2016-2020年海南西沙海洋环境国家野外科学观测研究站海气通量数据集

海洋与大气之间的通量交换是开展海气耦合系统科学研究和海洋环境安全保障需要重点观测和监测的对象。本文收集和整理了海南西沙海洋环境国家野外科学观测研究站位于西沙永兴岛岛缘的综合气象观测塔在2016年至2020年间获取的观测数据。该海气通量塔上配备了先进的观测设备和传感器,实现了海气通量数据的长期稳定测量和实时传输存档。本数据集主要包含有短波辐射、长波辐射、潜热通量、感热通量、动量通量和二氧化碳通量等海气通量分量,并提供相应的风速、风向、气温、相对湿度、气压、降水和海表温度等水文气象变量。所有数据均经过严格的数据质量控制和质量评价处理。本数据集可以为海气通量参数化方案改进和数据产品研制、区域海气相互作用和气候变化以及深海海洋环境监测和灾害预警等提供重要的基础数据支撑。

基于生成对抗网络模型的热带和亚热带海洋中尺度涡预报研究

中尺度涡蕴含海洋超过90%的动能,显著影响海洋物质能量循环。对中尺度涡的预报是目前物理海洋学研究的热点和难点。文章基于卫星高度计观测的近30年海表面高度异常数据(sea level anomaly,SLA),采用基于博弈思想的生成对抗网络方法(generative adversarial networks,GAN),构建了中尺度涡预报模型,进行了28天预报,并采用独立样本分析了预报涡旋的空间分布、时间分布、能量强度等特征参数,探讨影响预报结果准确性和时效性的主要因素。结果表明,半径为100~200km的涡旋在15天左右的预报时长仍能保持较好的准确性及时效性,误差在20%以内。该区域的平均涡动能约为0.875m^(2)·s^(-2),其预报的均方根误差(root mean square error,RMSE)普遍介于0.02~0.04m^(2)·s^(-2)。且涡旋预报结果受异常天气影响较小,在正常天气条件和台风娜基莉条件下具有相似的预报能力。这些结果对进一步理解并应用生成对抗网络这一新方法预报海洋中尺度涡提供了参考。

南海开放共享航次关键科学问题的思考——从多尺度海洋动力学角度出发

南海是西太平洋最大的边缘海,通过一系列的海峡与西太平洋和印度洋相联通,其不同时空尺度的海洋环流动力过程及其生态环境效应是南海区域海洋学研究的重要内容。自20世纪50年代末全国第一次海洋普查开始,我国对海洋调查的支持力度不断加大,以科学考察船为代表的海洋科学观测平台建设不断加强;进入新千年以来,国内海洋科考船依托的各主要研究所和院校本着开放的理念,先后组织多单位联合进行海上观测。尤其是最近10年,国家自然科学基金委员会支持实施了船时共享航次计划,进一步促进了国内海洋界的交流和合作,南海区域海洋学的相关研究取得了很多重要的成果。从多尺度环流动力学的角度出发,本文简要回顾了南海海洋观测的发展历程,并初步总结了近些年来南海关键科学问题的研究进展,包括南海和西太平洋的水体交换过程、南海中小尺度过程、多尺度相互作用及其生态环境效应等;并且在现有的研究基础上,对未来南海的观测和科学问题提出若干思考与展望。

海洋中尺度涡旋源汇空间分布特征研究

借助卫星高度计数据,对中尺度涡进行识别和追踪;以16年内中尺度涡个数上的生消为判据,发现中尺度涡在除赤道外的全球大洋中生消频繁,但在海盆内区并没有明显的生成占优区或消亡占优区;而在中纬度近岸的狭窄东边界内中尺度涡生成居多,在另一侧近岸的狭窄西边界中尺度涡消亡居多。同时,我们以一阶斜压模态所对应的特征深度作为两层结构的内界面深度,并假定涡动能平均分配于正压模态和一阶斜压模态,计算得到了包含涡动能和涡有效重力位能的中尺度涡能量年平均净生成率和净耗散率,发现虽然海盆西边界是涡场能量耗散大于能量生成的区域,但强耗散过程实际上在海盆西侧内区的强流及其回流区均有发生。另外,中尺度涡生消个数差值的分布与中尺度涡能量净生成率和净耗散率的分布表明,虽然海盆东边界近岸区域内中尺度涡的生成居多,但该区域中尺度涡的能量偏弱,因此该区并非涡场能量的主要源区。

