渤海夏季环流和渤海海峡水体输运的数值诊断研究

建立了一个基于POM的涵盖渤、黄、东海的海洋环流诊断模式来研究渤海夏季环流。分别进行了风海流、密度流和总环流的模拟。从模拟结果得出:渤海海峡夏季与北黄海的水交换总的来说表现为北进南出特征,但与冬季相比,其流量较小(约5×103m3s 1)且不能深入渤海。辽东湾基本上受气旋式环流控制,黄河口外至渤海湾受反气旋式环流控制。数值实验表明,渤海夏季主要属密度流性质。在渤海海峡的北岸存在一支明显的上升流,而且北部的海水垂向运动比南部要强许多。在渤海中部的纬向断面上,东部的海水垂直交换要比西部活跃得多;渤海海水的垂向运动亦主要是密度流导致的。

全球大洋环流诊断模式研究——流场及流函数

基于GFDL的MOM模式建立一个全球大洋环流的诊断模式(Robustdiagnosticmodel)来研究全球大洋环流。水平空间分辨率1°×1°。垂向分为21层。分别进行月平均和年平均模拟,积分的时间长度为11a。模式水流来自DBDB5(NationalGeodeticCenter,Boulder,Colorado)。所用的温度、盐度数据根据Levitus(1994)的资料,表面风应力根据HellermanandRosenstein(1983)的全球风场数据插值而来。从模拟结果看,全球大洋中的主要环流结构均得到体现。北太平洋副热带流圈得到合理的模拟,其最大的输运超过50Sv。北赤道流在12°N附近分为南北两支。北支形成黑潮,而南支为棉兰老海流,在其东边,棉兰老冷涡得到很好的再现。在吕宋海峡有海水进入南海,在南海形成一个气旋式流圈,进而通过南海南部水道流入印度尼西亚海。模拟结果表明南极绕极流和黑潮可以深达底层。湾流则不能深达底层,其下方在1000～2000m深度存在南向的深层流,显示了大西洋深层水的流动。

南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统简介

面向社会需求,建立覆盖南海及周边海域的高分辨率风-浪-流耦合同化数值预报与信息服务系统。系统包含耦合同化数值预报模式、海洋动力环境数据库与可视化平台两部分。其中,耦合同化数值预报模式由中尺度大气数值预报模式、海浪数值预报模式和区域海洋环流数值模式,在C-Coupler耦合器中进行耦合,引入集合调整Kalman滤波同化模块,在耦合预报前进行大气、海浪和海流的同化后报模拟,为耦合预报模式提供更为精确的初始场。预报结果经海洋动力环境数据库和可视化平台处理后,通过二维和三维可视化展示,向用户提供直观的南海及周边海域海洋环境预报产品。

Nudging同化方案改进及其在西北太平洋海域M_2分潮模拟中的应用

基于POM模式,以西北太平洋海域为试验海区,针对Nudging松弛项的差分方案及Nudging松弛系数进行了数值试验。结果表明,通过引入Nudging松弛项的潮波模拟结果明显优于未加Nudging松弛项的模拟结果;在松弛系数取值相等情况下,Nudging松弛项采用隐式差分方案的结果要优于采用显式差分方案的结果;Nudging松弛项差分方案不论是显式还是隐式,模拟结果的偏差都随着松弛系数的增加而逐渐减小,当松弛系数增加到最优值后,模拟结果的偏差将随着松弛系数的增加而加大;Nudging松弛项差分方案为显式时,松弛系数太大将导致模式溢出;而Nudging松弛项差分方案为隐式时,能够有效增大松弛系数的阈值。文中还给出了最优Nudging同化方案下西北太平洋海域M2分潮的同潮图。

