基于文献计量分析方法的海气相互作用领域研究态势分析

海洋和大气是地球气候系统关键组成部分,其相互作用对全球气候及人类生活产生深远影响。为了分析海气相互作用的研究现状与未来的发展趋势。采用文献计量分析方法,运用VOSviewer和CiteSpace工具,筛选了中国知网(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)和Web of Science核心合集数据库中关于海气相互作用的文献,通过分析关键词共现网络图谱、时间序列图谱、突现网络图谱以及文献的发文国家和机构分布,对1981-2021年中国在该领域的研究进展和未来发展趋势进行了综合评估。同时,本研究还选取了2001-2021年的国际文献,对全球范围内的研究进展和热点问题进行了分析。研究表明,国内外在海气相互作用领域的研究均从宏观到微观角度深入探讨,着重研究了大气和海洋的基本作用机理,并进一步分析了影响地球气候系统的多种因素,目前研究重点转向了极端天气系统的预测及其运行机制。从研究机构和国家分布来看,高校与政府机构是主要的研究主体,国内研究机构之间的合作联系较为紧密。研究关键方向和方法,从宏观层面的基础研究转向更为深入的海气通量和大尺度过程研究。这一转变反映了国际海洋发展战略的调整,同时为未来的研究方向提供了新的视角和思路。

海洋中示踪物等值线的分形长度及其与混合效率的关系

涡致混合扩散是物理海洋研究中的热点和难点问题。本文基于“有效扩散”理论,研究示踪物等值线在海表地转湍流的多尺度搅拌作用下,发生拉伸、扭曲、变形、折叠等改变其几何拓扑结构的现象,并探讨了等值线分形长度的变化与混合效率的关系。研究结果表明,在地转流场的搅拌下,示踪物的等值线会被迅速拉长,并产生丰富的精细结构。这种分形式的增长可达原长度的10~20倍,是混合效率提高的主要原因;而涡丝和锋面伴随的梯度增强虽然也有贡献,但为次要因素。另一方面,在示踪物模拟过程中,小尺度扩散会通过不可逆混合对示踪物进行均匀化,从而抹平等值线的精细结构,抑制等值线的增长,限制混合效率的提高。基于“数盒子”算法计算了等值线的分形维度,其数值在1.4到1.6之间,介于一维和二维之间。但由于地转湍流数据分辨率的限制,无法考虑更小尺度(次中尺度过程)的搅拌作用,可能低估了等值线的分形长度和混合效率。本研究将海洋混合与等值线几何特征联系了起来,初步得到了分形长度和混合效率两者的经验关系式,未来可以利用图像识别等成熟遥感技术将海洋示踪物等值线的几何特征直接转换为混合效率,为诊断分析海洋混合及其参数化提供了一种新的思路。

海洋热浪背景下海气湍流热通量资料的评估——以2019年东北太平洋“Blob 2.0”事件为例

2019年夏季,东北太平洋地区经历了一次名为“Blob 2.0”的海洋热浪事件,对海洋生态系统造成了严重影响。利用美国国家数据浮标中心的浮标观测资料、全球客观分析通量产品OAFlux,以及大气再分析数据集ERA5、NCEP2和MERRA-2,综合分析了“Blob 2.0”事件期间海气湍流热通量的特征,并研究了其物理因素。浮标观测显示,在“Blob 2.0”事件期间,潜热通量呈现正增长趋势,而感热通量呈现负增长趋势,这一现象可归因于海气比湿度差呈正增长,而风速和海气温差呈负增长。评估结果表明:4种通量数据产品都低估了潜热通量的增长,ERA5的增长率与浮标最为接近。对于感热通量,MERRA-2和NCEP2产品的增长趋势与浮标观测相同,其中MERRA-2的增长率更接近;而OAFlux和ERA5产品的增长趋势与观测相反。

