Dynamics and role of the Durban cyclonic eddy in the KwaZulu-Natal Bight ecosystem

The semi-permanent Durban Eddy is a mesoscale, lee-trapped, cold-core cyclonic circulation that occurs off the east coast of South Africa between Durban in the north and Sezela, some 70 km to the south. When present, strong north-eastward countercurrents reaching 100 cm s^–1 are found inshore. It is hypothesised that the cyclone is driven by the strong south-westward flowing Agulhas Current offshore of the regressing shelf edge near Durban. Analysis of ADCP data and satellite imagery shows the eddy to be present off Durban approximately 55% of the time, with an average lifespan of 8.6 days, and inter-eddy periods of 4 to 8 days. After spin-up the eddy breaks loose from its lee position and propagates downstream on the inshore boundary of the Agulhas Current. The eddy is highly variable in occurrence, strength and downstream propagation speeds. There is no detectable seasonal cycle in eddy occurrence, with the Natal Pulse causing more variability than any seasonal signal. A thermistor array deployed in the eddy centre, together with ship CTD data, indicates upward doming of the thermal structure in the eddy core associated with cooler water and nutrients being moved higher in the water column, stimulating primary production. Together with the use of satellite imagery, our findings indicate a second mechanism of upwelling, viz. divergent upwelling in the northern limb of the eddy. Satellite-tracked surface drifters released in the eddy demonstrated the potential for nutrient-rich eddy water to be transported northwards along the inshore regions of the KwaZulu-Natal (KZN) Bight, thus contributing to the functioning of the bight ecosystem, as well as southwards along the KZN and Transkei coasts – both by the eddy migrating downstream and by eddy water being recirculated into the inshore boundary of the Agulhas Current itself.     

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。     

高低频系统相互作用对Rossby波破碎过程的影响

利用美国国家环境预报中心和能源部（NCEP/DOE）的逐日再分析资料（NCEP-DOE AMIP-Ⅱ）,对2010年12月20日发生在北太平洋一次典型的反气旋式波破碎（AWB）事件进行研究,分析了波破碎过程中等熵位涡场的演变特征,揭示了波破碎过程中高频扰动以及低频信号的逐日演变特征,并对2010年冬季350 K等熵面上逐日高频位涡（PV）扰动和低频变化做经验正交函数（EOF）分析,得到了其主要模态,并从等熵位涡方程出发研究了波破碎过程中位涡高、低频变化的原因。研究表明,波破碎过程中高频低PV空气从北太平洋西部日本附近沿东北方向向对流层上层侵入,而来自阿拉斯加湾附近的高频高PV空气向对流层下层侵入。高频位涡场EOF分解得到的前两个模态共同描述了北太平洋中纬度地区自西向东移动的天气尺度波列;低频位涡场EOF分解的第一模态在北太平洋呈弧形波列结构。天气尺度波在传播过程中受到低频场的平流作用逐渐偏离其传播主要模态的位置,并发生破碎,同时高频流场对高频位涡的平流可以产生低频变化,使得低频变化的空间形态向其冬季主要模态转变。     

京津冀地区低层局地大气环流的气候特征研究

本文采用2007-2016年的中尺度数值模拟结果和15个地面气象站观测资料,定义了局地风场表征风速,研究京津冀平原地区局地大气环流日变化的气候特征,并对区域大气污染及其输送的影响进行分析。此外,对2016年12月30日至2017年1月7日北京地区跨年大气重污染过程进行了个例分析。得到结论:京津冀平原地区低空风场变化是天气系统与局地大气环流共同作用的结果,山谷风环流致使太行山和燕山沿线平原地区大气边界层内的长年主导风向为偏北和偏南;太行山和燕山沿线地区山谷风环流本身呈顺时针旋转的日变化特征,夜间至早晨谷风转向山风,午后至夜间山风转向谷风;在午后谷风向山风转向期间,容易形成沿太行山东麓和燕山南麓、自南向东北的"弓形"气流输送通道,此气流输送通道在1月于21时左右形成,持续时间大约3 h,在7月于18时左右形成,持续时间可达9 h;冬季午后至晚间盛行谷风时,受山体的阻挡,污染物容易在山前累积,导致污染浓度增高;夏季同样的情况会发生在后半夜。     

