南大洋太平洋扇区中尺度涡旋的统计特性及其变化

中尺度涡旋在南大洋海洋动力学中具有重要地位,其对气候变化的响应表现也引起了海洋学家与气候学家的广泛关注。本文利用涡动动能与涡旋自动探测技术两种方法对南大洋太平洋扇区的涡旋特性及其变化进行了分析。与前人结果相一致的是,高值的涡动动能主要集中在南极极锋海区,并且自西向东逐渐减弱。在过去的20年里,涡动动能在太平洋扇区的显著增强也集中在中西部海域,这里也是南极绕极流斜压性较强的海域。涡旋统计特性揭示了涡动动能的空间分布及其年际变化主要归因于涡旋振幅与旋转速度,而并非涡旋个数或者涡旋半径。这些结果进一步确认了对应于南半球环状模正位相的绕极西风异常改变了南大洋的涡旋特性,从而表现出涡旋活跃性增强。     

两方程湍流模型对内背风波数值模拟的影响

为了深入理解非静力近似下的波-湍相互作用问题,本研究在σ坐标的海洋环境研究和预报模型(MERF)中引入常用的Mellor-Yamada两方程湍混合参数化方案(MY2.5),评估垂向湍混合对小尺度背风波传播过程的影响.瞬时状态场的模拟结果表明,无论是否为非静力近似条件,上述湍参数化方案的引入都会减弱背风波传播的模拟效果.从时间平均场的试验结果来看,垂向湍混合过程会显著减小非静力近似和静力近似之间的差异.此外,能量收支分析的诊断结果表明,MY2.5方案会显著抑制陆坡地形下的背风波传播过程,进而将更多的潮能转化到不可逆的湍混合过程中.     

一次梅雨暴雨的动能谱特征分析及收支诊断

利用WRF模式和NCEP再分析资料,对一次梅雨暴雨个例进行了数值模拟,基于高分辨率的模拟结果计算了水平动能谱、涡旋动能谱及辐散动能谱,诊断了动能收支谱方程。结果表明:在暴雨发展阶段,各个高度上都有中尺度动能增长,其显著增加始于中尺度低端,这导致了在中尺度波段出现谱转折特征,但在不同高度转折尺度不同;对流层高层涡旋动能大于辐散动能,平流层低层反之;不同降水阶段、不同高度和不同尺度上动能的来源不同,对流层高层,中尺度动能倾向由非线性项和气压项贡献;平流层低层,气压项的作用更为明显。     

两个相似路径台风残余造成局地特大暴雨的成因机制和能量收支对比分析

本文利用ERA-Interim 0.5°×0.5°再分析资料、自动站小时和分钟加密资料、风云2G（FY-2G）卫星红外云图及多普勒雷达和风廓线雷达资料对2015年路径高度相似的“苏迪罗”和“杜鹃”台风在浙江沿海引发的局地特大暴雨进行对比分析。这两次降水过程都是在台风减弱为热带低压甚至残压并深入内陆远离浙江沿海后发生的。结果表明,“苏迪罗”降水过程是由低层强东南和偏南急流长时间辐合加上有利地形共同作用导致的;经向环流背景下来自季风持续的水汽输送有利于“苏迪罗”维持较长的生命史和稳定的降水。“杜鹃”残压特大暴雨的触发系统则是高纬地面冷高压底部的东东北出流南下与“杜鹃”北象限的东东南风交汇形成的中尺度倒槽;纬向环流和强盛副热带高压造成的弱引导气流及夏季风南撤和低涡卷挟造成的水汽通道断裂是“杜鹃”登陆后快速减弱为残压和降水维持时间较短的原因。两次台风降水过程中均无外部动能输送和来自有效位能的动能转换。动能收支的主要影响因子为中低层局地次网格运动间的能量转换、旋转风和散度风效应及下垫面的摩擦耗散。所以,虽然“杜鹃”的对流有效位能很小,但仍可造成强对流和特大暴雨。此外,降水过程中释放的凝结潜热造成的局地非绝热加热使气柱中显热能大量累积,促使地面中小尺度涡旋和倒槽不断加深,造成降水的增幅。     