近30年渤海水文和气象状况的长期变化及其相互关系

利用线性回归方法对渤海和北黄海西部沿岸 7个海洋站 1 965— 1 997年实测海洋表层水温和盐度及地面气温和降水等 4个水文气象要素的长期变化趋势作了分析 ,得出渤海在这 32年期间海表温度年变率为 0 .0 1 5℃ /a ,由此推算得出 32年升高 0 .48℃ ;海表盐度年变率为 0 .0 4 2 /a ,32年升高 1 .34;气温年变率为 0 .0 34℃ /a ,32年升高 1 .0 9℃ ;降水年变率为- 2 .73mm/a,32年减少 87mm。这 4个要素之间及其与厄尔尼诺指数之间的超前 /滞后线性回归分析表明 ,海温与气温的年际变化相关关系最密切 ,相关系数达到 76.5 % ,置信度高于0 .99。其次是盐度与降水 ,它们之间亦有良好关系。同年盐度和降水之间的相关系数为- 43.6% ,盐度落后降水一年时相关系数为 - 39.2 % ,置信度均高于 0 .95。由此可推知 ,盐度变化平均落后降水约半年。渤海水文气象状况变化与厄尔尼诺有一定关系 ,其中以降水与厄尔尼诺关系最密切 ,1 982— 1 983年厄尔尼诺期间渤海气温和水温较高 ,降水显著偏少且海水盐度显著偏高。

渤、黄、东海潮汐的一种验潮站资料同化数值模式

以往的研究表明,采用直接的数值计算所得渤、黄、东海潮汐分布与实测值存在一定偏差。为了改善数值计算结果,建立了一种同化数值模式。计算中,在连续方程中增加了一个松弛项,将模式结果向已有实测调和常数的控制点推算潮高值趋近。在数值模拟中,共选取40个沿岸和岛屿验潮站作为控制点,另外选取71个验潮站作为检验点。数值实验表明,随着松弛系数的增加,控制点的计算和实测调和常数之差逐渐减小,直至松弛系数太大时,计算溢出。与此同时,检验点的计算和实测调和常数之偏差开始时也同步地明显减小,但当松弛系数加大到一定数值后,偏差值基本上不再减小,表明通过松弛同化可以改善计算结果,但计算与实测的逼近程度仍有一定限度。对沿岸111个验潮站计算值与实测值的比较表明,对M2分潮,振幅和迟角偏差分别从同化前的6.9cm和5.6°减小至同化后的3.5cm和3.1°;对S2分潮,从2.5cm和6.5°减小至1.9cm和4.0°;对K1分潮,从3.0cm和7.8°减小至1.4cm和4.1°;对O1分潮,从2.0cm和7.5°减小至1.3cm和4.2°。

南海南部与外海间的体积和热、盐输运及其对印尼贯穿流的贡献

根据中国近海高分辨率 ( 1 / 6°)环流模式的模拟结果 ,计算了南沙邻近海域与外海之间的海水体积、热量和盐量输运及其对印度尼西亚贯穿流的贡献。研究海域为 0°— 1 4°N的整个南海南部海域。计算得出 ,穿过研究海域流向印度尼西亚海域 ,最终流向印度洋的年平均体积、热量和盐量输运分别为 5 .2Sv( 1Sv =1× 1 0 6m3·s- 1 )、0 .5 7PW和 1 84Gg·s- 1 ,大约占印度尼西亚贯穿流相应输运量的 1 / 4。这一结果表明南海是全球大传送带这一全球海洋最主要热盐环流系统的重要通道之一。从南海流向印度尼西亚海域的通道以卡里马塔海峡为最主要 ,以下依次为巴拉巴克海峡、民都洛海峡和马六甲海峡。大的南向通量主要发生在冬、秋季 ,春末夏初总的通量向北。计算还得出输入本海区的热输运量比输出少 0 .0 64PW ,由这一结果推得 ,通过海 -气界面由大气进入海洋的年平均净热通量约为 30W·m- 2 。

