海洋涩度函数的研究及应用进展

在海洋中,涩度作为一个热力学参量,具有被动和示踪的性能,表示海水发生了温盐变化,但密度却没能显示的信息.相比于温度-盐度组合,密度-涩度组合在描述海洋动力过程和水团特性更为方便.通过结合涩度已有的理论框架和它在海洋研究中的应用情况,针对如下要点进行了回顾和总结:(a)引入涩度概念的缘由,不同的涩度函数定义和存在的争议;(b)涩度在大洋水团分析中有广泛的应用,可作为研究海洋动力学和环流的示踪参量,用于分析大气对海洋的能量注入,温盐结构,水团入侵和生物迁移等.以期进一步推动涩度动力学研究和拓展涩度在海洋不同领域中的应用.

夏季风爆发对南海南北部低空大气波导的影响

大气波导是对流层中具有异常垂直大气折射率梯度的大气层结,对于预测电磁波传播和评估海上探测通信系统等具有重要的科学意义和应用价值。根据1998年南海季风试验期间,东沙岛、南沙岛探空站和"实验3号"、"科学1号"科考船在加密观测期间观测的1天4次高分辨率探空数据,统计分析了夏季风前后南海除了蒸发波导外的低空大气波导发生规律,结果表明夏季风爆发对于南海低空大气波导特征具有重要影响。总体上,大气波导发生概率在夏季风爆发前较高,爆发后较低;夏季风爆发前后,大气波导发生概率在南海北部变化较大(约12%),在南海南部变化较小(约10%)。夏季风爆发抬升了南海北部大气波导层高度,降低了南海南部大气波导层高度,其幅度都小于300m;南海夏季风爆发后,除了南海北部大气波导强度略有增强外,南海低空大气波导厚度和强度都有所减少,其中南海南部减少较多,分别约为40m和1M单位。分析显示,湿度锐减是引发南海低空大气波导的直接原因,夏季风爆发向南海低层大气输送了大量暖湿水汽,形成了不同的大气边界层,造成了南海大气波导特征的南北差异。

南海中南部上层的盐指与湍流混合过程

基于2012年8月12日至9月5日中国南海海洋湍流微结构剖面仪(Turbo Map)观测资料和温盐深剖面仪(CTD)资料,对南海中南部海域上层500m以浅的混合过程进行了分析。南海次表层高温高盐的水团和中层低温低盐的水团构成的垂向温盐环境,利于在该深度范围内盐指的发育。通过盐指与湍流相关参数的计算,评估了盐指在南海上层跨越等密面混合的作用。结果表明南海中部(18°N)相对于南海南部呈现高的温度耗散率(χ)、高的混合效率(Γ)、低湍动能耗散率(ε)及低浮性雷诺数(Rε)等特征,即中部盐指信号明显强于南部。但整体海域仍然呈现出"低Γ;高Rε"的湍流特征,表明盐指对混合的贡献较小,南海中南部的上层混合还是以湍流混合为主导。另外,南海南部的混合强于中部,且呈现出整体水柱均具有较强混合的特征,其原因可能和内潮与南部相对较浅而复杂的地形相互作用有关。

2008年“威马逊”台风期间海上大气波导时空特征

结合MM5数值模拟结果、天气图和卫星云图,系统分析了2008年"威马逊"台风引起的大气波导特征。本次台风过程中发生的大都为悬空大气波导,位于台风涡旋之外的西北部,台风越近波导高度、强度、厚度越大;同时数值模拟表明陆地地形对海上本次大气波导形成具有一定影响。利用大气波导这一特殊大气层结可以很好的评估和预测电磁波传播和海上探测通信系统。

2014年9月南海西部冷涡及东向急流三维结构观测

根据2014 年9 月1-9 日现场观测温度、盐度、深度（CTD）资料和法国卫星中心（AVISO）提供的海表面高度异常（SLA）资料, 调查南海西部冷涡和东向急流的三维结构.结果表明, 该冷涡于8 月3 日开始出现, 9 月29 日消亡, 持续大约2个月.现场观测期间, 冷涡水平尺度约为150km, 其形态受其东南边缘的东向急流影响呈长轴为西南-东北向椭圆状,冷涡的垂直尺度为自海表面到200m 深度.强的表层地转流（最大值达到1.0m·s^-1）出现在靠近东向急流区的冷涡东南侧.航次观测期间东向急流的纬向范围是在109？E 至113？E 之间, 最大地转流流速达到1.2m·s^-1, 流向基本呈偏东北向, 且流幅约为100km; 东向急流的垂直尺度可达到150m 深度.现场观测期及其前后的SLA 和海表面地转流分布表明, 东向急流和北侧的冷涡的形态季节内演变过程可能受到南海海盆尺度风应力影响.

