推动中国海洋气象学发展的两位大师——第Ⅱ部分:王彬华的故事

青岛是中国现代气象学的发源地和中国气象学会的诞生地,对中国海洋气象学的历史演变过程有重要影响。本文主要介绍王彬华先生的生平概览、科学研究和教书育人,以及蒋丙然与王彬华师生两人的历史命运,从中折射出我国海洋气象学的发展脉络,期盼能为深入理解中国海洋气象学的发展历史提供多角度的认识。

推动中国海洋气象学发展的两位大师——第Ⅰ部分:蒋丙然的故事

青岛是中国现代气象学的发源地和中国气象学会的诞生地,对中国海洋气象学发展的历史演变过程有重要影响。本文主要介绍了海洋气象学定义,以及中国最早的气象学家、中国近代气象事业的开拓者之一、中国气象学会第一届至第五届理事长、青岛观象台台长蒋丙然先生的生平概览和科学研究,从中折射出我国海洋气象学的发展脉络,期盼能为深入理解中国海洋气象的发展历史提供多角度的认识。

海洋悬浮物浓度的长期演变特征及机制

受气候变化和人类活动的影响,21世纪以来全球海洋的悬浮物浓度发生了显著变化。悬浮物浓度的剧烈变化不可避免地对海洋生态环境、地貌演化和生物地球化学循环产生重大影响。随着气候变化对人类活动的环境影响研究的深入,以及卫星遥感数据的不断积累,悬浮物浓度的长期变化趋势及其机制已成为地球科学研究的热点。本文概括性地总结了海洋悬浮物浓度长期变化的国内外研究进展,指出了中国近海相关研究的不足之处,并对未来发展方向作出了展望。

中国东部陆架边缘海海洋物理环境演变及其环境效应

中国东部陆架边缘海是支撑中华民族伟大复兴的经济海域,其重要的战略地位及经济贡献对国家发展至关重要。对海洋环境和生物资源的了解有利于国家的根本利益,有利于加快创建和谐社会的宏伟目标,因而对该海域的深入研究是当前面临的迫切任务。国家重点基础研究发展计划(973)项目“中国东部陆架边缘海海洋物理环境演变及其环境效应”拟对中国东部陆架边缘海这样一个层化结构多变、多种运动形态耦合的复杂动力学系统中的物理环境的演变及其环境效应进行深入研究,进而揭示海洋环境演变规律,为国防安全、渔业生产等提供科学支持;同时对该项目研究的目的、科学意义、关键科学问题及预期目标等进行了简要介绍。

北极海冰快速减退前后的北冰洋上层海洋热含量变化

北极海冰自1997年进入快速减退阶段,对北冰洋造成显著影响。本文利用数值模式结果,分析北冰洋1990—2014年期间的上层海洋(0~150 m)热含量长期变化趋势。研究发现,陆架区只有楚科奇海西部和巴伦支海的热含量有显著增加趋势,其他海域的变化较小。加拿大海盆上层热含量总体呈现上升状态,对北冰洋海盆区上层热含量增加趋势做出主要贡献,且主要取决于夏季太平洋水的热含量变化。随着海冰的减少,夏季太平洋水持续升温,但是其热含量并不是一直处于增加的状态。与北极海冰的快速减退相对应,夏季太平洋水热含量在1997年前后具有两段不同的长期变化特征:1990—1997年为减少趋势,主要归因于其体积减小,与这段时期北极涛动指数减小导致的波弗特流涡向下泵压上层太平洋入流水能力减弱有关;1998—2014年为快速增长趋势,其变化速率是前一段时期的2倍多,该时期的北极涛动指数虽然没有明显变化趋势,但是海冰的加速减少造成大气对海洋的直接强迫增加,波弗特流涡向下泵压的能力变强,使夏季太平洋水体积增大,在海水升温的共同作用下,促成了夏季太平洋水热含量的快速增加。

