印-太暖池高温暖水的移位与南海夏季风爆发

为了揭示高温暖水在中国南海(文中简称南海)夏季风爆发中所起的作用,依据欧洲中期天气预报中心发布的第5代全球大气海洋再分析资料,发现气候平均意义下印度洋—太平洋暖池中30℃以上高温暖水会在5月出现移位:5月上旬高温暖水出现在孟加拉湾中部,而到下旬消退并移位到南海南部。通过分析局地天气尺度的海洋-大气相互作用过程,揭示了上述高温暖水月内移位的物理机制:在孟加拉湾夏季风爆发后,逐渐增强的潜热释放和减少的短波辐射会导致孟加拉湾高温暖水的面积逐渐缩小;与此同时,在副热带高压影响下,南海菲律宾岛西南高温暖水出现,并因其面积逐渐增大,并与泰国湾的高温暖水共同构成了南海南部的高温暖水。研究发现南海季风爆发几乎都出现在上述高温暖水移位之后,因此孟加拉湾中部和南海南部海表温度的差由正转负可以作为南海季风爆发的先兆。

吕宋海峡纬向海流及质量输送

分析和计算了吕宋海峡ＰＲ２１断面最近海洋调查的部分ＣＴＤ资料和ＡＤＣＰ资料，再一次证明吕宋海峡常年存在纬向流．但对于天气尺度而言，该流型是多变的．根据高分辨率的海洋环流数值模式４ａ（１９９２～１９９６年）海平面高度（ＳＳＨ）的输出值，运用地转关系估计了吕宋海峡纬向流的月平均值．研究表明；通过海峡流入、流出南海纬向流的深度一般达到５００ｍ左右，２００ｍ以上流速较大，平均流速为 ５０ｃｍ／ｓ，最大时达８０ｃｍ／ｓ以上．５００ｍ以下的纬向地转流流速较小，通常小于１０ｃｍ／Ｓ．由大洋进入海峡的入流位置位于海峡的中部和南部，月平均入流最大值出现在１１月，为 ５０ｃｍ／ｓ．位于海峡的北部和南部上层海洋的月平均出流，最大流速亦出现在１１月，也为５０ｃｍ／ｓ，这与秋季北赤道流分叉位置最北（１５°Ｎ），春季分叉位置最南（１４°Ｎ）有关．上层流入、流出海峡的流量的月平均值分别约为１０×１０～６ｍ～３／ｓ和５× １０～６ｍ～３／ｓ．当东北季风盛行时（从１０月到翌年２月），流入海峡的流量远大于流出海峡的流量，两者的差可达８×１０～６ｍ～３／ｓ，而在其他季节两者的差仅为 ３×１０～６ｍ～３／ｓ．这说明东北季风盛行时，会有较多的水从南海南?

南海北部海面高度季节变化的机制

利用POM模式对南海环流进行了数值模拟和数值试验 ,结果表明 :南海北部SSH的变化主要应归于南海局地的动力、热力强迫和黑潮的影响 ;黑潮对南海北部SSH平均态的影响要大于对SSH异常场的影响 ;对于南海北部深水区冬季局地风应力与浮力通量的作用相反量级相同 ,黑潮对南海北部SSH的控制作用在冬季显得最重要 ,约占 50 %～ 80 % ;春季 ,夏季和秋季 ,局地风应力、浮力通量和黑潮三者都使深水区SSH上升 ,局地风应力使深水海盆SSH上升的作用约占 4 0 %～ 6 0 % ,浮力通量的作用约占 2 0 % ,黑潮的影响约占 2 0 %～ 30 % .在夏季 ,尽管南海北部深水海盆SSH达到全年最高 ,但黑潮对南海北部深水海盆SSH的贡献最小 .在广东沿岸陆架海域 ,SSH季节变化的机制与深水海盆SSH季节变化的机制不同 :春、夏季 ,局地风应力使SSH上升的作用几乎与浮力通量使SSH下降的作用相当 ;秋、冬季 ,东北季风使SSH上升的作用大于浮力通量和黑潮使SSH下降的作用 ,陆架区SSH为正 。