北赤道逆流影响的热带西太平洋秋冬转换期海表叶绿素浓度与ENSO循环

在厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Oscillation, ENSO)的发生、发展中,北赤道逆流也有明显的年际变化,但北赤道逆流的变化如何影响海洋水文生态条件的变化过程尚不清楚。本文以位于热带西太平洋的北赤道逆流影响区为研究海区,分析了2006-2022年ENSO循环期间研究区不同阶段秋冬转换期水文生态气候条件的变化特征。结果表明,北赤道逆流源区及其路径上存在海表叶绿素浓度高值条带,这是由北赤道逆流从其源区携带的和新几内亚海岸潜流携带的营养物质共同影响下形成的,棉兰老冷穹上升流也会对其营养盐供给产生较大影响。厄尔尼诺事件发生时,热带西太平洋西风事件增多,北赤道逆流增强,大量表层水东移,研究区海平面降低,深水向浅层补给增加,深层冷水上抬,共同增强的北赤道逆流、新几内亚海岸流、新几内亚海岸潜流和棉兰老冷穹上升流将更多的养分从水平和垂直层面输送到海面,导致海面叶绿素浓度和原位有机碳总量显著增加。拉尼娜事件发生时,北赤道逆流影响区生态水文气候条件变化与厄尔尼诺事件发生时的变化特征几乎相反,但其变化程度弱于厄尔尼诺时期,共同减弱的北赤道逆流、新几内亚海岸潜流和棉兰老冷穹上升流使从水平和垂直层面输送到海面的养分显著减少,导致海面叶绿素浓度和原位有机碳总量显著降低。本文提出了北赤道逆流影响区水文生态气候条件演化对厄尔尼诺事件和拉尼娜事件的响应机制模型,这有利于进一步分析ENSO循环在局地生态效应和水文气候演化中的作用,对认识全球气候变化对物质循环的影响具有重要意义。

南海混合层年循环特征

通过分析Levitus 1 994版气候平均温盐资料 ,得到南海混合层的时空分布特征 ,剖析了混合层深度及其内部温度的季节变化规律。资料分析表明 :季风通过流场调整对南海混合层的时空分布有着明显的影响。这种影响的复杂性在于它不但通过海洋表层Ekman效应来影响混合层深度 ,而且还通过大尺度环流造成的辐散或辐合来限制或促进混合层深度的发展。研究发现混合层深度与混合层内温度存在着如下关系 :夏季最大混合层的形成是 2 8°C等温线与混合层底达到相互贴合的过程 ;冬季最大混合层的形成是 2 8°C水体完全消失并且等温度线与混合层底达到相交最多、相交最为垂直的过程 ,这时对应着冬季南海北部温跃层的通风 ;大于或等于 2

秋季南黄海水文特征及海水的混合与交换

根据1996年10月中韩合作调查获得的CTD资料，分析探讨了南黄海秋季跃层的分布特征及垂直混合状况，同时对黄海冷水团的垂向混合进行了初步探讨．还利用改进后的逐步聚类分析法划分了表、底层水团，确定了各水团的温度、盐度、溶解氧和PH值4要素的平均特征值，并根据各水团的特性和温度、盐度的平面分布特征，重点探讨了黄海水与沿岸水及东海水的混合和交换．

胶州湾水交换的数值研究

基于一个成熟的水动力模型 ECOM(Estuary Coastal Ocean Model) ,对胶州湾潮波系统及其驱动下的标识质点运移规律进行数值模拟。将胶州湾划分为 6个区域 ,定量研究了整个海湾水的存留时间和不同区域水的交换能力 ,并指出流场结构对湾内水交换起了决定性作用。研究结果表明 ,湾内两余流涡对质点运动起阻碍作用 ,使得流入余流涡对的质点很难流出 ;海湾水交换有赖于初始投放时刻 ;东岸区域质点运移规律表明 。

线性层结盐水中的羽流运动特性

采用线性层结盐水发生装置以及喷嘴向下以重盐水注入盐水层结的方法,模拟线性层结盐水中羽流的发展过程;应用时间分辨粒子图像测速技术(PIV),研究线性层结盐水中羽流内部流场结构。羽流的发展过程可以定性地归纳为3个阶段:入射阶段、中性浮力层出现阶段和中性浮力层稳定阶段。实验结果显示:羽流流速从中心区域向边缘逐步递减;羽流在下沉到最大深度后回升到中性浮力层,并向四周扩散;在羽流内部及边界存在大量复杂的涡旋结构,说明在羽流发展的过程中,始终伴随着羽流与周围环境水体之间的掺混作用。重新拟合确定了羽流最大穿透距离公式中的量纲一常数C,取值为4.03。

浔江湾海水交换时间的计算

采用箱式模型、二维ADI流体方程和对流 扩散模型计算浔江湾海水交换时间,分析浔江湾的水动力特点和湾内海水交换时空分布的特点.计算表明,浔江湾的海水平均交换时间为1.04d;湾内海水涨潮速度比落潮速度快;湾口的海水交换比湾内的其他地方快.