暴雨过程中逆风区特征及应用判据研究

为研究暴雨过程中逆风区特征及应用判据,统计分析2010—2017年山东临沂地区暴雨过程中的多普勒雷达观测资料,结果表明：暴雨过程中,风暴内的垂直环流是造成逆风区发生发展的直接原因;逆风区表现为β中尺度和γ中尺度,其形态在不同天气类型下有明显差异;逆风区持续阶段降水强度增大,持续时间与过程累积雨量呈正相关;当雷达最低仰角识别到逆风区,其厚度≥4.0 km、强度≥15 m·s-1、径向速度绝对值最大值≥5 m·s-1且持续30 min以上时,风暴常明显发展,相关特征可用于预报风暴和暴雨的发展。     

集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的数值试验

利用集合卡尔曼滤波(EnKF)在云数值模式中同化模拟多普勒雷达资料,并考察了不同条件下EnKF同化方法的性能.结果显示,经过几个同化周期后,EnKF分析结果非常接近真值.单多普勒雷达资料EnKF同化对雷达位置不太敏感,双雷达资料同化结果在同化的初期阶段比单雷达资料同化结果准确.同化由反射率导出的雨水比直接同化反射率资料更有效,联合同化径向速度和雨水有利于提高同化分析效果.协方差对EnKF同化效果起着非常重要的作用,考虑模式全部预报变量与径向速度协方差的同化效果比仅考虑速度场与径向速度协方差的同化效果好.雷达资料缺值降低了同化效果,此时增加地面常规观测资料的同化可以明显提高同化分析效果.EnKF同化技术对雷达观测资料误差不太敏感.初始集合对同化分析有较大影响.EnKF同化受集合大小和观测资料影响半径.同化对模式误差较敏感.利用EnKF同化双多普勒雷达资料,分析了一次梅雨锋暴雨过程的中尺度结构.结果表明,EnKF同化技术能够从双多普勒雷达资料反演暴雨中尺度系统的动力场、热力场和微物理场,反演的风场是较准确的,反演的热力场和微物理场分布也是基本合理的.中低层切变线是此次暴雨的主要动力特征,对流云表现为低层辐合、高层辐散并有垂直上升运动伴随,其热力特征表现为低层是低压区,高层为高压区,中部为暖区而上、下部为冷区,水汽、云水和雨水分别集中在对流云体内、上升气流区和强回波区.     

南海西部夏季冷涡的季节变化特征

基于美国海军的空间分辨率为0.5°×0.5°月平均的GDEM(Generalized Digital Environmental Model )三维温盐资料,采用P Vector方法,计算了南海西部夏季冷涡及附近海域的三维环流,分析了此冷涡的水平结构和垂向结构及其季节变化规律。结果表明南海西部夏季冷涡所占据的海域为一上升流区,对应的是低温区和气旋式环流,其温度场具有明显的垂向层化结构,冷涡随深度增加而减弱。冷涡中心在上层靠近越南沿岸,在温跃层以下有离岸的趋势。此冷涡具有明显的季节性变化：在5、6月份冷涡开始形成,其范围达到110.75°E,最大切向流速为8 cm/s;在7、8月份冷涡达到强盛,其范围向东扩展至112.50°E,冷涡中心也向东移至(110.50°E,13.25°N),最大切向流速增加为30 cm/s;在9、10月份冷涡开始衰减。     

吉林省重大暴雨过程评估方法研究

应用Barnes滤波原理,构建合适的带通滤波器,获取了中尺度信息,对2005年7月21～24日台风"海棠"登陆后与中纬度系统相互作用给河南省造成的暴雨过程进行了分析.结果表明:在台风外围大尺度气旋性环流中,中尺度低压、中尺度辐合线和辐合区是此次暴雨的直接影响系统;台风低压移近后,与西太平洋副高之间气压梯度加大,可以在副高西南侧形成东南风低空急流,东南急流的形成促使中尺度系统加强和发展;干冷空气自对流层中层向低层伸展,与低层的暖湿气流交汇,使对流和暴雨加强.     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。