同化海温观测数据研究波浪破碎对海洋上层结构的影响

首先利用考虑波浪破碎效应的Mellor-Yamada 2.5阶湍流闭合方案,探讨了海表温度(SST)对波能因子α和Charnock数β的敏感性问题。然后采用变分数据同化途径,基于Papa海洋天气站(OWS Papa Station)的上层温度观测数据,对该参数化方案中的波能因子α和Charnock数β两个参数进行了最优估计。最优估计的结果表明,当α约为167、β约为4.1×105时,价值函数达到最小值。利用上述参数的最优估计进行海温的数值模拟,可以较好地反映出海表温度的日变化和月变化过程,模拟的上混合层的温度和深度也与观测较为一致。最后利用以上参数的最优估计结果对湍动能方程进行诊断计算,研究了波浪破碎对海洋上层湍能量收支的影响。

海洋颗粒有机碳浓度水色遥感研究进展

颗粒有机碳(POC)是海洋碳循环研究的一个重要参数,采用水色遥感技术反演颗粒有机碳浓度为大时空尺度监测海洋碳循环过程提供了重要手段。从基础数据采集入手,简要总结了当前颗粒有机碳样品采样方法及误差影响因素;针对颗粒有机碳水色遥感的国内外研究进展进行了综述,深入分析了POC与生物光学参数之间的关系,对在此基础上建立起来的多种POC水色反演算法进行了归纳和分类比较;简要总结了POC水色反演在多时空尺度监测海洋生态环境中的应用。最后指出了我国海区POC水色遥感研究还存在的问题,对今后的研究工作进行了展望。

季风环流影响下的南海海洋细菌多样性特征初探

季风驱动下的南海海洋动力过程有着季节性的多尺度变化特征,显著影响南海海洋生态系统的演化进程。海洋细菌作为海洋生态系统中物质循环和能量流动的重要组成部分,对环境变化和海洋多尺度动力过程有着积极的响应。将微生物生态过程与海洋动力过程相结合,研究微生物的群落结构、动态变化及其与海洋环境过程的耦合,是目前国际海洋科学多学科交叉研究的热点之一。文章以国家自然科学基金重点项目"季风环流影响下的南海海洋细菌多样性特征及其生物海洋学意义"的主要研究成果为基础,从南海北部上升流、海洋锋面、中尺度涡旋、次中尺度过程及其对海洋细菌多样性和生态系统可能的影响等几个方面,探讨当前的研究进展和初步研究成果。

寒潮过程和海洋锋面影响南海西北部大气波导演变的个例分析

文章利用2012年冬季南海西北部的航次探空资料,研究了寒潮过程和海洋锋面对大气波导特征演变的共同影响。文中观测发现,航次期间的大气波导以悬空波导为主,平均波底高度约738.64m,平均厚度约185.17m,平均强度10.21M单位。观测前期,天气形势稳定,东北季风较弱,在锋面暖水区一侧的悬空波导较为深厚,且高度较低。其主要成因是大气边界层顶部925hPa至850hPa高度左右存在深厚的逆温层,且具有显著的日变化特征。航次中期的寒潮过程导致东北季风大幅增强,使得大气边界层顶部的逆温层被破坏,从而导致悬空波导显著变薄变弱。而锋面冷水区一侧,低水温抑制湍流发展导致大气修正折射率(M)的负梯度扰动较弱,较难形成稳定且有一定强度的波导层,且无显著日变化。但当东南暖湿气流覆盖锋面冷水区上空时,容易形成较稳定的表面波导。

