基于多种通信方式的海洋浮标站海洋气象灾害预警系统设计与开发

为了进一步加强海洋气象监测预警服务能力建设,文中设计了一种基于多种通信方式的海洋浮标站海洋气象灾害预警系统,系统由数据的采集、传输、处理、分析和发布5部分组成。数据的采集和传输部分主要负责收集和传输各类气象数据和信息,包括浮标和探测器实时数据、各类气象站点数据等,同时保障数据的质量和准确性,确保数据源可靠;数据的处理和分析部分主要负责对收集到的数据进行处理和分析,包括数据校正、整合、挖掘和模型建立等,形成各类气象灾害预测模型和预警指标,有效监测海洋气象灾害的发生并及时决策部署,为决策者和公众提供重要的参考和保障。

基于CiteSpace软件的肾透析高钾血症中文文献可视化分析

目的分析我国肾透析高钾血症的研究现状、发展趋势,挖掘研究热点及前沿。方法运用CiteSpace文献分析软件对中国知网、万方、维普2000─2022年收录的肾透析高钾血症的相关文献进行可视化分析。结果共纳入肾透析高钾血症相关文献397篇,总体发文量呈上升趋势,2011年之后年均发文量(20.4篇/年)约为前十年(12篇/年)2倍。前十年高频关键词为心律失常、饮食控制、净化设备、治疗及与血钾升高有关用药,2010年之后为心电图、健康教育、护理质量。关键词分析结果显示前十年研究热点为严重心律失常急救相关、心电图变化、生存时间,干预措施强调饮食限制;2010年后健康教育、护理质量和低钾血症受到关注。近年高水平机构的多中心合作逐渐加强,研究结果揭示了高血钾的流行病学特征。关键词突现显示护理干预、慢性高血钾和生活质量将为研究前沿。结论近20年肾透析高钾血症的研究从抢救、诊断、治疗到重视预防和护理干预,再到注重生活质量不断的发展和变化。目前更强调综合的管理模式,包括规范急性高血钾的处理流程和重视慢性高血钾的早期管理。探索更好的健康教育模式、注重生活质量和强调护理人员作为干预主体将会是未来的研究前沿和热点。

ENSO循环海表温度演变多样性的客观分类

厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Oscillation,ENSO)是热带太平洋最显著的年际气候变率模态,其海温异常(Sea Surface Temperature Anomalies,SSTA)的演变过程呈周期性和锁相性特征。本文从ENSO循环角度出发,使用K均值聚类法(K-Means Clustering Analysis,KMA)对1961-2021年ENSO的SSTA演变进行分类,得到ENSO循环的SSTA演变3类和5类两种客观分类结果。当分3类时,ENSO循环的SSTA基本演变特征分别为暖发展、暖衰减和冷持续过程;而分5类时,超强和普通暖事件发展、衰减过程在强度和纬向分布上的差异能够被进一步反映出来。为解释该差异,本文又引入结合主成分分析(Empirical Orthogonal Function,EOF)的KMA方法。通过将EOF主模态分为两大类,分别代表ENSO循环的纬向一致发展模态和纬向非对称发展模态,分离了ENSO循环中赤道太平洋SSTA纬向一致和纬向非对称发展过程。在此基础上,结合KMA聚类分析结果对不同类别的ENSO循环特征进行分析,发现纬向非对称发展模态叠加在纬向一致发展模态上,可最终导致ENSO的SSTA年循环纬向发展速度的不对称。对ENSO纬向一致和非对称演变模态进行回归重构,发现风、温跃层厚度异常可能是造成SSTA纬向非对称演变的关键。本文客观定义ENSO演变的不同类型,为ENSO多样性的气候动力学及其气候影响研究提供了一定参考。

一次入海温带气旋背景下的海雾观测分析和数值模拟

利用0.25°×0.25°逐小时ERA5再分析数据、中国气象局地面观测资料、卫星遥感监测资料以及WRF模式对2021年3月27~28日移入黄海的温带气旋引发大范围的海雾过程进行了观测分析和数值模拟,结果表明:(1)本次海雾发生时气海温差介于0.5℃~2℃,海雾成熟阶段出现了气温低于海温的现象。(2)入海气旋形成的湿空气辐合为海雾的发生和维持提供了水汽条件,低空急流带来的西南暖湿气流促进了逆温层的建立并输送水汽。(3)气旋入海以后,黄海海域出现了“双逆温”的现象,低层的逆温来自于低空急流的暖平流输送,高层的逆温是由气旋后部的干冷空气下沉增温造成。(4)在气旋和低空急流的共同作用下,近海面边界层大气湍流动能增加,这也促进了海雾在垂直方向发展。(5)湍流动能收支的诊断结果显示,切变项在海雾的发生和发展过程占据主导作用,当海雾在垂直方向发展时,湍流动能垂直输送项会明显增大。