GRAPES全球集合预报系统模式扰动随机动能补偿方案初步探究

为了体现次网格尺度能量升尺度转换过程中存在的不确定性, 文中将随机动能补偿(Stochastic Kinetic Energy Backscatter, SKEB)方案应用于GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)全球集合预报系统(GRAPES-GEPS), 以更好地表征模式误差并且增大集合离散度。使用的SKEB方案基于具有一定时、空相关特征的随机型以及由数值扩散导致的局地动能耗散率来构造随机流函数强迫。并根据流函数与水平风速旋转分量的关系, 将SKEB方案中的流函数强迫转化为适用于GRAPES全球模式的水平风速扰动。结果表明, SKEB方案的使用一方面能够提高GRAPES对大气动能谱的模拟能力; 另一方面能够改善GRAPES-GEPS的集合离散度与集合平均误差的关系, 增加了集合离散度, 并在一定程度上减小了集合平均误差, 尤其是在热带地区这种改进更为显著。而且该方案使得热带地区连续分级概率评分(CRPS评分)显著减小。就降水预报而言, 从Brier评分与相对作用特征面积(AROC, Area under the Relative Operating Characteristics)的结果来看, SKEB方案有助于改善中国地区小雨[0.1 mm, 10 mm)、中雨[10 mm, 25 mm)与大雨[25 mm, 50 mm)量级降水的概率预报技巧, 而对暴雨[50 mm, ∞)量级降水预报技巧影响很小(24 h降水量)。总体上, 模式扰动随机动能补偿方案提高了GRAPES-GEPS的概率预报技巧。      

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

华南农田下垫面地气交换和能量收支的观测研究

利用2004年11月至12月在广东省惠州地区进行的湍流连续观测资料,分析非均匀农田近地面层的基本气象要素特征以及水汽和CO2的浓度与通量输送规律,作为今后深入探讨地表非均匀性效应的基础.通过各辐射分量和感热、潜热与土壤热通量的特征分析,研究能量收支的基本状况,并讨论了造成显著能量"不平衡"的原因.观测的基本结果是:(1)近地面1.8 m高度处以北风为主,风速大多低于2 m/s,正午入射太阳辐射约700 W/m2;CO2浓度的日变化范围为600～900 mg/m3,水汽为5～25 g/m3.(2)各气象要素呈现明显的日变化,当地温度日较差约10℃,相对湿度始终高于50%.CO2和水汽的浓度在夜间较白天高,二者的日平均值为713.7 mg/m3和15.9 g/m3;利用涡旋相关法,测得二者的通量在白天高于夜间,日平均值为25.3 mg·m-2·s-1和-4.7×10-2mg·m-2·s.当地的日平均波文(Bowen)比仅为0.04,这主要是由于当地的高湿度造成的.(3)当地存在显著的能量"不平衡"现象,正午时的差额热通量可高达150 W/m2,这可能与平均垂直运动输送的作用、观测误差以及通量和辐射观测的"源地"不匹配等原因有关.研究结果与荒漠、城市和稻田下垫面的观测事实进行了定量比较.     

巴丹吉林沙漠北缘拐子湖流沙下垫面近地层湍流强度和陆面过程特征

利用巴丹吉林沙漠北缘拐子湖流沙下垫面2013年7、10月和2014年1、4月的湍流通量资料,计算并分析了研究区近地层湍流强度,同时针对风速分量、温度、水汽和CO₂归一化标准差随稳定度的变化关系和总体输送系数等陆面过程特征进行分析。结果表明：（1）风速各分量的湍流强度均随风速的增加逐渐减小,风速处于2 m·s^-1以下时湍流发展最为旺盛。湍流强度主要由水平方向风速分量决定,垂直方向风速的作用较小,且近中性和不稳定层结利于湍流的发展。与其他地区相比,平坦且没有建筑物的沙漠地区,机械湍流较弱,湍流强度相应较小。（2）风速各分量的归一化标准差与稳定度（z/L）均满足1/3次方函数规律,其中垂直方向风速分量的拟合曲线方程较好。（3）动量输送系数C_d具有明显的夏季高、冬季低的变化状态且各月的日变化形态均呈夜间低、日间高的循环形态。热量输送系数C_h的不同月份日变化间并没有明显的排列次序,且日出日落前后具有明显的波动。不稳定层结时,C_d和C_h均随风速的增加逐渐减小;稳定层结时,C_d和C_h均随着风速的增加逐渐上升。     

湍流度随高度的变化及其对城市宏观地形的依赖

分别构建广州主建成区垂直比例尺为1﹕2 000、1﹕1 000和1﹕500的3个建筑物模型,利用大型边界层风洞,在西北和东南两风向下,基于中性流模拟分析了复杂城市地形下湍流度随高度的变化及其对宏观地形的依赖。结果表明：风廓线指数α与不同高度的湍流度之间的关系密切,利用现有模型,根据4类粗糙度边界层和不同垂直比例尺,可确定相应的湍流度随高度变化模型的主要系数,预测精度高。城市地形下最大湍流度面发育在0~0.2 h之间狭窄的范围内。用湍流度形态指数β来表征湍流度随高度的变化,无论城市屋脊还是平坦地形,随着风程区的延伸,廓线的指数α升高,湍流度形态指数β降低。表明同一高度湍流度值具有由迎风区、丘顶区向背风区增高,沿风程逐渐增大的规律,对地形部位和风程的依赖性强,与来流翻越简单地形时的特征一致。     

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。