ENSO及印度洋海盆模态关联的南海SST异常年代际变化及海洋平流输送的贡献

采用国际海-气综合数据集（The International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set, ICOADS）船舶观测资料及简单海洋同化分析数据（Simple Ocean Data Assimilation, SODA）, 研究了厄尔尼诺（El Nino-Southern Oscillation, ENSO）和印度洋海盆模态（Indian Ocean Basin, IOB）对南海海表温度（sea surface temperature, SST）影响的年代际变化, 并着重讨论了不同时期海洋平流输送对SST 异常的影响.结果表明, ENSO 事件对南海SST 的影响呈现显著的年代际变化特征;在1870-2007 年期间, 扣除资料较少的时期, 有4 个显著不同的时段, 分别是1892-1915 年、1930-1940 年、1960-1983年、1984-2007 年.在1950 年之前的两个时段, 南海在ENSO 期间出现一次显著的增暖, 而在1950 年之后的两个时段中, 南海出现了两次显著的增暖.除第一个时段外, 其余三个时段ENSO 发展期冬季大气潜热及短波辐射异常是导致南海增暖的主要原因, 海洋平流作用较弱; 而在最近的两个时段中, 海洋平流对ENSO 消亡年夏季南海增暖有重要影响.不同时段海洋平流对南海增暖贡献的差异说明ENSO 及IOB 对南海区域气候的影响具有明显的年代际变化特征.

海洋透光率仪的设计及其在初级生产力研究中的应用

海洋浮游植物光合作用固碳在全球碳循环中扮演着极为重要的角色,获取不同光衰减对应的海水深度,对于采集水样用于海洋初级生产力的研究具有重要意义。本研究于国际上首次开发了无缆便携式海洋透光率仪,特殊的光学结构设计和光谱滤光技术使得光谱响应在波段400~700nm范围内超过了同类海洋传感器,特定光衰减下对应的深度误差小于0.5m。将本设备应用于南海中尺度涡旋初级生产力的研究中,在采样率和自动化方面验证了仪器的便携性;通过对涡旋中初级生产力的空间分布规律进行分析,检验了仪器数据结果的可靠性。海洋透光率仪在价格、准确性、可靠度和操作的便携性上具有不可比拟的优势,将在未来海洋生态环境的研究中发挥重要作用。

海洋亚硝酸盐氧化细菌的多样性分布及其生态功能研究进展

微生物介导的硝化过程是全球氮循环的一个重要环节,其中催化亚硝酸盐氧化过程的功能菌亚硝酸盐氧化菌(NOB)受到越来越广泛的关注。目前已鉴定的NOB涵盖4个菌门,分属7个菌属。其中,亚硝化螺旋菌属(Nitrospira)由于多样性高、分布广泛成为近年来的研究热点。文章综述了NOB多样性组成、系统进化关系、生态分布特征以及亚硝酸盐氧化和自养固碳的过程机制,阐述了其在海洋碳氮生物地球化学循环中的功能,并展望了本领域的研究热点。

基于CESM模式的4至6月热带西南印度洋海表异常增暖对印太气候影响的研究

热带西南印度洋温跃层深度较浅,该海域温跃层的变化与海表温度具有密切的联系,具有独特的海气相互作用。文章基于观测资料和模式资料分析了4至6月热带西南印度洋海表增暖对热带印度洋-西太平洋的气候影响。结果表明, 4至6月热带西南印度洋海表增暖增强了当地的对流活动,导致热带西南印度洋降水的增加;热带印度洋的低空出现了关于赤道反对称的“C型”风场异常,即赤道以北为异常的东北风,赤道以南为异常的西北风;5月至6月北印度洋低空异常的东北风会减弱亚洲夏季风,北印度洋海表潜热释放减少,北印度洋海表增暖。热带西南印度洋海表增暖的气候影响并不局限在热带印度洋地区,其增暖能加热对流层大气,激发东传的大气开尔文波,热带西北太平洋低层的东风响应在信风的背景下也能触发局地的海气正反馈,两者共同有利于热带西北太平洋地区低空反气旋式风场的维持。反气旋式风场异常在5、6月能增强季风水汽输送,使得我国长江流域的降雨显著增多。该研究结果揭示了热带西南印度洋加热异常可引起横跨北印度洋-热带西太平洋的海气相互作用,为我国东部地区夏季降水预报提供了有益参考。