1998年夏季风爆发前后南海上混合层的特征及成因

利用１９９８年“南海季风实验（ＳＣＳＭＥＸ）”南北部两个点的资料，采用１． Ｌａｕｎｉａｎｅｎ和Ｔ．Ｖｉｈｍａ提出的方法，计算了潜热通量、感热通量和风应力，分析了南海上 混合层动力、热力特征及其与南海夏季风爆发之间的关系。发现在西南季风爆发前后，南海 北部、南部的两个观测点的海洋上混合层温度和深度随时间的变化具有不同的特点：北部混 合层温度经历由高到低再变高，混合层深度经历由浅变深再变浅的３个时段；南部混合层温 度经历由低到高再变低，混合层深度经历由深变浅再变深的３个时段。这与南海南、北部海 面的风和海面热通量具备不同的特征有关。在５～６月南海上混合层动力、热力特征基本受 局地风与短波辐射控制，海面潜热和感热的作用较小。在５月份，南海南部观测点海面附近 存在浅薄的高盐高密度层，在６０ｍ以上的上层海洋内存在着许多高盐高密度核。在１９９８年 “南海季风实验”期间南海南、北部两个观测点都存在较浅薄的障碍层，在西南季风爆发期 间，南海北部观测点的障碍层较厚达到 ２０ ｍ以上。

东北季风与南海海洋环流的相互作用

针对冬、春季南海海区风场，表层海流、海温场的季节变化，选用了21/2层海洋模式和简单一层大气边界层模式，研究了冬、春季东北风作用下南海上层海洋环流的基本形态及其对SST的影响，估算了这种影响对海面风场的反馈效应。研究结果表明，冬、春季东北季风与南海环流的相互作用对吕宋岛两部海域的气旋式冷涡的形成和维持有利。冬季（1月）强东北风作用使南海上层为一气旋式环流，上层环流对季风的反馈作用可使南海西北部东北风减弱，东南部东北风略加强，由北向南的越赤道流略强；春季（4月）弱东北风作用使南海南部、北部上层各有一气旋式环流，两个气旋式环流之间有一个反气旋式的环流，上层环流对季风的反馈作用使东北季风风速更弱，有利于越赤道流的转向和南海夏季风的形成。

太平洋北赤道流区上层海洋季节内振荡及斜压稳定性

根据全球高分辨率的海洋环流模式 (POCM)的数值模拟结果 ,发现北赤道流区上层海洋流的季节内变化是以准 60天振荡为主 ,该准 60天振荡的振幅有年际变化。利用 2 .5层海洋模式 ,确定了NEC区纬向Rossby波解的频散关系。该关系表明 :北赤道流区行星波和波长小于 5 70km的Rossby波都为稳定波 ;波长小于 2 0 0 0km ,大于 5 70km的Rossby为不稳定波 ;最不稳定波的相速度和波长分别为 - 0 .1 45m·s- 1 和 785km。斜压不稳定是北赤道流区上层海洋准

南海海面高度季节变化的数值模拟

比较POM模式模拟与观测 (TOPEX/Poseidon高度计资料 )的南海海面高度(SSH)的季节变化在空间分布上的一致性和差异 .结果表明 :本文使用的POM模式能较好地模拟南海SSH的季节变化 ;冬季与夏季 ,春季与秋季南海海面异常场形式完全相反 ,冬季Ekman输运造成在西海岸的堆积要比夏季在东海岸堆积更明显 ,而吕宋冷涡中心附近和吕宋海峡海面季节变化振幅最大 ;除春季以外 ,在南海绝大部分海域 ,海面高度的季节变化主要受风力的控制 ,南海海面热量通量对SSH的季节变化贡献约为 2 0 % ,风应力对SSH的季节变化的贡献约为 80 % .