耦合模式FGOALS-g3对全球海洋潮汐的模拟评估

潮汐在海洋能量的传递和混合过程中起着重要的作用,为维持全球热盐环流提供了主要的能量,影响着全球的海洋环流。此前已有工作在低分辨率的、单独的海洋模式中研究潮汐作用对海洋环流状态的敏感性,为进一步研究潮汐作用对环流和气候状态的敏感性,有必要将潮强迫引入到气候耦合模式中。本文成功地将8个主要平衡分潮显式地加入到耦合模式FGOALS-g3中,并评估了其对全球海洋潮汐的模拟能力,对于进一步研究潮汐对大尺度环流及气候状态的影响有重要意义。本文通过对模拟的海表面高度数据进行潮汐调和分析,得到各个分潮的调和常数,并将其与全球潮汐模型TPXO9和FES2014,以及开放海洋潮汐数据集st102进行对比。结果表明,FGOALS-g3耦合模式可以合理地模拟全球海洋中的正压潮,模拟结果与潮汐模型和实测数据集相比均比较接近。与这两套全球潮汐模型相比,均方误差均相对较小,且误差大多分布在振幅较大的区域。与st102数据集相比,FGOALS-g3模拟的8个主要分潮的平均振幅相对误差均在10%以内,且总均方误差均小于10 cm。

中国第十次北极物理海洋学科学考察综述

2019-08-10—09-27,自然资源部第一海洋研究所牵头实施完成了中国第十次北极科学考察,该航次采用的考察船为“向阳红01”科学考察船,这是我国首次利用非破冰船抵达北极海域执行科考任务。本航次在中央航道区域、楚科奇海、白令海等我国传统北极考察海域,以及东白令海陆架和西北太平洋新拓展的海域,进行了包括重点海域断面调查、锚碇潜标长期观测、多水下滑翔机协同观测、抛弃式和走航观测等在内的物理海洋学综合考察。其中,在白令海东部进行的断面观测和水下滑翔机协同编队观测均系中国首次,拓展了中国在北极的观测范围,提高了中国调查和监测北极环境的能力。本文概述了这次考察在物理海洋学方面的主要考察成果,并总结了航次完成的亮点工作。

无盘系统在海洋大气数值模拟实验室中的应用

海洋大气数值模拟实验室承担着海洋与大气学院所有数值计算类的实验实践课程,并在课后实行全天候开放,实验室课程任务繁重,人流量大,管理维护难度大,急需一套好的管理技术方法的支撑。通过对目前比较先进的桌面虚拟化管理和无盘工作站网络化管理的调研、对比,选择对无盘工作站网络化管理模式进行了研究,它是基于无盘系统的一种管理模式,其系统搭建及管理方式均比较适合该实验室的应用和管理。针对实验室的使用和管理特点,依托无盘系统技术,对实验室进行了无盘系统管理模式的个性化搭建。新的管理模式在实验室管理中有着良好的表现,大大减轻了机房维护的压力,提高了机房的工作效率。

中国近海渔业资源的结构与质量研究

海洋渔业资源对于保障食品安全、维护生态系统稳定、促进经济发展等方面起着关键作用,科学管理和可持续利用近海渔业资源,对于推动经济与环境协调发展至关重要。为了探究中国近海渔业资源的结构与质量变化情况,该研究基于1990—2020年中国近海捕捞统计数据和海表温度(sea surface temperature,SST)变化数据,通过计算分析中国近海各渔区(渤黄海渔区、东海渔区和南海渔区)渔获物的平均营养级(mean trophic level,MTL)、各渔区渔业均衡指数(fishing-in-balance index,FIB指数)与人为捕捞活动、SST变化之间的关联性,探究人为捕捞活动、SST变化对中国近海渔业资源结构与质量变化、渔业生态系统健康的影响。结果表明:过去30年间,中国近海各渔区的渔获量和FIB指数均呈现先上升后下降的趋势,渤黄海和东海渔区的MTL呈现显著下降趋势,南海渔区的MTL呈现微弱增长趋势。人为过度捕捞已影响到渤黄海和东海渔区的渔业资源结构与质量,导致低营养级鱼类占比逐渐升高,渔业资源质量显著降低,但对南海渔区影响不大。受到气候变化影响,在渤黄海渔区5—6月和东海渔区9—11月,海温增暖抑制高营养级鱼类生长,导致渔业资源出现结构向低营养级鱼类变化、质量大幅下降的趋势,但在南海渔区,海温变化对MTL没有影响。人为捕捞对中国近海渔业生态系统健康影响不大,主要是由于渔获量的增加起到了一定的平衡作用。海温变化对渤黄海、东海渔区的渔业生态系统健康影响也较小,南海秋季海温增暖则有利于其渔业生态系统健康发展。基于研究结果,作者提出了改善中国近海各渔区渔业资源结构,提高渔业资源质量,提升渔业生态系统健康的相关建议,为中国近海渔业资源的可持续利用提供了管理借鉴。

