全球海洋混合层深度和障碍层厚度计算及其时空变化特征分析

基于2002—2019年的Argo温盐数据计算得到海洋混合层深度(MLD)和障碍层厚度(BLT),利用阈值法在计算过程中设置不同的温度阈值ΔT_(1)=0.2℃和ΔT_(2)=0.5℃,并分别利用温度、密度以及由温度和密度计算得到全球海洋的MLD和BLT值,基于此描述不同温度阈值下得到的全球海洋混合层和障碍层分布特征。结果表明:不论阈值是ΔT_(1)还是ΔT_(2),基于温度和密度的计算结果较基于温度参数或密度参数的结果更为可靠。利用温度参数或密度参数计算得到的MLD值,不论是MLDT还是MLDD都能够在一定程度上体现全球海洋MLD的分布特征,两者在赤道附近和低纬度海域结果的一致性较好,在高纬度海域差异较大。基于阈值ΔT_(2)=0.5℃的结果比基于阈值ΔT_(1)=0.2℃的结果与现有MLD数据的相关性更高,但是均方根误差也更大,可能是由于不同海域适合的阈值选择不同,需进一步计算分析。全球海洋BLT较南北半球高纬度海域BLT值更大,BLT值随着纬度的降低而减小,空间分布特征在不同海域均存在明显差异,总体来说BLT随着纬度的降低而减小。

全球大洋混合层深度的计算及其时空变化特征分析

本文利用2005—2009年的全球网格化Argo数据,分别采用温度判据和密度判据计算了全球大洋混合层深度(Mixed Layer Depth,MLD),讨论了障碍层(Barrier Layer,BL)和补偿层(Compensated Layer,CL)对混合层深度计算的影响,得到了合成的混合层深度,并研究了其时空变化特征.研究表明:(1)在赤道西太平洋(10°S—5°N,150°E—150°W),孟加拉湾,热带西大西洋(10°N—20°N,30°W—60°W)是障碍层高发区域.冬季的北太平洋副热带区域(30°N附近)以及东北大西洋(40°N—60°N,0°—30°W)是补偿层发生的区域.(2)在各个半球的夏季MLD都比较浅,在各个半球的冬季MLD则普遍比较深.北太平洋和北大西洋的MLD的分布和变化比较相似,印度洋MLD受季风影响显著,呈现半年周期变化.太平洋和大西洋的MLD的经向分布大致呈现出"两端深,中间浅"的拱形特点.(3)混合层深度距平场EOF第一模态时间变化为周期的年信号,北太平洋和北大西洋、南大洋(尤其是南极绕流区)都是MLD变化剧烈的海域,第二模态显示全球大洋混合层深度距平存在着一个半年的变化周期.

降雨-径流-土壤混合层深度研究进展

降雨-径流-土壤混合层深度是模拟表层土壤-水-化学物质混合体内微观机制和宏观行为的一个重要参数。该文对混合层深度的基础理论以及实际应用等进行了综述,探讨了存在的问题和今后的方向研究。混合层深度受降雨因素、下垫面条件和溶质性质等影响,有关的概念和模型主要包括完全混合深度、不完全混合深度、有效作用深度、有效传递深度和等效径流迁移深度等,一般均采用示踪法和率定模型法确定,主要用于模拟土壤溶质随地表径流迁移过程、估算非点源污染物输出负荷和衡量土壤养分有效性。今后应扩大试验模拟和理论研究的尺度和对象,加强混合层深度和溶质径流迁移过程对近地表土壤水文条件和土壤侵蚀的响应研究,用混合层深度模型或确定各区域适宜的深度值代替非点源污染模型中的1.0 cm深度,以提高模拟精度。

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。

南沙群岛海域混合层深度季节变化特征

基于南沙群岛海域综合科学考察11个航次的实测资料,研究了南沙群岛海域的混合层深度季节变化特征。研究结果表明,南沙群岛海域混合层深度存在明显的季节变化,并且与季风和海表热通量的变化密切相关。春季,风速较小且风向不稳定,海面得到的净热通量全年最大,上层水体层结稳定,混合层深度较小;夏季,南海西南季风盛行,上层为反气旋式环流,海面得到的净热通量减少,混合层呈加深的趋势;秋季,海面净热通量继续减少,混合层深度达到最大值;冬季,东北季风驱动下形成的上层气旋式环流引起深层冷水的上升,限制了混合层的加深。