黑潮在吕宋海峡的形变及动力机制

根据１９９０年以来对吕宋海峡和中国南海（ＳＣＳ）北部的ＷＯＣＥ水文资料和其它海洋调查资料的分析，以及对同一海区的卫星遥测海表温度（ＳＳＴ）的资料处理，推断在吕宋海峡常年存在黑潮路径弯曲，西折进入ＳＣＳ并又流出ＳＣＳ的现象，作者将黑潮的这种变形称为“黑潮流套”。黑潮变形进入ＳＣＳ的位置在冬季位于海峡中部、南部附近，范围较大；在夏季略向北移，较集中于海峡中部，范围较小。作者认为，黑潮流套现象可用位涡守恒理论作定性的解释：当黑潮在吕宋海峡失去西边界支持后，其流轴以西贴近西边界的一部分流体，因具有较大的相对正涡度，会脱离黑潮主体在南海东北部形成反时针旋转或顺时针旋转的环流，而黑潮主体会以顺时针旋转的形式在海峡以西的海域出现。整个黑潮以弯曲、扩展的形式在海峡处产生形变，在海峡东侧出现反气旋涡旋的倾向。吕宋海峡黑潮流套及南海北部的诱生环流之流型，会因黑潮本身以及副热带环流整体的变化而变化，也与海峡的宽度有关。总之，吕宋海峡黑潮流套的形成是由当地特殊的地形条件和地转β效应这些内部机制决定的。

北太平洋的年代际振荡与全球变暖

通过回顾和总结前人工作,特别是有关北太平洋年代际振荡的研究,针对近50年来北太平洋中纬度海温变冷的现象进行了分析与讨论。从全球气候变化的角度,总结了影响北太平洋中纬度海温变冷现象的几种可能机制,推测了全球气温变暖可能会对北太平洋的直接或间接影响,归纳指出了研究该问题的复杂性与目前面临的困难。

北太平洋副热带潜沉率及其变化中海面风的作用

采用中国科学院大气物理研究所的高分辨率逐日风场驱动的全球海洋模式(LICOM1·0)对北太平洋海域的潜沉(Subduction)过程和副热带模态水形成区潜沉率的年际变化进行了数值模拟,并将模拟结果与同化的海洋模式资料(SODA)进行了比较。研究结果表明,该高分辨率的海洋模式对北太平洋的绝大部分海域晚冬混合层底水质点的运动方向和路径的数值模拟结果较好,模式模拟的副热带环流比SODA资料中的副热带环流流速强;模式模拟的混合层深度比SODA资料中的混合层深度深,更接近观测;模式中副热带海域的潜沉率大于SODA资料中的副热带海域的潜沉率。模式结果表明,副热带环流和副极地环流交界处是潜沉过程发生的最主要区,该区气候平均的潜沉率超过100m/a,最大为150m/a,海面风变异引起的海洋平流的年际和年代际变化,是该区潜沉率发生年际和年代际变化的主要原因;在太平洋副热带东部模态水形成区,气候平均的潜沉率超过50m/a,在该区潜沉率的年际变化中,局地风应力旋度决定的Ekman抽吸要比海洋平流效应更加重要。

春季南海北部上混合层的数值模拟与数值实验

根据 1 998年南海季风实验 (SCSMEX)北部“实验 3号”调查船的观测资料 ,采用一维湍动能模式 (TKE模式 ) ,对春季南海北部的SST及混合层随时间变化特征进行了数值模拟和数值试验。结果表明 ,TKE模式能够很好地模拟南海北部的海表面温度SST和上混合层深度随时间变化基本特征。在南海 5— 6月 ,SST的日振荡主要依赖于短波辐射的日变化 ,短波辐射是SST的主要维持机制 ;短波辐射会使SST升高 1— 4℃ ;风的垂直混合作用主要是抑制了SST的日周期振荡。春季南海海面潜热通量和感热通量与短波辐射和风应力相比较 ,是一个对SST影响较小的量。南海北部 5月份混合层深度的变化趋势和振荡特征受风应力和短波辐射共同控制 ,风应力使混合层深度加深 5— 1 0m ,短波辐射使混合层深度平均变浅 5— 1 0m。而 6月份南海北部 ,在夏季风爆发后短波辐射较小 ,短波辐射的作用只能使混合层深度变浅1— 2m ,潜热通量和感热通量对混合层的作用会使混合层的深度加深 1— 2m ,混合层深度主要受风应力控制。