南海海面温度与Nio/DMI指数年际变异的相关性分析

利用NCEP的Reynolds最优插值海面温度产品(1981年12月-2004年10月),对南海海表温度场的年际变化与热带太平洋El Ni^no指数(Ni^no1+2,Ni^no3.4,Ni^no5和Ni^no6指数)以及印度洋的偶极子指数(DMI)进行相关性分析。研究表明南海海面温度(SST)的变异与Ni^no1+2指数的变异相关性较强,南海海表温度场平均滞后Ni^no1+2指数4.77个月时,二者相关达到最大,平均为0.60;Ni^no3.4指数次之,南海海洋表层温度距平(SSTA)平均滞后Ni^no3.4指数6.67个月时,二者相关系数最大,平均为0.49。南海海表温度场对应的伴随形态进一步表明,南海随Ni^no1+2,Ni^no3.4指数出现正异常并有增暖现象,其中南海SST异常随Ni^no1+2指数变化的强度更大。并且几乎整个南海区域均超过95%的置信水平,当Ni^no1+2达到1个标准差(即异常增暖1.04℃),南海平均增暖幅度为0.16℃,越南东南外海和南海16°N以北区域SSTA增幅最大为0.20℃。表征西北太平洋海表温度场的Ni^no5和Ni^no6指数对ENSO现象的响应与南海表层温度场线性相关性不显著。研究还表明,南海海表温度场的年际变化与印度洋偶极子指数(DMI)的相关性不强,相关性仅体现在南海的卡里曼丹岛西南角的局部海域。

南海表层流场的卫星跟踪浮标观测结果分析

运用卫星跟踪漂移浮标资料分析南海表层海流 ,研究了有关海域的表层海流特征。结果表明 ,秋、冬季入侵南海的黑潮水有一小部分沿台湾南岸折回黑潮主干 ,并有时在台湾西南外海形成反气旋涡旋 ,其余大部分黑潮水西行进入南海内部。吕宋岛西部沿岸流始于 1 3°N以南 ,沿菲律宾西海岸北上抵达吕宋岛西北角 。

全球大洋潮汐模式在南海的准确度评估

采用南海海域60个验潮站和22个TOPEX/Poseidon卫星高度计轨道交叉点的调和常数资料,对比了TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10四种全球大洋潮汐模式M2、S2、K1、O1四个主要分潮调和常数在南海的准确度。为了准确评估这四种大洋潮汐模式在南海不同区域的准确度,本研究将南海分成了8个区分别进行了对比。结果表明,南海北部和东部区域,4个分潮都是DTU10准确度最高;南部区域,M2和O1分潮GOT00.2的偏差最小,S2和K1分潮DTU10的偏差最小。总体而言,在进行南海潮汐数值模拟选择开边界条件时,建议以DTU10模式为主,并利用GOT00.2模式作适当调整。还简单分析了南海M2、S2、K1、O1四个主要分潮的潮汐分布特征。

潮汐调和分析方法的探讨

为实现对不等时距潮汐资料的分析,基于Matlab内部函数功能,提出了一种调和分析方法。基于这种方法,分别对大连、北海两个站位1985年的全年等时间间距取样的资料和非等时间间距取样的资料进行了调和分析,结果显示,由等时间距资料和非等时间距资料计算的调和常数基本吻合。对大连、北海两个站位的全年资料进行多个不同时间间距取样分析,发现当分潮频率大于取样频率的二分之一时,分潮发生频率混淆。若分潮周期明显大于样品长度,该分潮的分析结果产生很大误差。最后得出结论为:此调和分析方法,适合对非等时间间距、非连续潮汐潮流资料进行调和分析,并且能够获得与传统方法精度相当的结果。

黄河口及其邻近海域水深和岸线变化对M_2分潮影响的数值研究

黄河口及其邻近海域水深和岸线的演化显著地影响着该海区的潮波系统。本研究收集到了1972年及2002年水深及岸线数据。在此基础上,基于ROMS模式建立了渤海海域潮波数值模式,模式采用正交曲线坐标,在黄河口及其邻近海域水平分辨率优于500m,其它海域水平分辨率优于2km。模式首先模拟了2002年M2分潮潮波状况,并利用实测资料进行了检验,在此基础上进一步模拟了1972年M2分潮潮波状况。对比分析表明1972—2002年黄河口外M2分潮无潮点向东北方向迁移约30km;期间莱州湾西侧M2分潮振幅明显增强;莱州湾M2分潮迟角呈现由前进波向退化的旋转潮波系统转变的趋势。

