舟山海域夏季上升流的年际变化及其与ENSO的关系

本文利用1968—2021年的海表温度和风场数据,分析舟山海域夏季上升流强度的年际变化,并结合同期的Ni?o 3.4指数分析ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)对上升流的影响。温度和风上升流指数表明,1982—2021年夏季舟山海域上升流均呈下降趋势,下降速率分别为0.062℃·10a^(−1)和0.35m^(3)·s^(-1)·(100m·a)^(-1)。近年来,沿岸风应力的减弱是影响温度上升流指数减弱的一个重要因素。统计更长时间段内(1968—2021年)El Ni?o和La Niño年风上升流指数的强度发现,El Ni?o年平均风上升流指数较小,仅为-10.33m^(3)·s^(-1)·(100m)^(-1)。La Niño年平均风上升流指数较大为7.60m^(3)·s^(-1)·(100m)^(-1),高于El Ni?o和气候态,且多达4级(比例为75%)。进一步分析ENSO与舟山海域风上升流指数的关系发现,ENSO主要通过影响风的变化进而影响上升流的强度。El Ni?o年,舟山海域东南风减弱,导致上升流强度较弱,甚至发生下降流。La Niño年主要为偏南风且风速较大,更有利于上升流的发展。

阿古拉斯流域亚中尺度过程的能量分析

本文基于(1/48)°MITgcm数值模拟结果,通过频率−波数谱分析等方法分离地转平衡和非地转运动,分析了阿古拉斯流域亚中尺度的分布特征,讨论了其季节性变化的主要影响因素。结果表明,阿古拉斯流域亚中尺度过程具有冬强夏弱的显著季节变化特征,混合层斜压不稳定是影响该流域亚中尺度季节性差异的主要原因。此外,在涡动能较强的区域,地转平衡运动始终主导亚中尺度过程,季节性变化较小;在涡动能较弱的区域,地转平衡与非地转分量具有明显的季节性差异,局地混合层浅化可能是导致夏季非地转分量贡献增加的主要机制。本文研究结果有助于进一步探究阿古拉斯流域亚中尺度的季节性变化及其主导因素,地转平衡与非地转运动的有效分离加强了我们对海洋多尺度之间能量传递的理解。

罗源湾潮致余流特征及其对物质分布的影响

基于MIKE 3开展了罗源湾的三维数值模拟,以流场和断面垂向流速阐释了罗源湾的潮流分布特征,计算了罗源湾的潮致余流场,采用拉格朗日粒子追踪法模拟了具有粒子特性的物质在湾内的运移并分析了粒子的运动规律,结合潮流和潮致余流特征讨论了罗源湾不同区域的物理自净能力。研究结果表明,罗源湾西北部、东北岸内凹处和内湾口处形成了余环流结构,湾内不同区域的物质分布与潮致余流结构有明显相关性,粒子在罗源湾西北部海域运移缓慢,而湾口及可门水道附近具有较好的自净能力。本研究为进一步探讨罗源湾污染物质分布机制提供了科学依据,为罗源湾的污染控制和环境保护提供了技术支撑,研究方法也为其他海湾的相关研究提供借鉴参考。

南海北部历史水文调查资料揭示的上升流现象及形成机制

南海夏季盛行西南季风,琼东、雷州半岛东部及粤东沿岸海域季节性上升流经常发生,且受到广泛的关注。本文在处理了南海北部的历史水文调查资料时发现,除了直达海面的上升流频发区域外,还存在次表层上升流分布形态:强西南季风下,贯穿琼东、粤西、粤东沿岸的次表层上升流;粤西陆架大区域次表层上升流;珠江口外冲淡水驱动的上升流;粤东海湾陆架底层水入侵及湾内气旋环流。这些分布形态在已有文献中未见报道,或关注不多。除了夏季强西南季风的Ekman输送、风应力旋度产生的Ekman泵吸,南海海盆尺度环流的底边界层Ekman效应可能是次表层贯穿上升流不能忽略的驱动机制。上升流同期的大气环流形态表明,南海北部正风应力旋度Ekman泵吸似乎是粤西陆架次表层上升流的主要驱动机制。正风应力旋度与珠江冲淡水联合驱动了粤西陆架气旋型环流。气旋型环流的辐散利于粤西陆架次表层上升流的形成与维持。在粤东海湾,西南季风驱动的湾内垂向环流,及水平气旋型环流是陆架底层水入侵海湾的主要驱动机制。大亚湾内核电温排水热力羽流利于湾内气旋环流的加强。海湾岬角利于红海湾气旋环流的形成。除了Ekman效应,上升流形成机制还需关注更多的动力因素。