基于多种机器学习模型的夏季北冰洋海雾卫星检测方法研究

利用2014—2018年6—9月Aqua/MODIS提供的光谱数据、海面温度数据及其他辅助数据,基于CALIOP L2 VFM产品中云底高度提取的海雾、云和海表标签,建立3类样本数据集。结合使用K折交叉验证法、网格搜索法和粒子群优化算法训练随机森林(random forest, RF)、支持向量机(support vector machine, SVM)、多层感知机(multilayer perceptron, MLP)和全卷积神经网络(fully convolutional network, FCN)4种不同的机器学习模型,对比模型在北冰洋夏季海雾检测中的表现。结果显示,RF、SVM、MLP和FCN均表现出一定的海雾检测能力,检出率(probability of detection, POD)均超过70%。其中,FCN表现出最稳健的综合性能,POD达到79.91%,虚警率达到较低的24.90%,关键成功指数达到63.17%。

热带海洋的降水区域划分及相关大气背景环境特征

[目的]探究热带海洋上空的大气背景环境差异对降水特征的影响及其内在机制.[方法]使用1998—2013年热带降雨测量任务(TRMM)的逐月降水特征数据,利用聚类分析的方法将热带降水区域划分为5种典型类型,并通过湿静能(MSE)和对流有效位能(CAPE)等诊断变量探讨不同降水类型与大气背景环境之间的关系.[结果]研究发现以西太平洋暖池为代表的强降水区域表现出强烈的垂直运动和水汽背景.相反地,大陆副热带西岸等区域由于下沉异常和相对较干的大气条件,降水较为微弱.其他开放大洋区域的降水受水汽异常和大气稳定性影响,较低的稳定度和更湿的中低层大气有利于形成高空降水.[结论]本研究探讨了热带海洋上空大气背景环境与降水类型之间的关系,指出大尺度气候背景的动力热力作用对热带海洋上空降水类型的关键影响,有助于加深对热带海洋上空降水空间分布的理解.

冬季海洋锋面对大气河影响的理想数值试验研究

本文利用天气研究和预报(Weather research and forecasting,WRF)模式设置了两组具有不同海洋锋面强度的“渠道模型”理想数值试验,忽略地形作用,探讨了冬季海洋锋面对大气河(Atmospheric river,AR)的影响。结果表明,在不同强度的海洋锋面试验中,大气低层风速、湍流热通量等物理量的响应与海温的变化同位相,且大气低层各变量对海洋锋面南侧海温变化的响应较北侧更大,呈现出南北不对称性。海洋锋强度的增强促进了向高空的涡动热量和水汽输送,导致高空风速加强和风暴轴北移。海洋锋面的增强还为经过其上空的气旋提供了更多的动量和水汽,加强了气旋南侧的水汽输送带,从而促进了大气河发生频数的增加和大气河强度的增强。

内部变率和全球变暖对春季北太平洋维多利亚模态增强的相对贡献

【目的】讨论北太平洋维多利亚模态(Victoria mode,VM)在1900—2021年(122 a)内时空分布变化,研究内部变率和全球变暖对春季VM在122 a年际变率增强的相对贡献。【方法】利用英国Hadley海表温度资料和第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)模式资料,采用多元线性回归方法分析内部变率和全球变暖对春季VM在122 a年际变率增强的相对贡献。【结果与结论】1)VM模态的解释方差从1900—1960年的9.3%增长到1961—2021年的13.1%,东北-西南方向的偶极子型结构变得更明显,且强VM事件年发生频率得到明显提高。2)定量分析得到全球变暖对1900—2014年春季VM的年际变率增强的相对贡献占46.67%,内部变率对1900—2014年春季VM的年际变率增强的相对贡献占34.38%。

内置偏心摆式波浪能发电装置运动响应分析

波浪激励下内置式波浪能发电装置的能量转换机理尚不清晰,影响了能量输出效率和稳定性。基于势流理论、莫里森方程和拉格朗日-欧拉方程,建立内置偏心摆式波浪能发电装置的三自由度动力学模型,并通过对比理论计算数据与水池试验数据,验证了模型的有效性。基于所建立的动力学模型,分析波浪激励条件、阻尼系数、偏心摆质量及偏心摆安装高度对装置运动响应的影响,并进一步研究能量转换过程的混沌效应,明晰装置混沌状态与输出功率之间的关系,揭示能量转换机理。