印度尼西亚近海潮汐潮流的数值模拟

利用FVCOM海洋数值模式计算了印尼近海的M2,S2,K1,O1分潮的分布,计算范围从20°S～20°N,90°～150°E,计算网格分辨率在印尼海域岛屿平均为1/12度,在大陆边界平均为1/5度,在开边界平均为1/2度。计算结果与104个TOPEX/Poseidon卫星高度计交叉点数据和79个验潮站数据进行比较,符合良好;与高度计交叉点比较,M2分潮振幅的均方根差为6cm,迟角为7°;S2分潮的振幅偏差为3cm,迟角偏差为8°;K1分潮振幅的偏差为6cm,迟角偏差为10°;O1分潮振幅偏差为3cm,迟角偏差为10°。根据计算结果给出了4个分潮的潮汐、潮流、潮余流和潮能通量密度分布图。

夏季海洋上混合层深度分布研究-Argo资料与Levitus资料的比较

利用Argo资料计算了准全球海洋夏季的混合层深度(MLD),并与Levitus资料计算所得的MLD进行了比较。结果表明,用Argo资料计算的全球夏季MLD总体上比Levitus资料的大。低纬20°S^20°N以及南半球40°~60°S等区域Levitus资料计算的MLD大部分明显小于Argo资料计算的MLD;北半球40°~60°N等区域Levitus资料计算的MLD略小于Argo资料的;而20°~40°N以及20°~40°S等混合层较浅的海区以及纬度高于60°N以及60°S的海区2种资料计算的MLD差别不大。南大洋MLD非常大,其中小部分海域用Levitus资料计算的MLD比Argo资料计算的MLD大100 m以上。

利用T/P卫星高度计资料调和分析南海潮汐信息

利用j,v模型调和分析1992～2002年共10 a的TOPEX/Poseidon(T/P)海面高度距平资料,提取了南海K1,O1,P1,Q1,M2,S2,N2和K2等8个主要分潮的潮汐调和常数。分析比较了卫星上下行轨道的19个交叉点的振幅和迟角,其中M2,S2,K1和O1的平均向量均方根偏差分别是1.5,1.1,2.5和1.4 cm;将交叉点的调和常数与TPXO7.2模式的结果进行了比较,结果表明M2,S2,K1和O1分潮振幅的绝对平均误差均小于3 cm,迟角的最大绝对平均误差为7.8°。选取了与卫星轨道较近的8个验潮站,对验潮站的实测数据调和常数和本文所得调和常数进行了比较,结果显示K1分潮的向量均方根偏差为4.7 cm,M2分潮的向量均方根偏差为3.7 cm。论文结果表明利用j,v模型调和分析方法对南海海域卫星高度计资料进行潮汐信息提取是可靠的,并可为局部重力场的研究提供海洋潮汐改正数据,有一定的参考价值。

印度尼西亚海域潮波的数值研究

基于ROMS模式构建了模拟区域为(15.52°S-7.13°N,110.39°~134.15°E)水平分辨率为2′的潮波数值模式,分别模拟了印尼海域M2、S2、K1、O1四个主要分潮。模拟结果与29个卫星高度计交叠点上的调和常数进行比较,符合较好。M2分潮的振幅均方根差为3.4cm,迟角均方根差为5.9°;S2分潮的振幅均方根差为1.7cm,迟角均方根差为6.3°;K1分潮振幅均方根差为1.1cm,迟角均方根差为5.8°;O1分潮振幅均方根差为1.2cm,迟角均方根差为4.4°。M2、S2、K1、O1分潮向量均方根差分别为3.8cm、2.4cm、1.9cm和1.3cm,模拟结果的相对偏差在10%左右。根据计算结果分析了印尼海域的潮汐特征及潮能传播规律,结果显示:爪哇海以外的印尼海域主要为不规则半日潮区;全日潮潮能主要由太平洋传入印尼海域,而半日潮潮能则是从印度洋传入印尼海域。

