台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风“康森(Conson)”进行数值模拟, 并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明, 模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致, 台风“康森”在近海面的风场不对称结构非常明显, 台风中心两侧的速度大小相差可达10m·s^-1。台风“康森”在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡, 且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布, 表明台风“康森”在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量, 发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小, 平均近惯性动能不超过35J·m^-3。随着气旋强度的增大, 热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长, 而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致, 当最大风速半径(R₀)增大一半(1.5R₀)时, 其产生的最大平均近惯性动能从81J·m^-3增大到631J·m^-3, 影响面积从大约600km²增加到大于900km²。     

涡分辨率海洋模式及其海气耦合模式中吕宋海峡处的黑潮入侵

比较了准全球涡分辨率海洋模式（简记为LICOMH）及其海气耦合模式（简记为LICOMHC）中的黑潮入侵南海与观测中黑潮入侵的差异。我们发现在单独海洋模式中黑潮入侵与观测相比过强,而在其海气耦合模式中这一差异得到了改善。冬季的吕宋海峡输送（LST）在LICOMH中为-8.8×10⁶ m³s^-1,而在LICOMHC中则下降到-6.0×10⁶ m³s^-1 。进一步的研究表明是大尺度风场,局地风应力和吕宋海峡以东中尺度涡旋的共同作用导致了黑潮入侵在两个模式中的不同。LICOMH中吕宋岛东北部相对较强的气旋导致了较弱的黑潮输送及吕宋海峡处较强的黑潮入侵。以上三者共同作用造成的LST差异大约是2.0×10⁶ m³s^-1,与两个模式间的LST差异大小基本相当。进一步对LICOMH与LICOMHC中的EKE收支进行分析表明,LICOMH中更强的EKE输送及斜压转换项导致了黑潮以东存在更强的气旋,而海表风场对两个模式中的涡旋差异贡献极小。     

东海陆架区中尺度涡运动路径的统计特征分析

基于1993—2017年卫星高度计海面高度异常中尺度涡旋追踪数据集,对东海陆架区及从西北太平洋入侵东海的涡旋进行路径分类、季节变化及特征参量统计分析,并结合再分析流场资料,进行背景流场、涡度场分析。研究结果显示,近25 a,在东海追踪到318个气旋涡和276个反气旋涡。根据涡旋运动路径将其分为:东海陆架浅海生成往深海传播型(148个)、深海生成向东海陆架浅海传播型(35个)、沿等深线运动型(180个)、徘徊型(121个)、外来入侵到达东海陆架型(25个)及外来入侵到达东海深海型(85个)。6类涡旋的数量存在明显的季节分布,各个类型气旋与反气旋涡数量的季节分布也各不相同。其中,沿等深线运动型涡在春、夏季的数量高于秋、冬季。陆架浅海区生成往深海运动型涡的季节分布较为平均,气旋式涡在夏季数量最少,在春季和冬季数量较多。黑潮与涡旋数量的季节分布有关。徘徊型涡的平均生命周期最长,约为44 d;陆架浅海生成往深海运动型及外来入侵到达东海陆架的中尺度涡具有最大的平均振幅,为13.2 cm;外来入侵到达东海陆架型涡具有最大的直径,为122 km;外来入侵到达东海深海型涡在进入东海后的生命周期、振幅、直径在数值上均为最小。     

基于深度学习的中尺度涡检测技术及其在声场中的应用

针对海洋中尺度涡的检测与参数提取问题,本文使用中尺度涡SAR图像数据集,提出基于深度学习的EddyYolo目标检测模型进行中尺度涡的涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,并且提取涡心位置和涡旋水平半径等参数.实验结果表明:本文提出的EddyYolo模型实现了涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,检测准确率达到94%.在此基础上,结合二维高斯涡模型和三维中尺度涡模型,本文提出了基于卫星遥感与声学对中尺度涡的联合建模方法.     

南海涡致热输送时空变化特征分析

利用11年高分辨率的(OGCM for the Earth Simulator,OFES)模式数据,计算南海涡致热输运(EHT),分析其时空变化特征。并利用卫星高度计数据验证OFES模式模拟南海涡致热输运的可靠性。研究结果表明,南海涡致热输运高值区主要分布在西边界流区,在南海北部和越南东南条带状区域,沿着中尺度涡运动路径,北部条带为向极输运,南部条带为向赤道输运,最大值达到了180MW/m。两高值区中间输运很小,沿着2500m等深线,为涡中心运动路径。南海中部涡致热输运较小。无论暖涡、冷涡,产生的致热输运均为顺时针方向。南海涡致热输运也存在明显的季节和年际变化。越南东南秋季输运最大,春冬季次之,夏季最小;南海北部则是春冬季最大,夏季最小。而在年际上,越南东南在2003、2007、2011年较大,南海北部则在2004、2007、2010年较大。     