WRF、EC和T639模式在福建沿海冬半年大风预报中的检验与应用

基于福建省冬半年沿海和港湾岛屿自动站的逐时极大风观测资料和WRF（Weather Research and Forecast）、EC（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）细网格以及T639（TL639L60）三种模式预报的10 m风场资料，将模式预报的风向风速与观测资料进行对比检验，结果表明：福建省沿海冬半年大风的盛行风向以东北风为主，大风的时空分布极为不均，沿海风力的脉动性、跳跃性、局地性突出。从三种模式对风速风向的模拟效果来看， WRF和EC细网格的预报效果较好，有可参考性， T639可参考性不高。对于风速，模式预报结果相比实况极大风速偏小，港湾岛屿代表站风速的平均绝对误差均小于沿海代表站，预报平均误差由沿海向内陆逐渐减小，由中部向南北逐渐减小。风向相比风速的预报效果要差， WRF和EC细网格的风向预报误差在45°-50°，有一定的参考意义；港湾岛屿代表站风向的平均绝对误差大于沿海代表站，以浮标站的误差最大。当观测风速出现7级及以上风速时，若对大风进行分级检验，则较低风速的预报平均绝对误差小于较高风速；风向预报的平均绝对误差也大大降低，且误差都在45°以内，具有良好的参考性。

超强厄尔尼诺事件海洋学特征分析与预测回顾

2015/2016年厄尔尼诺事件被认为是一次与1982/1983和1997/1998年相当的超强事件。基于多套再分析数据,比较了此次事件的海洋上层变量主要特征与历史上两次超强事件的异同,并利用热带太平洋混合层热收支方程对主要物理过程进行了定量分析。研究认为,2015/2016年事件前期为异常高海温东传特征,且前期形成了一次弱的中太平洋型暖事件;但后期表现为弱西传特征,在成熟位相转换成东太平洋型强厄尔尼诺。此次事件中伴随着多次西风爆发事件和开尔文波东传,但赤道开尔文波在盛期基本维持在中东太平洋而不继续东传,赤道外罗斯贝波西传特征亦不明显。相比之下,此次事件在发展—成熟期前后的赤道"热容量放电"过程更加明显些。此次事件异常暖中心位置偏西,其主要原因很可能与赤道东太平洋的强东风异常和冷海水上翻,以及纬向洋流异常和次表层温度异常分布偏西有关;东边界冷水入侵,削弱赤道东太平洋海温异常程度,可能是此次事件位置偏西的直接原因。在海洋上层热量收支中,此次事件中温跃层反馈是促进海温升高和位相转换的最关键过程,纬向平流反馈项亦发挥了重要作用,两种过程共同形成了超强的升温幅度和偏西的异常暖海温分布型。中国国家气候中心新一代ENSO预测系统(SEMAP2.0)每年两次的实际会商预测中给出了较为合理的预测,特别是考虑前期海洋变化预报因子信息的统计模型更好地预测出了海温异常的波动演变状况,成为多方法集合(MME)的重要成员。

西北太平洋上层海洋对台风“巴威”(2008)的响应分析

基于多源卫星遥感数据、Argo浮标数据和HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model)再分析数据,分析上层海洋对2020年第8号北上强台风“巴威”的温盐响应特征,结果表明:(1)台风中心附近埃克曼(Ekman)抽吸引起上升流,表层以下海水辐合高盐冷水上翻,Ekman输运方向由台风路径指向路径两侧沿岸,海水在黄海两侧沿岸堆积引起下降流。由此导致台风路径附近海面温度(sea surface temperature, SST)与海面高度(sea surface height, SSH)下降,海面盐度(sea surface salinity, SSS)上升,路径两侧沿岸SSH上升,次表层海水温度增加和盐度降低。(2)由于台风前进方向右侧的风速更大,右侧Ekman输运强度比左侧大。台风更靠近右侧陆地,地形阻挡导致风速减小,在济州岛西南侧的海域上空10 m风呈现反气旋旋转,出现负Ekman抽吸速率(Ekman pumping velocity, EPV),为下降流,所以在台风和济州岛之间的海域存在着由强烈上升流到下降流的转变。这会让原本台风前进方向右侧强的夹卷和垂直混合进一步加强。这就导致了SST下降和SSS上升在台风前进方向右侧更为显著。(3)除了夹卷和垂直混合,台风前进方向右侧SSS的增加还与表层海水由南向北的水平流动有关。