北太平洋副热带逆流的气候特征

分析了从 1 992年 1 0月到 1 996年 1 0月的TOPEX/POSEIDON卫星高度计和POCM模式输出的海平面高度 (SSH)资料、Levitus气候平均温盐资料、NCEP/NCAR再分析纬向流资料以及沿 1 37°E剖面的海流资料。分析结果表明 ,在年平均和月平均意义下 ,向东的副热带逆流 (STCC)位于 1 8°N～ 2 5°N、1 30°E～ 1 57°W间 1 50m以内的海洋上层 ,其强度大约为 0 .0 2～ 0 .0 4m/s,在西太平洋夏季 ( 7月 )最强 ,冬季 ( 1月 )最弱。在STCC以下 650m以上 ,还存在一支向西的流 ,流速也约为0 .0 2～ 0 .0 4m/s。在STCC区域内 ,SSH有明显的准 90天振荡。在天气时间尺度上 ,一些气旋和反气旋涡出现在STCC海域 ,使该海域的流在方向和强度上变化很大。

印度尼西亚群岛邻近海域SST对越赤道气流的影响

利用ＣＯＡＤＳ资料研究了印度尼西亚群岛邻近海域海表面温度（ＳＳＴ）的季节变化特征，并根据热带大气扰动量的低阶模式，分析了印度尼西亚群岛邻近ＳＳＴ的季节变化对越赤道气流季节变化的影响。研究结果表明：印度尼西亚群岛邻近海域年平均ＳＳＴ基本上关于赤道对称分布，最高温度出现在赤道附近；由于南海ＳＳＴ冬季较低，冬季（北半球）ＳＳＴ的经向差最大值（大于２℃）出现在１１０°Ｅ附近；夏季（北半球）最大经向温差出现在１３０～１４５°Ｅ和１１０°Ｅ附近，它有利于１０５°Ｅ越赤道气流的形成和维持。

厄尔尼诺/南方涛动现象对热带西太平洋大气外强迫的响应

利用1个热带太平洋中等海气耦合模式,针对厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)现象对热带西太平洋季节内振荡(MJO)和季风的响应进行了研究。数值试验的结果表明:热带西太平洋的MJO和季风这类周期比ENSO周期短的大气外强迫对ENSO的影响随强迫强度的不同具备不同的表现形式:当MJO或季风很弱时会使ENSO振幅加强;当为中等强度时,几乎对ENSO没有影响;当MJO或季风较强时,ENSO振幅加强,锁相时间从冬季转移至秋季;外强迫非常强时,会因为短周期外强迫形成的海洋波动干扰了ENSO循环,ENSO循环振幅减弱或消失。

春季南海南部上混合层数值模拟与数值实验

采用一维湍动能模式对南海南部的 SST及混合层进行数值模拟和数值试验。结果表明 :TKE模式能够模拟南海南部的海表面温度 SST以及除南海南部 5月中旬以外的上混合层深度随时间变化基本特征。在 5～ 6月 ,SST的日振荡主要依赖于短波辐射的日变化 ,风的混合作用抑制了 SST的日周期振荡。春季夏季风爆发期间 ,南海海面潜热通量和感热通量与短波辐射和风应力相比较 ,是一个对 SST和混合层影响较小的量。在春季南海南部 ,短波辐射作用能使 SST升高的最大值约为 4℃ ;潜热和感热通量能使 SST的下降的最大值为 3℃。风应力对南海混合层深度随时间变化趋势起着决定的作用 ,并能使其深度加深 2 0～ 30 m,而短波辐射则使混合层的深度变浅2～ 3m,潜热和感热通量会使混合层的深度加深 1～ 2 m。在春季南海南部 。