南海西南海域中尺度涡传播特征分析

本文依据越南离岸流等将该海域分为南北两部分,基于1993年1月1日—2020年12月31日的海平面异常卫星高度计数据,追踪了南海西南海域中尺度涡的传播轨迹,研究了中尺度涡的传播特征。结果表明:北部区域气旋涡传播方向更易沿等深线传播,反气旋涡更易跨地形由深水向浅水运动;北部区域冬半年(秋分至春分)会有更多的气旋涡偏北向运动,更多反气旋涡偏南向运动,夏半年(春分至秋分)则会有更多的反气旋涡偏北向运动,更多的气旋涡偏南向运动;南部区域夏半年反气旋涡的传播路径最为独特,主要向东北方向运动,气旋涡则主要向西南方向运动,二者方向完全相反。本文研究结果可为全面了解南海旋涡的传播及其物理机制提供支撑。

基于星载合成孔径雷达图像交叉谱的全球海浪特征研究

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)因其全天时、全天候的观测能力,为全球海洋动力环境要素研究提供了重要数据支撑。然而,SAR海浪成像是非线性过程,现有理论中的近似求解会导致海浪谱反演的信息缺失。SAR图像交叉谱技术的提出一定程度上突破了这一限制,能够很好地量化海浪谱特性及海浪传播方向。本研究延续前人系列成果,利用最新提出的面向径向海浪的图像谱强度,开展不同尺度海浪随局地风速的变化趋势分析,并基于雷达视向图像谱强度提取了谱峰波数,进而结合欧洲空间局环境遥感卫星先进合成孔径雷达波模式在开阔大洋获取的近400万景SAR图像,分析了谱峰波数的全球分布特征,为量化全球风浪耦合过程提供新视角,揭示了海浪与风速耦合关系的空间分布与季节变化规律。

基于复经验正交函数的日本以南黑潮路径时空变化特征及其因果关系研究

日本以南黑潮路径变化的相关分析一直是热点之一。过去的研究指出日本以南黑潮路径变化受到多种因素的影响,如上游流量、中尺度涡旋、气候信号等。然而,关于这些影响因素之间的相互因果关系尚不完全清楚。本文基于50a(1958-2007年)中国海洋再分析数据集(CORA)和14a(2008-2021年)卫星高度计资料,获取了日本以南黑潮路径时间序列,并利用复经验正交函数(CEOF)分析方法对其进行时空特征分析。结果表明,经CEOF分析获取的前两个主模态可以描述日本以南黑潮路径时空变化的主要特征,且分别代表与之相关的东传和西传信号。进一步地,基于信息流理论的因果分析结果表明:一方面,太平洋十年涛动(PDO)通过风应力的变化影响副热带逆流(STCC)区域的涡旋活动,从而影响吐噶喇海峡的黑潮输运变化,进而对东传信号产生直接影响,最终影响日本以南海域的黑潮路径变化;另一方面,黑潮延伸体的涡旋活动受到北太平洋涡旋振荡(NPGO)的影响,促使该区域的中尺度涡旋向西移动,进而对西传信号产生直接影响,最终影响日本以南海域的黑潮路径变化。此外,分析结果还表明:日本以南海域的相对涡度和再循环流强度变化是对黑潮路径变化的响应,而非影响黑潮路径变化的因素。