波浪滑翔器海洋观测数据质量控制研究

观测数据的准确性和可信度是波浪滑翔器数据质量控制的核心,有效的数据质量控制方法是波浪滑翔器观测数据推广应用必不可少的技术手段。为提升波浪滑翔器观测数据质量,文中以气温和气压数据为例,提出一种新型海洋观测数据质量控制方法,该方法包括数据检验和数据修正环节:数据检验通过范围检验和尖峰检验对波浪滑翔器观测数据进行异常值剔除;数据修正采用反向传播(BP)神经网络算法对检验后的观测数据进行数据修正,提升观测数据整体准确性。利用“黑珍珠”波浪滑翔器集成的AIRMAR-BP200和GILL-GMX600气象传感器进行比对试验并获取大量数据样本,将该样本数据用于BP神经网络模型训练。同时,为验证所提出的数据质量控制方法的有效性,对“黑珍珠”波浪滑翔器海上试验获取的观测数据进行数据质量控制和分析,结果表明文中提出的数据质量控制方法可有效提高观测数据的准确性。

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。

海洋观测仪器管理初探

随着海洋强国战略的深入实施,国家在海洋调查研究方面的资金投入逐步加强,涉海研究单位中海洋观测仪器设备的保有量大幅度增长。与此同时,由于海洋观测仪器设备使用场景的特殊性,仪器设备损坏甚至丢失的情况时有发生,给仪器设备管理工作提出了新的挑战。文章以物理海洋学相关海洋观测仪器为例,对海洋观测仪器设备进行分类,论述其特殊性,探索建立符合海洋观测仪器设备特性的管理机制,进一步提高资产管理的科学性,更好地服务于教学、科研需要。

海洋学实验教学中心信息化建设可持续发展研究

文章通过对海洋学实验教学中心(下文简称“中心”)信息化建设现状及存在问题的分析,对中心网络信息化建设可持续发展进行了研究;探索中心信息化建设可持续发展的实施办法,重点阐述了信息化建设管理机制、信息平台建设维护和开放管理系统建设等方面的建设实施方案及其在中心信息化可持续发展中的重要性。信息化建设是一个依赖信息技术发展的动态过程,在未来的建设道路上要及时补充新技术、新知识,不断进行完善,为实验实践教学的改革创新提供更好的保障条件。

2005和2015年中国近海氮沉降的时空分布特征及影响因子的比较

应用GEOS-Chem模式模拟结果,对比分析了2005和2015年中国近海氮沉降的时空分布特征及引起氮沉降变化的影响因子。研究结果表明:黄渤海氮沉降总量夏季最高,月平均值为2.2×10^(-4) kg·m^(-2),冬季最低,月平均值为6×10^(-5) kg·m^(-2);东海氮沉降总量冬季最高,月平均值为1.3×10^(-4) kg·m^(-2),夏季最低,月平均值是5×10^(-5) kg·m^(-2);南海氮沉降总量秋季最高,月平均值达到了1.5×10^(-4) kg·m^(-2),夏季最低,平均值为8×10^(-5) kg·m^(-2),并且大部分区域氮湿沉降量占氮沉降总量的55%以上。与2005年相比,2015年黄渤海地区春、夏、秋季氮沉降总量的月平均值分别降低了3×10^(-5)、7×10^(-5)和2×10^(-5) kg·m^(-2)、冬季增加了4×10^(-5) kg·m^(-2);东海地区春冬季节氮沉降总量的月平均值分别降低了1×10^(-5)和3×10^(-5) kg·m^(-2),夏秋季节氮沉降总量的平均值都增加了1×10^(-5) kg·m^(-2);南海夏冬季节氮沉降总量的月平均值都增加了1×10^(-5) kg·m^(-2),春秋季节氮沉降总量的月平均值分别减少了1×10^(-5)和4×10^(-5) kg·m^(-2)。相对于2005年,同人为源排放相比,2015年中国近海气象场的变化对氮沉降总量的变化影响较大,且2015年不同气象条件的改变导致2015年中国近海氮干、湿沉降的变化不同。就氮的干沉降而言,与2005年相比,2015年黄渤海地区冬季平均风速大约降低23.9%,但异常偏南风导致来自华北平原的排放传输增多,进而导致氮干沉降增多。就氮的湿沉降而言,相比于2005年,2015年黄渤海夏季和南海秋季平均风速分别降低了38.8%和42.3%,使得黄渤海夏季和南海秋季氮总浓度分别减少了5.6和2.8 ppbv,同时降水分别减少2.4和0.9 mm,导致2015年黄渤海夏季和南海秋季氮湿沉降量降低,2015年南海冬季平均风速降低10.1%,但偏西风异常带来中南半岛的高排放使得氮总浓度增多(1.7 ppbv),同时降水增多(0.7 mm),导致南海冬季氮湿沉降量增多,因此2015年黄渤海夏季、南海秋季氮湿沉降的降低和南海冬季氮湿沉降的增加是风场输送与降水共同变化造成的结果;2015年黄渤海冬季偏南风异常带来华北平原的高排放源使冬季的氮总浓度增加3.1 ppbv,冬季降水基本不变,因此2015年黄渤海冬季氮湿沉降的变化主要跟风场变化有关;东海夏、秋、冬季节的氮总浓度减少,小于1.0 ppbv,氮湿沉降变化主要是降水变化主导的。