降雨-径流条件下混合层深度模拟试验

混合层深度是非点源污染模型中一个重要参变量,在模拟土壤溶质随地表径流迁移流失过程中,它决定了参与径流迁移的土壤溶质的范围及其具体流失量,为现有模型参数校正提供一定的数据支持。通过设计3种水文条件即自由排水状态(-5cm)、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态(5cm),采用人工模拟3种降雨强度(3,6和9cm/h),及同时分别外加模拟相对于降雨量的0,2,4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中混合层深度。试验结果表明混合层深度与降雨强度呈线性增加关系;自由排水条件下,与地表径流量呈复杂正比例增加关系;土壤饱和条件和土壤渗流条件下,混合层深度与地表径流量均呈线性增加关系。研究结果发现混合层深度的实质是一个多向、复杂的动态溶质迁移变化量。

基于Argo浮标的热带印度洋混合层深度季节变化研究

根据2004-2005年热带印度洋(30°S以北)的Argo浮标(自持式海洋剖面观测浮标)温度-盐度剖面观测资料,采用位势密度判据(Δσθ=0.03 kg/m3),针对每个Argo浮标的温度-盐度观测剖面确定了海洋混合层的深度,然后采用Krig插值方法构建了3°×3°空间分辨率的月平均网格化混合层深度产品。通过与已有气候平均混合层深度资料的比较表明了该产品的合理性,在此基础上进一步对热带印度洋海盆尺度的混合层深度空间特征和季节变化规律进行了讨论。研究结果表明,Argo浮标资料可用于热带印度洋混合层变化的研究,为进一步研究热带印度洋海-气相互作用提供了基础资料。

北太平洋混合层深度异常及其与中国夏季降水的关系

利用GODAS逐月混合层深度(mixed layer depth,MLD)资料和中国160站逐月降水资料,分析了北太平洋MLD多年平均气候及异常特征,进一步研究了其对中国夏季降水年际异常的影响。结果表明:1)北太平洋30～40°N之间混合层最深,冬、春季明显大于夏、秋季。2)日期线附近的北太平洋中部海域是各季MLD年际异常共同最显著区域;仅夏季MLD年际异常与ENSO存在一定关系;秋、冬和春季MLD还存在明显年代际异常特征。3)当前冬北太平洋西部及中部MLD加深时,次年黄河下游部分地区、黄淮、江淮及长江以南大部分地区(广西南部除外)降水将偏少;河套地区、内蒙东部及东北大部降水可能偏多。

热带太平洋-印度洋上层海温、热含量和混合层深度的年变化特征

根据1955-2003年次表层海温、海洋上层400m热含量和混合层深度资料，采用EOF分析方法，研究热带太平洋-印度洋上层海温、热含量和混合层深度的年变化特征及其与厄尔尼诺、印度洋偶极子、热带辐合带分布和活动的关系。结果表明：海表温度SST的分布和变化不能代表海洋上层热含量的分布和变化，热含量HST的分布与混合层MLD分布比较相似，尤其在热带印度洋和东太平洋，MLD季节变化比HST和SST提前2～3个月左右。太平洋10°N附近HST带状强扰动区和赤道地区HST反相变化是热带太平洋上层海水温度扰动最主要特征。HST的强扰动区主要由60-300m次表层海温距平的扰动引起，80m左右扰动最强，这种扰动沿着斜温层由上向下，自东向西传递，上半年增温，下半年降温，具有明显的年周期变化。这种变化对ENSO循环期间热含量异常信号传播的影响值得关注。热带太平洋HST的扰动变化和太平洋的ITCZ和SPCZ的移动和变化也有一定的关联。印度洋的西北部和东南部次表层海温距平呈年周期的反相振荡，但这种固有振荡和印度洋偶极子DMI振荡反相，这可能是导致印度洋大部分偶极子生命史都很短的原因之一。

2013年南沙海域混合层深度的季节变化特征

基于2013年在南沙海域开展的4个航次生态环境综合调查的实测资料,研究了该海域混合层深度(MLD)的季节变化特征。结果表明,南海南部海域MLD季节变化明显,海域均值以秋季最深(65 m),冬季次之(54m),夏季居第3位(49 m),春季最浅(37 m),主要受季风、环流和海面净热通量的影响。其中春季时中南半岛对开的海域MLD较深,夏季时整个海域MLD分布较均匀,秋季时海域中部MLD最深,冬季时高值区出现在海域东北部。Ekman输运导致水体在巴拉望岛西侧、南沙南部以及加里曼丹岛西北侧产生的堆积作用,以及9°N以北海域冬季存在的失热效应,是MLD存在区域差异的可能原因。南海南部海域混合层水温始终大于27℃,其中夏季大于28℃,混合层内水温的季节变化很小。海表温度(SST)区域差异大时,MLD空间差异亦大;MLD与SST的关系在调查海域的南部和北部存在差异,代表性站位的研究结果显示,海域北部MLD与SST的变化刚好相反,而海域南部由于靠近赤道太阳辐射全年变化小致使SST变化亦小,SST与自春向冬急速加深的MLD关系不明显。