海洋中尺度涡旋边缘次中尺度锋面调查方法研究

海洋中尺度涡旋与其边缘的次中尺度锋面之间存在强烈的物质和能量交换以及复杂的动力过程。目前,对中尺度涡旋的调查研究已经日趋成熟,但由于次中尺度锋面的空间尺度小、时间变化快,对其三维结构的调查存在较大挑战。本文提出一种海洋中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的调查方法。首先利用多源卫星遥感数据对中尺度涡旋及其边缘的次中尺度锋面进行识别,然后使用多型船载调查设备进行多学科综合调查。利用该方法对2023年8月21日至8月25日黑潮延伸体海域一个典型涡旋边缘次中尺度锋面进行调查方案设计。本文提出的调查方法可以有效地实现对中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的识别、追踪与调查。

基于浮标站观测的磨刀门洪枯季径潮动力作用规律及相关性分析

为揭示磨刀门主要动力因子对潮流运动的作用规律,采用主潮通量算法计算洪枯季半月不同时间尺度下的潮流动力特征值,采用多元线性回归法对特征值的相关性进行拟合分析。结果表明,磨刀门水道内平均落潮流速洪季比枯季总体大约14%,但涨潮平均流速仅为枯季一半;水道内洪季余流流速很大,枯季可忽略不计;口门外东汊和西汊涨潮流态洪季存在相互顶托,枯季均为西南向,洪枯季余流流速西汊均大于东汊,近底层水深范围存在逆时针半环流结构,且枯季尤为明显。潮汐动力和海面风对水道内余流影响较小,径流动力洪季影响显著、枯季影响很小。由于洪季径流动力强劲,东汊和西汊净潮通量变化规律一致;枯季磨刀门水道净通量主要输运至东汊水域,随沿岸流朝西南方向输运进入西汊,然后随离岸流朝南侧外海方向输出,符合口门外逆时针半环流结构的输运特征。

山东半岛南部海域周日潮流观测数据准调和分析与应用

潮流对海上交通安全、生态保护等具有重要影响,掌握潮流特征对潮流预报、航行安全和科学研究具有重要意义。周日潮流观测数据因数据时长较短,潮流特征分析往往不够精准可靠。本文采用引入差比关系的准调和分析法就1次周日潮流观测数据展开分析,并就潮流表示方法进行了简要介绍。以山东半岛南部海域验流数据为例进行实验,结果表明:该方法可以为观测海区提供较为可靠的潮流特征值,为航行安全和海洋发展提供基础数据保障,同时本文研究方法也将为周日潮流观测数据分析提供参考。

谨防“隐形杀手”离岸流

悲剧和教训2023年7月4日傍晚,某男子在海南万宁一海滩游玩时失联。7月9日,海南省公安厅海岸警察总队证实了这一事件,该男子的遗体已被找到,并经法医鉴定确认为溺亡。据海滩附近商家和警方透露,男子是独自下海游泳,被离岸流卷走身亡。7月31日,青岛市市南区第三海水浴场东侧发生险情,两名20岁左右的男子被大浪卷入海中,一人死亡,一人失踪。

全球变暖停滞期间海洋次表层增温机制研究

全球变暖停滞期间,海洋表层升温速度减缓,同时次表层出现增温现象。针对变暖停滞期的海洋热含量垂向再分配机制,本研究基于海洋再分析产品ECCO4以及Ishii次表层温度数据集、NCEP2、卫星高度计数据等观测资料,采用新的诊断方法评估绝热和非绝热过程对海洋热含量变化率垂向结构与水平空间分布的影响。结果显示,2002—2011年期间,沿等密面、跨等密面非绝热垂向热通量的变化主要发生在热带外海域,且呈现正负相抵的状态。相反,风驱动的绝热调整对垂向净热通量的改变起主导作用。因此,在全球变暖停滞期间,海洋热含量的垂向再分配主要归因于风驱动而非扩散过程。1993—2011年北大西洋副极地海盆区风应力旋度变化率主要为负值,一方面不利于正风应力旋度引起的向上热输送,另一方面加强了负风应力旋度导致的向下热输运,这一现象解释了该海域次表层内海洋热含量的增加和温度的升高。