南海与邻近海洋的水通量交换

利用一个局地加密的全球海洋环流模式,给出位于细网格海域的南中国海与其邻近海洋之间水交换的年平均和月变化的定量结果。结果表明,南海与周围海洋交换的水通量受南海季风的影响较大,其中吕宋海峡的交换量最大,其次为南海南部边界的断面,再者依次为台湾海峡、民都洛海峡和巴拉巴克海峡。另外还对南海各个海峡的热通量、盐通量进行了估算。

海南岛博鳌港水体交换的初步研究

依据全潮水文观测资料,估算了博鳌港的水体交换参数。结果表明,博鳌港北部(占整个纳潮水域的1/3)的水体交换特征是:在不考虑河流淡水输入的情况下,一个进入口门的海水质点将在湾内平均停留6.7个潮周期(7.4d),区内50%的水体被外海水替换所需要的时间为5d,80%的水体交换所需时间为11d;如果考虑万泉河的淡水输入,则水交换的速度更快(不到1d)。与之相反,博鳌港南部(即沙美内海湖)水交换速度则相对较慢。在博鳌亚洲论坛会址今后的建设过程中,应注意保持博鳌港(包括沙美内海)与外海水交换的通畅,以保护区内良好的生态环境。

河口底边界层湍流观测后处理技术方法分析

河口底边界层过程是河口海岸研究与工程应用中的重要内容。三维点式高频流速仪(ADV)已经成为湍流现场观测的最有效的工具之一,然而受测量状态、复杂的波流环境、底床几何结构等因素的影响,湍流观测的后处理目前还不成熟。在前人工作的基础上,提出了河口底边界层湍流观测后处理的综合技术方法,包括测量状态判断、数据质量检测、坐标系旋转、去除毛刺及滤波,探讨了这些处理方法中的某些步骤及处理顺序对湍流参数估算可能产生的影响,提出了综合后处理技术的准确性评估方法。该研究对于近岸海洋湍流混合、泥沙输运等重要问题的解决可以提供较为扎实的技术支持。

象山港分区水交换数值研究

在验证良好的三维斜压潮流数学模型的基础上,将象山港划分成7个海区,以7种不同的溶解态保守性物质为示踪剂,建立对流-扩散型的海湾水交换数值模型,采用关联矩阵法来描述各区之间以及各区与外海之间的水交换特性。通过不同示踪剂的浓度分布,计算了15、30、45、60和80d的水交换矩阵。由各时刻水交换矩阵可知,在象山港的7个子区中与湾外水的水交换速度最快的为Ⅰ区,最慢的为Ⅶ区。Ⅲ区(西沪港)、Ⅵ区(黄墩港)和Ⅶ区(铁港)内水体与湾外海水之间的水交换速度缓慢,但与区域外水体之间的交换速度要明显快于其他几个海区。从水交换矩阵可以看出西沪港、黄墩港和3个内港之间相互交换的海水量很小。

基于EFDC模型研究文昌清澜潮汐汊道人类活动对水交换速率的影响

文中利用水龄浓度概念,结合计算水交换时间的水质模型公式,在 EFDC（环境流体动力学模型）水动力基础上,分别计算了1965年和2006年清澜潮汐汊道的海湾水交换时间。研究结果表明,2006年的平均水交换时间为107d,1965年的平均水交换时间为114d,发生变化的主要原因是清澜港航道被浚深至7-8m,潮汐动力显著增强,纳潮量增加了4.3%所致。

象山港围隔生态系水质模型研究

在美国环保局开发的WASP(the water quality analysis simulation program,水质分析模拟程序)中的概念模型基础上,运用系统动力学软件Stella9.0.2建立了适用于海洋围隔生态系水质动力学模型。模型包括浮游植物、磷循环、氮循环、碳生化需氧量-溶解氧4个模块,涉及叶绿素a、有机磷、无机磷、有机氮、氨氮、硝酸-亚硝酸盐氮、生化需氧量、溶解氧8个水质指标。利用2010年10月初象山港围隔生态实验数据进行了模型验证和参数率定工作,成功模拟了不同水温条件下围隔水质情况,并确定了30余个模型参数,展现了系统动力学模拟的优势,为揭示象山港海域生态系统的动力学机制,模拟和预测他的变化提供科学依据。