热带太平洋混合层深度的年际异常及其与中国夏季降水关系分析

利用Godas的逐月混合层深度(MLD)和中国160站逐月降水资料,分析热带太平洋混合层深度的季节变化及年际异常特征,初步探讨混合层深度异常与中国夏季降水异常的相关关系。结果表明:(1)赤道地区,东太平洋区域混合层最浅,中太平洋区域最深,且北半球秋冬季混合层比春夏季深;热带西北和西南太平洋在冬半球混合层深,夏半球浅。(2)赤道中、西太平洋混合层深度的年际异常终年都为大值区,北半球春(秋)季的热带西北太平洋(西南太平洋)也为年际异常大值区;7月年际异常最弱。(3)1、4和10月热带太平洋混合层深度年际异常与ENSO事件关系密切,在El Nio事件期间,热带太平洋东部及东北部混合层深度加深,西部及西南部减小。(4)热带太平洋混合层深度异常与中国夏季降水异常关系密切,这一关系也反映了El Nio事件与中国夏季降水的关系。即当秋冬季节发生El Nio事件时,来年El Nio事件衰减期的夏季长江中下游以南特别是洞庭湖、鄱阳湖的降水将显著偏多,江淮、华南南部降水偏少。

日本海混合层深度季节和年际变化的数值模拟

基于垂向混合坐标系统的海洋模式HYCOM模拟了北太平洋1981～2001年间的月平均三维水动力学和热力学结构.在对模拟结果验证的基础上,得到日本海混合层时空场的分布情况,剖析了日本海混合层深度的季节及年际变化特征.对模拟结果分析表明,日本海混合层存在着显著的季节和年际变化:冬季混合层深度深,夏季混合层深度浅,其深度变化范围在10～100m之间.日本海混合层深度的年际变化与季节变化存在共性而又各具特色.研究证实,日本海地形、环流、海面风场和温度梯度场等的综合作用,导致日本海混合层深度的变化.

季节内SST和混合层深度变化的模式研究

用Niiler—Kraus类型的混合层积分模式,对TOGA—COARE强化观测期间由《实验3号》科学考察船观测资料得到的混合层深度和SST在季节内时间尺度的变化进行了模式研究。指出:1.混合层耗散参数与较长时间尺度过程风应力的变化存在着比较好的对应关系;2.模式可以较好的对风场和热通量场在季节内时间尺度的变化作出响应,模拟出季节内时间尺度SST的变化;3.Niiler,-Kraus模式在考虑耗散作用后,可用于海洋季节内时间尺度变化的模式研究。

南海混合层深度的季节和年际变化特征

利用1871—2008年SODA资料和月平均的Levitus资料计算了南海混合层深度(MLD)的季节及年际变化特征。资料分析表明:季风通过流场调整对南海MLD的时空分布特征有显著的影响。南海MLD的距平变化总体上呈上升趋势,南海南部MLD的距平变化趋势和北部的有显著差异,特别在1955年后北部整体呈下降趋势而南部呈上升趋势,二者的显著周期北部为2—3年,南部与整个区域平均的基本相似有2—6年的显著周期。SOI指数对滞后的南海各个区域有较好的相关性。EOF分析表明第一模态整体呈单极型最大变率分布在南海南部,由南往北逐渐减小显著周期2—3年变化为主;第二模态呈偶极子型,显著周期以2—5年变化为主。回归分析表明南海南部深水区域呈现增深的趋势,而吕宋海峡至南海北部陆架区呈变浅趋势,滑动t检验表明南海MLD有6个显著的突变年份。

穿透性太阳辐射在一维混合层模式中对混合层深度的影响

用单e指数形式的描述太阳辐射穿透性短波辐射的经验公式,代入Kraus-Turner发展的平均意义下一维时变混合层物理模型,得到考虑穿透性太阳辐射时混合层深度的控制方程.通过两组数值试验,与未考虑穿透性太阳辐射的混合层深度计算方法进行比较,研究了穿透性太阳辐射在不同海面热状况和不同风速下对混合层深度的影响.