波浪运动在底边界层的湍流结构数值研究

本文基于k-ε模型研究了波流边界层内湍流结构特征。研究结果表明,时均流速分布数值解与实验结果高度吻合。一个波周期内湍流结构特征(如:涡量、湍动能、湍动能耗散率等)呈周期性变化规律,波浪作用引起涡量、湍动能及湍动能耗散率均在减速阶段减小,在波谷处达到最低值,而后在加速阶段增大,并在波峰处达到最大值。近壁面处湍流结构变化幅值较大(湍动能耗散率变化可达53%),远离壁面处变化幅值较平均值较小(仅3%)。波流边界层厚度在减速阶段增加,在加速阶段减小。本文所建立的数值模型克服了现有模型因采用“高雷诺数方法”引起的近壁区精度不高问题,可较好地描述波浪作用下湍流结构演变过程的物理机制,为河口海岸地区泥沙运动、岸滩演变及海洋可再生能源的开发利用提供一些指导意义。

南海一个罗斯贝标准模态的特征与归因

南海是一个准封闭海盆,其本征值问题是理解南海动力学的重要内容。本文利用一种新的泛函工具—多尺度子空间变换,从卫星观测资料中分离得到一个南海本征模态,即罗斯贝标准模态的近似场。发现该模态的周期为6个月左右、波长近250km,在深水海盆向西传播,这与寿命为3个月左右的南海中尺度涡群体活动特征相一致。在此基础上,本文通过Liang-Kleeman信息流这一严格建立在第一性原理上的定量因果分析工具,探究南海两个最重要外部强迫,即黑潮入侵与南海季风对该罗斯贝标准模态的影响。结果表明二者与该模态均有较强因果关系,但分别影响模态的不同阶段:黑潮入侵主要影响其1/2π和3/2π位相,季风的作用则体现在3/4π位相。二者共同作用,调制该模态在近一个周期内的变化。进一步研究发现,黑潮入侵的过渡态是影响该模态的关键,这时黑潮在南海的分支与流套强度相当,有利于吕宋海峡西部形成不同极性涡旋的排列,从而影响南海内部罗斯贝标准模态。对南海季风而言,冬季风与夏季风的成熟阶段是影响该模态的重要时期,但并非整个南海的季风都发挥作用,泰国湾是季风改变南海罗斯贝标准模态的关键区域,这表明局地的强迫对激发全局模态起作用。

日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态关联性的定量分析

日本南部黑潮存在多种路径模态:近岸非大弯曲路径、离岸非大弯曲路径和大弯曲路径。黑潮延伸体的路径存在两种典型模态:收缩态和伸展态。从地理位置看,日本南部黑潮和黑潮延伸体是相邻的,但它们的路径状态是否存在关联一直存在争议。本文基于卫星观测的海表高度资料和长期的海洋高分辨率再分析资料,对日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关联性进行定量分析,结果表明:日本南部黑潮和黑潮延伸体的路径状态存在一定的关联。当日本南部黑潮处于近岸非大弯曲和大弯曲路径时,黑潮延伸体主要处于伸展态;当日本南部黑潮处于离岸非大弯曲时,黑潮延伸体处于伸展态和收缩态的比例相当。进一步分析表明,黑潮流轴处于伊豆海脊的位置部分决定了上述关系,可能存在其他因素调制了两者的关联性。

北太平洋海洋带状流的正压特性

海洋中包含着多种时空尺度的运动过程,海洋带状流是近年来发现的一种新的流动形式。这种流动现象介于地转湍流和准定常流之间。上层海洋中大尺度运动的强度远大于海洋带状流而将其遮盖,因而带状流需要借助滤波方法提取出来。本研究基于纬向速度数据,通过切比雪夫高通滤波提取了北太平洋海洋带状流的三维结构,定义了“流向稳定度”指数,量化分析了北太平洋海域带状流的正压特性,从而进一步加深了对北太平洋海洋带状流结构特征的认识。