2022年春季浙江一次持续性海雾过程的特征及成因

2022年4月10—14日浙江沿海海面出现一次持续时间长、范围广、浓度大的海雾过程。利用卫星资料、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)发布的ERA-Interim(ECMWF Reanalysis-Interim)资料和浙江沿海自动气象观测站资料,分析此次过程的特征和成因。结果表明,低层逆温层使得低层水汽不易扩散到高空,有利于大雾的生成和维持。成雾阶段,有明显的水汽辐合,同时气温高于海面温度且差值为0~2.0℃。海雾维持且浓度较大时,水汽辐合逐渐减弱;气海温差(2 m气温减海面温度)则在0℃左右。消散阶段,有明显的水汽辐散;气海温差大于2.0℃或小于0℃。

全球变暖背景下中国近海表层海温变异及其与东亚季风的关系

利用长时间序列HadISST、ERA-40高分辨率的海洋大气再分析资料和经验正交函数(EOF)及回归分析等方法,分析了近50年来中国近海表层海温(SST)、东亚季风的时空变化特征及两者的关系。结果表明:中国近海冬、夏季SST有明显的年际和年代际变化,并均在1980年代中期发生了位相转折,之后呈现显著的上升趋势。其中,冬季的主要升温区位于东海,而夏季则位于黄海,冬季升温明显强于夏季。进一步分析发现,1955～2006年冬季东海的SST上升了1.96°C,1971～2006年夏季黄海的SST上升了1.10°C。其次,东亚冬、夏季风低空风场也有显著的年际和年代际变化。东亚冬、夏季风低空风场除有2～4a的年际振荡周期外,分别自1980年代和1970年代末以来出现明显的年代际减弱趋势。第三,中国近海SST对东亚季风EOF模态时间系数的回归分析表明,中国近海冬季SST与东亚冬季风年代际变异的关系要强于与东亚季风年际变异的关系,且东亚冬季风年代际减弱有利于中国近海特别是东海及附近海域SST的年代际上升,而中国近海夏季SST与东亚夏季风年代际变异则没有明显关系。中国近海SST与东亚季风年际变异的相关区域主要为南海区域,冬季比夏季更为明显,且南海冬、夏季SST与经向南北风和副热带反气旋(高压)的年际变异有明显关系。

一次层积云发展过程对黑潮延伸体海洋锋强迫的响应研究——观测与机制分析

由于缺乏海上现场观测,对天气尺度扰动下,海表面温度锋(海洋锋)对海洋大气边界层(MABL)垂直结构和MABL内海洋性低云(marine stratus)的影响研究较少。2014年4月12日,中国海洋大学东方红2号科学考察船在黑潮延伸体海区的海洋锋附近捕捉到一次层积云的迅速发展。在比较稳定的天气形势下,由暖水侧向北穿越海洋锋时,云底和云顶高度升高,云区范围迅速扩大。本文利用多种大气—海洋联合观测数据,结合卫星观测和再分析资料,对此次层积云迅速发展的机理进行了综合分析。结果表明,在海上低压后部西北风控制下,在海洋锋的暖水侧(下风方)形成热通量大值中心和低压槽,有助于高空西风动量下传,进而又使得海气界面热通量增加,这种正反馈效应为MABL内混合层厚度加大和云底/顶高度在海洋锋的下风方升高提供有利背景条件。4月12日09:00~12:00(协调世界时),来自日本本州岛陆地的低空暖平流到达该热通量中心上空,暖平流与热通量中心的共同作用,导致该时段近海面暖中心强度异常增加,MABL中静力不稳定层加深和低压槽发展,综合作用的结果使得混合层厚度明显加深,云底高度升高,云区迅速发展。本研究有助于理解在复杂大气背景扰动下MABL对海洋强迫的响应机理。

ENSO及其组合模态对中国东部各季节降水的影响

近期的研究发现,热带太平洋低层大气存在两种主要模态,即经向对称ENSO模态和ENSO与海表温度(SST)年循环相互作用产生的经向反对称组合模态。主要探讨了这两种不同ENSO模态对中国东部各季节降水的影响。结果表明,厄尔尼诺年秋季,中国西南、长江及华南大部分区域呈现显著正降水异常;冬季,正降水异常范围扩大,覆盖华南、华东及华北东南部地区。这两个季节的异常降水都主要受ENSO模态的影响。与ENSO模态相关的正异常海温局地强迫导致120°E以西出现反气旋性环流,其西北侧增强的西南暖湿气流使得中国东部地区降水增多。次年春季,从中国华南延伸到东北出现正的异常降水,主要是ENSO组合模态的贡献。因为次年春季热带太平洋地区ENSO模态信号只局限于赤道地区,并没有对中国东部降水有显著的影响,而ENSO与海温年循环相互作用的组合模态使得与ENSO相关的赤道大气异常可以扩展到赤道以外地区。ENSO组合模态对中国降水异常有重要影响,在今后的研究和短期预测中需引起重视。