基于观测资料的海浪与混合层深度相关性分析

从观测数据角度出发,考察海浪与上层海洋混合层深度的变化关系。采用卫星高度计和三套温度观测数据,利用改进的混合层深度提取方法,获得海洋混合层深度。简要分析了多年月平均的有效波高和混合层深度的空间分布特征及时间变化规律,并进一步分析了它们的相关性。二者直接相关性分析的结果表明,在南北半球的中纬度地区二者的相关系数较大,而赤道地区较小。滤除年周期的气候态月平均场后,计算的距平相关系数在赤道区域较小;但在太平洋东部、南部和南印度洋存在一个大值区。此外,进一步研究了有效波高和混合层深度年际距平的相关系数,其空间分布特征与二者的距平相关系数的分布特征类似。为探究混合层深度的影响因素,同时也分析了风场与混合层深度的相关系数。综合上述结果,海浪和上层海洋的混合层深度之间存在着一定的相关性,海浪过程是风输入能量向次表层海洋传播的一个重要途径。

人工神经网络方法估算海洋上混合层深度的初步研究

上混合层深度是海洋上层热力结构特征的重要参数。结合南海南部海区一连续温盐深观测站的实测资料和NCEP再分析风场资料,以海洋表层温度和风应力为输入,以温度差值判断方法计算所得上混合层深度为输出,采用BP神经网络和广义回归神经网络2种方法进行训练,建立了南海南部海区的上混合层深度人工神经网络计算模型。实验显示,两种模型仿真结果与温度差值方法计算结果均方根误差分别为3.58m、3.09m,线性相关分别达0.87、0.91,绝对误差分别为2.80m、2.37m,相对误差分别为9.40%、7.40%。这一结果表明,人工神经网络方法精度较高,是一种切实可行的上混合层深度估算方法。

穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响

用数值方法研宄穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响时,有些学者人为地设定了风速和热通量。这种做法可能会出现风速和热通量数值不匹配的问题。为了弥补这一缺陷,本文采用国内外常用的块体公式计算热通量的方法来代替人为设置,并以北太平洋为例,研究了穿透性太阳短波辐射对海洋混合层深度的影响。结果表明:低风速(U10<10m／s),且海表短波净辐射处于40～200 W／m2时,穿透性太阳短波辐射对混合层深度影响很显著;高风速(U10>10m／s)和短波净辐射高值区(S*(0)>200 W／m2),穿透性太阳短波辐射对混合层深度的影响较小。

青藏高原拉昂错热力分层和混合层深度变化特征观测

湖泊热力结构不仅影响湖泊内部生态环境,而且与区域气象和气候系统相互影响,但目前对湖泊垂直温度的观测研究仍非常匮乏.本研究基于青藏高原拉昂错连续的湖温和气象观测,分析了小时尺度和日尺度热力分层规律和混合层深度的变化特征.结果表明:拉昂错为冷多次完全混合型湖泊;湖表温度8月达到最大值,湖面敞水区和沿岸的湖表温度季节震荡相同,但存在一定的空间差异;与空气温度相比,湖表温度变幅小,降温更慢,峰值滞后约1个月.同时发现,拉昂错混合层深度变化较为规律,辐射和风速是影响湖泊混合层深度的主要外界因子.探明真实的高原湖泊分层规律,有利于提高湖泊模拟能力,为优化湖泊参数化方案提供参考.

BCC_CSM对全球海表温度和混合层深度的模拟评估

为了定量评估北京气候中心(BCC)发展的BCC_CSM对当代全球海表温度和混合层深度的模拟能力,以WOA09(World Ocean Atlas 2009)观测资料作为检验模式的气候态实况场,提取包括BCC_CSM在内的CMIP5中的17个海气耦合模式的模拟结果,评估BCC_CSM模拟的全球海表温度和混合层深度的气候平均态并分析造成偏差的可能原因。结果表明:BCC_CSM模拟的海表温度在北半球中高纬的误差较大,而在其余纬度的模拟性能较佳。偏差的产生主要归因于海洋环流偏差。BCC_CSM模拟的最深混合层在北半球中高纬和南半球高纬地区的误差较大,同时这些区域也是多模式模拟差异最大的区域;其模拟的最浅混合层在南半球中高纬的偏差较大。冬季大西洋经向翻转环流的模拟在北大西洋下沉的位置偏南导致北半球高纬地区海表温度偏冷。由此认为包括BCC_CSM在内的许多海气耦合模式需重点改进对南、北半球深对流海域物理过程的描述,以提高气候预测的可信度。