内伶仃洋水域洪枯季余流及净潮通量时空变化特征

基于内伶仃洋水域4座观测站洪、枯季半月的连续观测资料,分析了该水域余流和净通量时空变化特征,探讨主要动力因子的作用规律。研究显示,内伶仃洋水域半月水深平均余流流速洪季不超过10 cm/s,枯季不超过5 cm/s,洪、枯季总体指向外海侧方向。湾顶水域水沙通量洪、枯季均呈自西向东净输运,且与径流动力呈强正相关。主槽水域接纳东、西两侧浅滩水沙后始终朝西南外海输送。西滩水域洪季水沙朝外海方向净输出,枯季变为朝西北侧上游方向净输送,洪、枯季均与径流动力呈强正相关;淇澳岛北侧西滩水域洪、枯季水沙通量均处于净输入状态,导致该水域不断淤浅。采用多元线性回归法对主槽水域表层余流与主要动力因子进行拟合分析,显示潮汐动力始终驱使表层水沙朝上游方向净输运,径流动力作用方向洪季指向外海、枯季指向上游,海面风则驱使表层水沙与自身方向保持一致;拟合公式中的常数反应了地转科氏力等综合作用下的内伶仃洋水域表层水沙西南向输运规律,且枯季较洪季更为明显。

基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程——以1822号台风“山竹”为例

基于台风“山竹”期间伶仃洋水域6座浮标站数据,采用主潮通量算法分析了该水域的动力特征,揭示了台风影响期间伶仃洋河口湾的动力响应过程。结果表明:台风登陆前1 d,伶仃洋整体水域气象环境开始受到明显影响,当日以北风为主且风速较小;台风登陆期间最大风速约30 m/s,为东北偏东风;登陆后,风速开始逐渐减小,以东南风为主。台风登陆期间,伶仃洋水域涨、落潮流速显著增大,潮位出现近9 h的持续上涨,湾顶最高潮位出现时间比湾口晚约2 h。台风登陆前和登陆期间,西滩中部水域形成一落潮通道,东四口门潮流以上溯为主,遭遇上游下泄洪水,导致网河区潮位持续上涨,水位平均抬升达约54 cm;登陆后,洪水动力持续增强和风速减弱,伶仃洋水域落潮历时显著延长。内伶仃洋流速剪切梯度峰值出现在落潮至落憩时段的近底层2 m水深范围内,台风登陆期间该范围明显向河床收缩;湾口剪切梯度峰值出现在落憩和初涨阶段的表层水域,受控于表层海面风速和风向变化,底层剪切梯度始终很小。

辽东湾中部海流特征的同步观测与数值模拟对比检验

利用调和分析方法分析了辽东湾中部海域3个站位的潮流特征,并利用2021年4月13日至5月23日为期41 d的同步实测海流资料对渤海海域数值模拟的海流数据进行了对比检验,结果表明:观测海域海流的主流向为NE-SW向,呈现往复流特征,观测期间最大流速约为1.0 m/s;潮流属于正规半日潮流,优势分潮流均为M_(2)分潮,其最大流速为38.9~53.4 cm/s,对应流向自表层至底层较为一致。对比数值模拟结果发现,数值模式对观测海域的模拟效果良好,模拟的海流分量整体趋势与观测一致,全剖面平均最大流速模拟偏差小于0.1 m/s,主流向的模拟偏差不超过15°。数值模式产品可用作工程作业的参考依据。

南海北部的春季流场季节内变异个例分析

在南海北部,与中尺度涡相关的季节内变异特征十分显著,通过比较不同时期流场的季节内变异特征,有助于揭示不同动力不稳定中尺度涡对季节内活动的影响。本文以南海北部2009年春季和2020年春季为例,分析了两个时期中尺度涡的动力不稳定性,从而探究季节内变异特征。基于潜标实测流速数据,本文进行了动能谱分析,结果显示这两个时期的流场季节内变异具有相似特征,显著周期分别为10-60 d和30-90 d。季节内信号主要出现在200 m以上的上表层水域,其中30-90 d的季节内流是对应观测期间的主要季节内成分。滞后回归分析和动力不稳定性的计算表明,2009年春季的季节内变异受移动快但强度弱的表层中尺度涡影响,动力不稳定性由斜压不稳定和正压不稳定共同调制;而2020年春季的季节内变异是受强斜压性的中尺度涡影响,通过流速垂向切变增强,从而较快地触发流场季节内变异的发生。本文研究结果有助于深入了解中尺度涡对南海北部季节内活动的影响机制,为海洋动力学和气候研究提供了重要的参考和理论基础。