动、太平洋十年涛动等低频气候波动对太平洋、热带大西洋以及东南印度洋海洋热浪的年代际变化具有重要作用。(4)海洋热浪长期变化趋势主要受人类活动的影响。全球气候模式的结果表明,在RCP8.5情景下,到2100年海洋热浪的强度将是RCP4.5的2倍,并且全球大部分海洋将陷入“永久性”的海洋热浪状态。最后,本文讨论了海洋热浪研究一些亟待解决的重要科学问题...     

基于X 波段雷达获取东沙群岛附近内波的传播速度

根据2009年6月24日15时40分至25日16时40分“科学一号”考察船在东沙岛东北部陆架上K106站进行的长达25 h的X波段雷达、温度链、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)同步观测数据,在该海域利用 Radon 变换技术获取了本次观测到的内孤立波的传播速度.利用该孤立波到达前30 min 的ADCP 流速值,计算得到内波传播方向上的背景流流速为0.04 m/s.最终得出该孤立波的传播速度为3.04 m/s,传播方向约为297°.基于同样的处理方法,求解了本航次中获取的南海东北部陆架处其他站点部分内波的波速信息.南海东北部陆架处内波,主要向西或西北方向传播.本研究对增进东沙群岛附近内孤立波传播特征的认识,具有重要意义.     

A new model to estimate significant wave heights with ERS-1/2 scatterometer data

A new model is proposed to estimate the significant wave heights with ERS-1/2 scatterometer data. The results show that the relationship between wave parameters and radar backscattering cross section is similar to that between wind and the radar backscattering cross section. Therefore, the relationship between significant wave height and the radar backscattering cross section is established with a neural network algorithm, which is, if the average wave period is ≤7s, the root mean square of significant wave...     

Submesoscale activity over the shelf of the northern South China Sea in summer: simulation with an embedded model

We applied a primitive equation ocean model to simulate submesoscale activities and processes over the shelf of the northern South China Sea (NSCS) with a one-way nesting technology for downscaling. The temperature and density fields showed that submesoscale activities were ubiquitous in the NSCS shelf. The vertical velocity was considerably enhanced in submesoscale processes and could reach an average of 58 m per day in the subsurface. At this point, the mixed layer depth also was deepened along the front, and the surface kinetic energy also increased with the intense vertical movement induced by submesoscale activity. Thus, submesoscale stirring/mixing is important for tracers, such as temperature, salinity, nutrients, dissolved organic, and inorganic carbon. This result may have implication for climate and biogeochemical investigations.     

基于C-2PO模型和CMOD5.N地球物理模式函数的SAR风速反演性能评估

本文选取142幅RADARSAT-2全极化合成孔径雷达（SAR）影像,在没有入射角输入的情况下,首先利用C-2PO模型进行海面风速反演。随后,将同一时空下的ASCAT散射计风向作为初始风向,提取相应雷达入射角,利用地球物理模式函数（GMF） CMOD5.N对142幅SAR影像进行风速计算。反演结果与美国国家资料浮标中心海洋浮标风速数据对比,结果显示:CMOD5.N GMF和C-2PO模型均可反演出较高精确度的海面风速,其均方根误差分别为1.68 m/s和1.74 m/s。此外,研究发现,在低风速段,CMOD5.N GMF的风速反演精度要明显优于C-2PO模型。针对这一现象,本文以SAR系统成像机理为基础,以低风速SAR图像为具体案例,给出了3种造成这一现象的原因。