热带海表风速与海表温度日变化关系分析

利用热带测雨卫星（TRMM）搭载的微波成像仪（TMI）探测结果，在像元分辨率上同步反演的10年海表温度（SST）和海表风速（SSW）资料，研究了热带地区非降水条件下SSW变化对SST日变化的影响。结果表明热带地区SST日变化显著，SST日最小值多出现在早晨03：00（当地时间，下同）至06：00，日最大值多出现在午后17：00至19：00，SST日绝对振幅为1．9～3．4℃，日相对振幅为5％～7％。SSW变化对SST日最小值和日最大值的出现时间及SST日振幅均有明显的影响，且均呈现出区域性差异。热带地区SST日绝对振幅随SSW增大而减小，当SSW增加至9m／s之后，SST日绝对振幅变化不再明显；二者符合特定的正弦函数关系。在风速小的情况下，暖池区域平均SST日绝对振幅异常减小了0．16℃；在风速大的情况下，秘鲁沿岸区域平均SST目绝对振幅异常增大了0．17℃，且SST随时间变化波动较大。上述研究结果为下一步研究海表感热和潜热日变化打下了基础。

近60年来渤海海域波候变化及其与东亚环流的联系

研究海洋的波候变化是了解海洋动力过程对气候变迁响应的关键。渤海所处特殊的地理位置,使其波候在长期风场变化影响下存在阶段性变化特征。文章采用1950～2011年NCEP再分析资料中的渤海海域10 m风场资料,利用SWAN模式模拟逐月渤海波浪的有效波高、波向、波周期,分析该海区波候的变化特征。分析结果显示：1950～2011年期间渤海海域的有效波高呈现下降的趋势;波向角度均呈现上升的趋势,波周期相对平稳,略有上升;有效波高平均下降0.3 cm/a,波向角度平均增加0.12°/a。有效波高在1968年前后显现突变点,波向角度约在1960年突变,波周期在1965年左右出现突变点。渤海波候变化与海气振荡密切相关,是大尺度的大气环流变异导致的结果,长期气候变化背景下,东亚环流天气系统的长期变化（包括东亚季风强度、夏季风北界的移动,西太平洋副热带高压面积与强度的变化、脊点位置西伸与北进,以及西风指数的强弱变化等）,是影响和控制渤海海域波气长期变化的主要原因。

沿海典型大跨桥梁桥址区台风极端风荷载预测与应用

基于日本气象局1951年至2015年西北太平洋最佳路径数据库,采用地理加权回归方法,分别建立了台风路径、强度和风场参数递推模型,并结合台风边界层三维风场解析模型,提出了适用于我国沿海地区台风风灾模拟的随机模拟算法。以深中通道伶仃洋航道桥为工程背景,开展了桥址区10万年台风随机模拟,分别构建了极值风速的重现期曲线、超越概率曲线和竖向风剖面等,可直接应用于指导桥梁的抗台风设计。最后,在考虑伶仃洋航道桥结构参数和气动参数不确定性基础上,开展了该桥的颤振可靠度分析,评估其在台风作用下的颤振失效概率和安全性能。

近海水动力要素对入侵台风响应的FVCOM数值模拟研究

基于无结构三角网格和有限体积法的FVCOM区域海洋模式,建立了长江口、杭州湾三维典型风暴潮研究模型。首先对研究海域模拟的潮汐潮流要素进行验证和讨论,结果表明:该模式可较好的再现长江口杭州湾的水动力状况;其次统计并分析近年来影响长江口杭州湾海域的22个台风个例,归纳出两类直接入侵长江口、杭州湾并造成显著增减水的台风:正面登陆型与沿海北上型。在此基础上建立两种典型风暴潮模型(台风原型为TC9806和TC0012)。模拟的海域水动力要素对台风的响应显示:风暴潮过程中海表余水位在近岸出现显著增、减水,去除潮汐成分的余水位增水可高达近1 m。台风强风场引导表层余流的流向,主导表层余流流速,与岸界地形及径流综合作用,在台风前部强风驱动下,其下表层余流形成急流带,流速可达1～1.5 m/s。垂直方向上余流最大梯度出现在近岸浅水区5～6 m深度。台风过程造成了海表急流动量下传,深度直达海底。