“暖池”表层对大气局地强迫的响应特征

利用湍流动能（TKE）垂直混合模式和TOGA－COARE加强观测期的观测资料，对“暖池”上混合层的垂直混合过程进行数值试验和数值模拟，分析表层温度、盐度的变化特征。结果表明：TKE模式可以较好地模拟上混合层，尤其是表层温度、盐度对大气局地强迫的响应；太阳辐射是热源，感热、潜热通量等会造成“暖地”上混合层的温度降低，“暖池”对大气释放热量；降水有利于“淡水盖”形成和维持，从而使层结稳定，SST升高。但在气温低于海温时降水可使SST下降；风应力的垂直混合作用能使SST降低，但也会因造成海洋向大气输送热量减少而使SST上升。正是由于这几种局地强迫与SST相互作用形成一个负反馈系统，使“暖池”表层温盐具有季节内振荡的特性。

北太平洋副热带逆流区长Rossby波动力特性

利用2.5层海洋模式分析了北太平洋副热带逆流(STCC)区波长在450-840 km之间的长Rossby波的动力特性.不考虑耗散时,STCC区域的长Rossby波是中性波,其快模态的周期是88-110 d,相速度为0.06-0.09 m/s,群速度几乎与相速度相同.弱耗散作用使长Rossby波为弱衰减波,但几乎不影响其相速度与频率.观测的STCC区海平面高度(SSH)的准90d振荡对应长Rossby波的第一斜压模,"快"模态的波动振幅是"慢"模态的约5倍.准90d振荡存在的3个必要条件是:(1)第2层向西平均流取值为0.02-0.04m/s;(2)2个活动层的厚度超过480 m;(3)第2层的密度介于24.8-26.8之间.正因为北太平洋STCC区满足这3个条件,才在该海域出现SSH的准90d振荡.海面热通量的变化对快模态长Rossby波的传播特性影响不大,但对慢模态的传播特性有一定的影响.

热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。

热带太平洋海平面高度季节内振荡的空间分布特征

根据三年卫星高度计（ＴＯＰＥＸ／ＰＯＳＥＩＤＯＮ）资料和涡分辨率的海洋环流（ＰＯＰ）模式模拟计算的海平面高度资料，利用功率谱和最大熵谱的方法，揭示了热带太平洋海平面高度季节内振荡的空间分布特征。研究表明：准３０ｄ 周期的振荡集中出现在东太平洋（１６０°Ｗ 以东）赤道两侧，分别以５°Ｓ和５°Ｎ 为中心的纬向带状域中；准９０ｄ 振荡出现在分别以２０°Ｓ和２０°Ｎ为中心的南北二个纬向带状域中，北太平洋西部振荡最明显；准６０ｄ 振荡集中出现在分别以１０°Ｎ和１０°Ｓ为中心的带状海域中，北太平洋比南太平洋更明显，但比准９０ｄ 振荡信号弱；从ＴＯＰＥＸ资料分析还发现在赤道中太平洋（５°Ｎ～５°Ｓ，１７０°Ｗ～１２０°Ｗ），准６０ｄ

北太平洋副热带向东逆流区Rossby波斜压稳定性

根据对卫星观测的海平面高度资料的分析,进一步证实了在北太平洋副热带两支向东的流(副热带逆流和夏威夷背风逆流)所在的区域内,海平面高度的70-210天周期振荡是主要的低频变化.发现在这两支向东的逆流区Rossby波的特性不同:副热带逆流区70-210天周期振荡对应的Rossby波西传过程中增幅,在台湾以东振幅达到最大;而在夏威夷背风逆流区,70-210天周期Rossby波在西传过程中不出现增幅现象.依据2.5层海洋模式得到的关于Rossby波振幅、频率与海洋层结之间的关系,揭示了周期为70-210天的Rossby波为不稳定波,这是由于副热带逆流海域模态水存在使得密度的垂直梯度变小的缘故;而在夏威夷背风逆流区位于表层逆流下的北赤道流西深东浅,70-210天周期Rossby长波在逆流的东部有可能不稳定,但其在逆流的西部是稳定的,因此不出现在西传过程中增幅现象;发现在北太平洋副热带两个向东流的海域,年周期Rossby波是稳定的,因此,在该海域海平面周期为70-210天的振荡的振幅要比年周期振荡的振幅大.