一种海洋混合层深度的智能识别方法研究

文章提出了一种识别混合层深度的人工智能方法。该方法在温度(密度)与压强(或深度)间建立线性模型,并且将其系数和方差做成一组表征廓线特征的统计量。初始时为模型设定一个主观的先验分布,在一个自海表向下移动的窗口内通过贝叶斯链式法则和最小描述长度原理学习新数据,得到系数均值的最大后验概率估计。用F-检验识别系数发生突变的位置,以此确定混合层的存在性及其深度。通过2017年2月太平洋海域的地转海洋学实时观测阵(Arrayfor Real-time Geostrophic Oceanography,ARGO)数据进行测试,并且以质量因子(Quality Index,QI)值作为判断识别混合层深度结果准确性的依据,发现该方法相比于梯度法、阈值法、混合法、相对变化法、最大角度法和最优线性插值法在识别结果上具备更大的QI值。表明该方法能够准确识别混合层深度。

台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风“康森(Conson)”进行数值模拟,并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明,模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致,台风“康森”在近海面的风场不对称结构非常明显,台风中心两侧的速度大小相差可达lOm-s-'o台风“康森”在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡,且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布,表明台风“康森”在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量,发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小,平均近惯性动能不超过35J-m-3o随着气旋强度的增大,热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长,而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致,当最大风速半径(R。)增大一半(1.5R0)时,其产生的最大平均近惯性动能从81J m-3增大到631J-m-3,影响面积从大约600km2增加到大于900km2。

南海上层海洋次中尺度过程空间差异和季节变化特征

南海是西太平洋最大的边缘海,由于受季风影响显著以及北部海域的黑潮入侵,其动力环境复杂多变,次中尺度过程丰富,且在空间上和时间上存在多变性。文章基于高分辨率数值模式的结果,通过对次中尺度动力参数的分析,对比讨论了南海北部、中部、西部和南部海域4个典型子区域上层海洋次中尺度过程的空间差异、季节变化、影响深度、影响因素等问题。研究发现各区域季节性变化特征和机制有所不同:北部海域受冬季风和黑潮入侵影响,冬季次中尺度的混合层不稳定较强;中部海域同样表现为“冬强夏弱”;西部海域受夏季风影响显著,夏季次中尺度过程更为活跃;而南部海域主要受岛屿地形影响较大,容易产生地形尾涡,季节性特征不明显。统计分析表明,次中尺度过程往往表现出强正相对涡度与高应变特征,在表层更容易出现负位涡,流体稳定性较差。此外,文章从能量学角度对次中尺度过程的主要能量来源、控制因素等进行了讨论。

南海北部海洋生态模型的参数分析及遗传算法优化

海洋生态系统动力学模型是研究海洋生态环境的重要手段。随着模型的发展,生态参数取值不确定性增加,对模型结果的影响逐渐增大,因此模型参数优化显得尤为重要。本研究在南海北部应用一维物理?生态耦合模型,通过对模型生态参数进行敏感性分析,获取关键生态参数,利用遗传算法对参数进行优化。结果表明,模型中的敏感参数主要集中于浮游植物生长和浮游动物生长、摄食和死亡以及碎屑沉降等过程。针对以上参数利用遗传算法优化,发现仅加入表层卫星数据,模型表层和垂向模拟误差分别降低27.80%和21.40%;加入垂向观测数据,表层和垂向模拟误差分别降低14.90%和32.70%。遗传算法应用于海洋生态模型的关键参数优化研究,所获取的参数对模型有明显的改善效果,提高了耦合模型对生态系统的模拟精度,为参数优化在三维模型中的应用提供了依据。