膜生物反应器处理高氨氮有机废水的研究

采用膜评价池和生物曝气池组成的膜生物反应器处理含不同高浓度氨氮的有机废水,研究结果表明:(1)好氧膜生物反应器能有效处理高氨氮有机废水中的有机物,COD总去除率在95%以上;(2)好氧膜生物反应器在污水的脱氮处理中具有较好的前景,当总氮负荷为0.15kgTN/kgMLSS.d时,脱氮效率可达95.3%;(3)当膜的TMP=0.1Mpa,膜评价池水通量的变化范围为93～223L/m2·h。

孟加拉湾与赤道东印度洋水交换的季节变化特征

文章利用海洋再分析产品及卫星遥感资料等分析了赤道东印度洋与孟加拉湾经向盐交换的季节变化特征, 估算了孟加拉湾湾口6°N 断面的年均淡水输运量.盐通量计算结果表明孟加拉湾与赤道东印度洋的盐交换过程主要由海流控制, 湾口东西两侧过程基本相反.西南季风期（东北季风期）西侧为向北（南）的盐通量, 东侧为向南（北）的盐通量.湾口经向淡水输运量的分析表明, 断面上层在4~10 月湾内向湾外输运淡水; 在11 月-次年3 月则相反.年均经向淡水输运量的分析表明, 在整个深度层次上由孟加拉湾向赤道东印度洋输运淡水, 断面年均淡水输运量为1.0×10^5m3·s^-1.

象山港水交换数值研究 Ⅱ.模型应用和水交换研究

使用水平二维对流-扩散型水交换模式模拟研究了象山港的水交换，对不同区域的水交换控制机理作了初步探讨。象山港水交换状况与其控制机制的区域性变化很大。牛鼻水道至佛渡水道是一个潮流较强的潮通道，90％水交换周期为5天左右。象山港狭湾内水交换周期较长，湾顶处90％水交换的周期约为80天左右。

吕宋海峡水交换季节和年际变化特征的数值模拟研究

利用ROMS（Regional Ocean Modeling System）建立了一套覆盖西北太平洋的涡尺度分辨率环流模型,并对吕宋海峡附近的环流进行了模拟研究。结果表明,吕宋海峡120.75°E断面净流量季节变化显著,全年均为西向输运,6月份达到最小,为0.40×106 m3/s,然后逐渐增大,在12月份达到最大,为6.14×106 m3/s,全年平均流量为3.04×106 m3/s。在500m以浅,秋、冬季都有明显的黑潮流套存在,并伴有黑潮分支入侵南海,而春、夏季黑潮南海分支减弱或消失,黑潮入侵不明显。在500m以深,冬、春季,吕宋海峡以东有非常明显的南向流存在,流速约10cm/s,而到了夏、秋季该南向流出现明显的减弱,黑潮与南海的水交换主要通过吕宋海峡以北的吕宋海沟进行。在垂向结构上,120.75°E断面浅层呈多流核结构,并且流核的位置和强弱受黑潮的季节性变化影响显著,深层流的季节变化不大。在年际尺度方面,吕宋海峡年际体积输运量异常与Nio3.4滞后6个月相关系数达到41.6%,吕宋海峡水交换与ENSO现象有较为显著的正相关关系,并存在2~3a和准8a周期的年际变化。

罗源湾海水交换三维数值模拟

利用ECOMSED模式中的示踪粒子三维追踪模块分析罗源湾的水交换情况。结果表明,水交换能力的强弱与纳潮量的大小成正比。这里分析湾内水逗留期的空间分布,然后根据湾水存留期的不同将湾内划分为4个地区。进一步的研究表明不同海区湾水逗留期的差异主要是由欧拉余流场的结构差异造成的。由于风场可以影响当地的海流,因此不同的风场也会影响水交换能力。本文结果表明西南方向的风有利于水交换;而作为罗源湾全年主导风向的东北风,在平均风速的情况下,却阻碍了湾内水体的交换。本文还发现在不同投放时刻水交换能力的不同。初始投放时刻的不同对质点总数的减少速度有较明显的影响,高潮时和落潮中间时投放的质点数要比涨潮中间时和低潮时投放的质点数减少得快。罗源湾水交换能力的垂直分布不是均匀的:表层交换率较快,底层较慢,整个海域的交换能力与中层的相当。