印度尼西亚贯穿流的年际变化:一个全球变网格海洋模式的初步模拟结果

使用1994-2000年NCEP风应力资料驱动全球变网格环流模式,得出印度尼西亚贯穿流(ITF)流量的年际变化时间序列。模拟结果显示:ITF流量的年际变化与太平洋和印度洋的年际变化均有密切联系,在ElNino年流量偏低,在LaNina年流量偏高;ITF流量的年际变化与Nino3区指数呈显著负相关,Nino3区指数超前ITF流量2个月时负相关系数达到最大,为-0.81;与南方涛动指数(SOI)明显呈正相关,SOI超前ITF流量2个月时相关系数达到最大,为0.72;与印度洋偶极子(IOD)指数负相关,IOD指数超前ITF流量3个月时负相关系数达到最大,为-0.74。

中国近海环流数值模拟研究综述

按照研究时间由早期到现代,研究方法由简单到复杂的顺序,综述了近几十年来海洋数值模拟工作在中国近海所取得的研究成果。目前,通过数值模式已经能够基本合理地模拟中国近海的海洋环流,黑潮、台湾暖流、黄海暖流等的路径、流量,对马暖流源区等问题的特征在数值模拟结果中也逐渐清晰。通过分析已有的工作,认为还存在多项关键技术问题,并受对中国近海环流认知程度的限制,中国近海环流的数值模拟研究还需要进一步的发展和完善。在未来的数值模拟研究中,通过变网格或多重网格嵌套技术,实现中国近海高分辨率的数值模式;应用更加符合实际情况的海洋参数化方案,发展风-浪-流-潮耦合模式;结合资料同化技术,发展预报模式等都应是中国近海环流数值模拟研究的重点发展方向。

南海北部陆架陆坡区海流观测研究

针对2006-2009年期间,南海北部陆架陆坡区3个站ADCP海流连续观测资料,采用功率谱分析、潮流调和分析方法,重点分析了陆架陆坡区100m,200m和1 200m水深海域海流的垂向结构,探讨了环流的季节变化和空间分布特征,特别讨论了南海暖流和北陆坡流的时空变化特征。结果表明,陆架陆坡区潮流类型属于不规则日潮,深水站点中层表现为正规全日潮类型,垂向为"三层结构",甚至更加复杂。O1,K1,M2,S2等分潮总体上为顺时针旋转,在深水站点,基本表现为西北-东南走向的往复流形态。从能量角度看,表层和底层海流中,潮流所占份额较大,分别占30%～40%和40%～50%,中层较小,约为20%。对东沙群岛西南陆架陆坡区环流,观测计算结果证实了西向强流的存在,且垂向结构具有显著的季节变化,在200m水深处没有明显的南海暖流,只是10～30m以上层次存在逆风海流。海南岛以东海域连续15个月表层环流的结果表明,冬季明显受到南海暖流的影响,存在东北向的逆风海流,夏秋季的环流表现为西南向,流速较强,夏季也存在逆风情况,造成上述情形的原因可能是该地南海暖流的流轴具有季节性变化——冬季偏南,夏季偏北。

Chezy型和广义Manning型摩擦关系在渤、黄、东海陆架潮汐模拟中的应用

以往对渤、黄、东海潮汐数值模拟中使用的摩擦系数大都采用不随地点变化的常数,即采用Chezy型摩擦。为了改善模拟效果,本文比较了Chezy型和广义Manning型摩擦关系,并选择与实测数据符合最好的参数,即最优参数。结果表明,采用广义Manning型摩擦系数所得结果更好。底摩擦系数在0.0009至0.0014之间,显著低于Proudman(1953)给出的0.0026,也比以往大多数已发表的值小。与原始的Manning公式不同(该公式的幂值为负数),本研究得到的幂值为正,表明在渤、黄、东海陆架区。总体上,水体越浅摩擦系数越小。本文给出了根据最优Manning型摩擦参数模拟得出的同潮图和能通量分布图,并描述了它们的特征。