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。

上层海洋中浪致混合研究评述——研究进展及存在问题

本文较系统地分析和总结了海浪在上层海洋中的混合作用研究的国内外现状,分别探讨了海浪破碎、波生运动以及波-湍相互作用导致的混合作用,指出了现有研究存在的问题。对今后研究做一展望,并指出实验室热分层水槽中的系统实验研究的必要性。

近十年中国海雾研究进展

中国沿海和近海是多海雾区。由于海雾发生时能见度低,往往导致人员和财产损失。文中对中国近十几年有关海雾的研究进行了回顾,包括海雾天气气候学研究、海雾数值研究、海雾卫星遥感实时监测技术研究和海雾微物理研究。对一些问题进行了讨论,并对今后海雾研究的发展提出了若干看法。

ENSO循环相关的海洋异常信号传播特征及其机制

通过分析最新的海洋模式同化资料(EstimatingtheCirculationandClimateoftheOcean,EC CO),研究了ENSO循环相关的海洋异常信号在太平洋中的传播过程。研究发现,导致ENSO位相变化的温跃层异常信号主要从北太平洋西传而来,该区与赤道东太平洋相反的温跃层异常信号到达西太暖池区,再从西太暖池沿赤道传到东太平洋,可使ENSO向反位相发展。该异常信号沿赤道东传过程中热带西南太平洋也会出现类似的温跃层异常变化,但是随着异常信号东移和从南太平洋东边界10°S左右传来的反异常信号入侵,热带西南太平洋的异常信号逐渐减弱并消失。稳定性分析表明,北太平洋较大面积区域存在斜压不稳定性或正压不稳定性,有利于ENSO相关的温跃层异常信号以Rossby波形式有效地西传;而在南太平洋,不稳定区的面积较小,且主要局限于海盆东侧,因而传播较弱,这样就造成了ENSO信号在太平洋南、北半球的非对称传播。一般来说,ENSO信号主要在以赤道波导区、东边界、北太平洋纬向区域和西边界组成的回路中循环,在南半球的传播不明显。

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——数值模拟和试验

2014年4月12日,中国海洋大学东方红2号调查船在黑潮延伸体海区由暖水侧向北穿越海洋锋时,捕捉到了一次层积云云底和云顶高度升高的过程。本文利用船测数据结合WRF模式进行数值模拟和试验,对此次层积云迅速发展的机理进行了综合分析。结果显示,在黑潮延伸体区域,西北风控制下,海洋锋和来自日本本州岛陆地的低空暖平流共同作用使得层积云发展。通过数值试验发现,海洋锋作为背景场,为该区域提供了200W·m^(-2)的潜热通量并导致气压下降,从而在暖水侧产生了0.05m·s^(-1)的上升运动。同时,来自日本本州岛陆地的暖平流作为日尺度扰动,在09-12UTC到达潜热通量中心,导致该时段该区域2~3℃的增温和0.5hPa的降压。但两者并非单纯线性叠加,而是在海洋锋提供背景条件的前提下,暖平流产生触发作用,通过局地海气相互作用,使得该时段该区域垂直运动异常增强,进而造成云的异常发展。本研究有助于理解在复杂大气背景扰动扰动下MABL对海洋强迫的响应机理,同时对于理解海洋对边界层的影响又反馈到海洋的过程有一定帮助。