南海上层环流对不同气候态风场响应的数值研究

文章利用4种不同的气候态风场Scatterometer Climatology of Ocean Winds(SCOW)、Climate Forecast System Reanalysis(CFSR)、the Interim ECMWF Re-Analysis(ERA-Interim)和NECP[the National Centers for Environmental Prediction(NCEP)/National Center for Atmospheric Research(NCAR)Reanalysis 1]分别驱动区域海洋环流模式(Regional Ocean Modeling System,ROMS)以模拟南海环流,从而比较分析南海上层环流模拟结果的差异及其与风应力场之间的动力联系。结果表明,4种风场均能模拟出南海海盆尺度环流的季节变化特征,但对南海局地环流特征的模拟存在差异。分析显示,局地显著的正风应力旋度是冬季吕宋冷涡产生的根本原因;夏季越南东部海域的上层环流偶极子在模拟试验结果中均显现,但其强度与局地风应力旋度大小有关。海峡通量的模拟结果显示,吕宋海峡水体通量受海峡风场差异影响较小;台湾海峡秋冬季水体通量则有较大差别,强东北季风不利于海峡北向水体输送。此外,台湾海峡冬季较强的北向水体输送有利于南海暖流的生成。研究结果对深入理解南海上层环流对大气强迫的响应有裨益,并且可为不同目的的南海环流数值模拟时的风场选择提供参考。

高频地波雷达观测资料对南海北部海流的数值同化实验

文章利用基于区域海洋模式(ROMS)的三维变分同化系统,将双站(博贺站和斗龙站)高频地波雷达的表层海流观测数据同化进模式中,并通过敏感性试验研究了观测覆盖率对同化效果的影响以及同化间隔对同化效果持续性的影响。结果表明,同化高频地波雷达表层海流观测数据能显著改善模式对表层海流的模拟。当观测覆盖率大于40%时,不同的观测覆盖率的同化效果几乎无差别,这表明模式背景误差协方差能够很好地弥补高频地波雷达在空间上的缺测信息。试验结果还表明同化效果的持续性受到同化间隔的影响:过频繁的同化会造成模式初始场动力不平衡加剧,使得同化效果的持续性变差,而过大的同化间隔则会使同化效果在下一次同化到来前消失。当同化间隔取6h或12h时,同化效果的持续性达到最优。同化对模式预报的改善持续的时长为4~6h。

ENSO循环过程中次表层海洋信号的传播和变化

利用SODA等资料分析了热带太平洋次表层海洋要素的变化特征,结果表明,ENSO循环过程中次表层异常海温信号在赤道外向西传播的路径与温跃层深度的分布有一定关系,10oN附近是气候平均温跃层深度的极小值区域,温跃层在该区域形成了一个从东到西的阻隔带,阻挡了来自赤道地区的ENSO信号继续向北传播,从而转向西传播;而南半球温跃层深度的气候分布不具备这一特征,不利于ENSO信号在南半球的向西传播。进一步的研究还表明,ENSO信号在整个循环过程中,异常海温的主周期是变化的,特别是在沿10oN附近向西传播的过程中,ENSO信号的主周期变化较大。推断西太平洋暖池区域的ENSO信号除了在循环过程中自东太平洋10oN传来的以外,还受其他因素的影响,例如局地的大气变化引起的海温异常,以及来自中高纬度的异常海温信号等因素。

利用MODIS跟踪监测一个冷涡对海洋表层生物光学参数的影响

研究中尺度涡对海洋上层生物地球化学过程的影响已经得到越来越多的关注,水色遥感作为一个重要的工具可以为此提供大时空尺度的数据来源。基于南海区域性生物光学反演算法,对2007年1月底发源于吕宋海峡西南侧的一个冷涡进行跟踪监测。在冷涡生成初期,涡旋携带吕宋海峡高营养高生物量海水向西北方向移动,内部叶绿素a(Chl a)保持高浓度。冷涡停留期间(长达一个月),在涡致抽吸的持续作用下,冷涡内Chl a浓度由0.26mg×m^(-3)增长到0.33mg×m^(-3);而进入春季,涡旋外的Chl a浓度则由0.24mg×m^(-3)减小到0.15mg×m^(-3);颗粒有机碳(POC)浓度、浮游植物吸收系数(a_(ph(443)))、漫射衰减系数(K_(d(490)))与Chl a浓度的变化一致,而POC∶Chl a和微微型浮游植物所占的比例(F_p)则表现出与Chl a浓度相反的趋势。冷涡西移期间,随着涡致抽吸强度的降低及所携带的营养物质被不断消耗,涡内部Chl a浓度、POC浓度、a_(ph(443))、K_(d(490))逐渐降低,POC∶Chl a和F_p逐渐升高。结果表明,在平流作用和涡致抽吸共同作用下,冷涡所引起的光学响应可以用来帮助识别和跟踪涡旋。