南印度洋中尺度涡统计特征及三维合成结构研究

南印度洋是海洋中尺度涡的多发区域。本文利用卫星高度计资料及Argo浮标资料,对南印度洋（10°~35°S, 50°~120°E）区域中尺度涡的分布、表观特征等进行了统计分析,采用合成方法,构建了该区域中尺度涡的三维温盐结构。结果表明,涡旋频率呈明显的纬向带状分布,在18°~30°S存在一个明显的涡旋频率带状高值区;涡旋半径具有由南至北逐渐增大的趋势;长周期涡旋在其生命周期内,半径、涡动能、涡能量密度、涡度等性质均经历了先增大而后减小的过程;涡旋以西向运动为主,在经向上移动距离较小,长周期气旋（反气旋）涡具有明显的偏向极地（赤道）移动的倾向;涡旋平均移动速度为5.9 cm/s,速度大小大致沿纬向呈带状分布。在混合层以下,气旋涡（反气旋涡）内部分别呈现明显的温度负（正）异常,且分别存在两个位温负（正）异常的冷（暖）核结构;气旋涡（反气旋涡）整体上呈现"正-负"（"负-正"）上下层相反的盐度异常结构。中尺度涡对温盐的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

两层粘性流体中圆柱体受迫振荡数值模拟

研究两层粘性流体中无限长水平圆柱体的受迫振荡问题。在湍流模式下,采用VOF方法追踪两层流体的内界面,基于动网格技术模拟圆柱体的运动边界,对均匀流中横向振荡圆柱体的绕流场进行了数值模拟。计算受迫振荡圆柱体的升力系数、阻力系数随时间的演化曲线和圆柱体的尾涡分布,以及圆柱体的受迫振荡激发两层流体内界面的扰动,并与均匀流体的情况进行了比较分析。研究表明,流体的两层分层效应对受迫振荡圆柱体的升阻力系数和尾涡分布特性都有显著影响,在水下输油气管道涡激振动特性的工程评估中,应考虑流体的密度分层效应。     

台风“烟花”衰减后引发江苏中部降水加强分析

2021年第6号台风“烟花”在7月28日衰减为热带低压后,台风外围螺旋雨带致使江苏中部接连出现降水突增现象。本研究利用常规观测资料、数值预报产品和ERA5再分析资料,对强降水过程进行分析。结果表明：ECMWF FINE数值模式产品对于形势场预报较为准确,但中尺度CMA模式更能体现极端降水的量级和落区。分析降水增强原因可知,“烟花”移动时受到高空引导气流作用较小,其在安徽境内打转时,西风槽携带弱冷空气南下降低了大气稳定度并强迫暖湿空气抬升。高低空散度场与涡度场集中在较窄区域内,构成了垂直互耦的优势配置,有利于形成强烈且深厚的上升运动,是暴雨产生和持续的重要动力机制。强降水区位于湿位涡（MPV）负中心的暖湿气流中,MPV负值区可反映暴雨落区。MPV1和MPV2分布体现了冷空气入侵所引发的对流降水特征。此外,江苏中部位于螺旋云带右侧高湿高能区,东北气流与西南气流汇合形成了旺盛的线状对流云团,配合地面辐合线对中尺度系统的触发和维持,从而产生极端强降水。     

基于尾流振子模型的海底管跨动力特性研究

以海底细长柔性管跨结构为研究对象,分析了当管外流体流经管道时产生涡激振动的动力学特性及其相关影响参数。为了考察海底管跨的振动响应,将尾流振子模型与管跨的振动方程相结合,得到了流固耦合系统的振动响应分别由两个变量为管跨位移和尾流举升力的偏微分方程描述。使用van der Pol非线性振子模拟作用在管跨上的振动尾流,通过实例的计算与分析,确定几个重要参数对管跨振动响应的影响程度。     

南海北部中尺度涡流预报及应用

南海北部海域是南海中尺度涡的高发区,该海区的多尺度动力过程及相互作用经常对海上工程安全造成重大影响。针对“FPSO-119”海洋工程施工船在2021年5月8日20时左右遇到“怪流”后瞬时大幅度失位现象,在排除内波等其他海洋现象与外因影响的前提下,利用海表面高度异常(SLA)数据、HYCOM模式数据以及现场实测数据,分析认为“怪流”是施工海域内中尺度涡与潮流正向叠加所导致。在此基础上,结合TPXO潮流预报数据,提出了一种将中尺度涡流与潮流矢量叠加的涡流预报方法,并通过FVCOM数值预报,对施工海域的中尺度涡流进行预报。经过与现场实测数据的后报检验,该方法能够反映施工海域内涡流在未来2 d内的主要运动特征,可作为海上工程应对“怪流”的重要参考,在工程应用中结合内波流、风海流等其他信息综合考虑分析,可更好地为海洋工程和船舶航行等提供安全保障。