南海局地海域一次低空大气波导过程分析

根据2006年12月7日在长山山脉以东的南海海域加密观测的1天4次高分辨率船载GPS探空数据和NCEP-CFSR格点再分析数据,完整分析了一次低空大气波导生成、维持、消失过程。结果表明:该次冬季低空大气波导过程是由南海偏北部暖锋过境引起的,波导强度达19 M单位,厚度达250 m。暖锋过后,南海风速增大,逆温层变厚,大气波导强度减弱,最后陷获层消失,成为正常大气环境。

复合二元酸改性环氧树脂的制备工艺研究

用C36二聚酸、癸二酸与1,4-丁二醇二缩水甘油醚和双酚A型环氧树脂进行扩链反应,制备柔韧性环氧树脂预聚体。考察了配方组成、反应温度和催化剂等因素对羧基转化率的影响。结果表明,对于所给配方,当催化剂用量为0.1%,140℃下反应2 h,反应基本完全。另外,以柔韧性环氧树脂预聚体为基体树脂制备的固化物拉伸强度达到12.0 MPa,断裂伸长率为85%。

南海北部台风和中尺度暖涡对近惯性振荡的影响

基于2014年8-9月南海北部东沙群岛附近海域两个临近站位(站位A,20.736°N,117.745°E,水深1 249 m;站位B,20.835°N,117.56°E,水深848 m)的潜标数据,研究了台风过境所激发的近惯性振荡的特征,分析了中尺度暖涡对近惯性频率的调制及其对近惯性动能分布和传播的影响。站位A(B)142(175) m以浅,近惯性频率由0.710 1(0.713 3)周/d红移至0.659 2周/d,频率减小了7.2%(7.6%),观测结果与两个站位所处的背景涡度相吻合。中尺度暖涡改变了水体层结状态,两个站位的近惯性动能在不同层结中被改变了0.5~3倍。水体层结对能量的折射作用使得站位B的近惯性动能在深度158~223 m之间衰减较少,而站位A的近惯性动能则随着深度的增加快速减小。站位A和站位B近惯性内波的垂向群速度分别约为15.2 m/d和14.1 m/d。如果忽略近惯性动能的水平辐散,近惯性内波的垂向传播分别造成了两个站位垂向上约47%和38%的近惯性动能衰减。

双扩散对流中台阶结构的实验研究

线性层结的盐水系统在底部加热和顶部冷却时,会产生明显的温盐台阶结构,这是双扩散对流现象.温盐台阶由界面和混合层组成.温度垂向廓线的变化可以反映台阶的生成与合并.根据盐水系统上下边界之间温差的变化,系统演化过程分为两个阶段.在温差增加阶段,主要发现在已有台阶顶部生成新台阶,而最下层台阶与其上层台阶发生合并过程.在此阶段,由于台阶的生成速率大于合并速率,系统内台阶越来越多.在温差减小阶段,系统仅存在台阶的合并过程,因此台阶数目越来越少.最后,系统内仅存在一个大尺度环流.同时,发现台阶的生成与合并过程虽然发生在局部区域,但会影响到系统的其他区域.例如,由于最下层台阶的合并,系统下边界的温度梯度发生明显变化.实验中,由于最下层台阶不断与其上层台阶合并,最下层台阶厚度比其他台阶厚度大,而其他台阶厚度变化不大.最下层台阶厚度(h)随时间(τ)的变化满足h～τ0.7的关系.

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。

加拿大海盆东南部锚定观测双扩散阶梯的时间演化研究

加拿大海盆上层，分布着高温高盐的大西洋水和相对低温低盐的盐跃层下部水，两水团之间形成一系列的双扩散阶梯。通过分析2005年8月－2011年8月期间的锚定潜标数据，对双扩散阶梯和这两种水团之间的相互作用进行研究。基于固定盐度范围的方法，在盐度廓线中识别阶梯结构，在盐度34．45～34．83范围内，获取18个阶梯结构，并研究阶梯的参数。发现双扩散阶梯的位温主要受与其接近的水团的影响，同时也受其相邻的阶梯生成或消亡的影响，大西洋水对其上方的双扩散阶梯和盐跃层下部水起到加热作用；而盐跃层下部水的深度变化主导着大西洋水和双扩散阶梯的深度变化。两个相邻的阶梯具有一致的位温和深度变化趋势。通过经验公式，估计大西洋水通过双扩散阶梯向上传输的热通量为0．05～0．6 W／m2，且由下至上呈现逐渐增大的趋势。最后，估算由双扩散造成的垂向涡扩散系数为3×10－6～3．3×10－5 m2／s，且由下至上呈现逐渐减小的趋势。

层结背景下热液柱演化的实验模拟

为了研究洋中脊处海底烟囱喷出的热液柱的动力学特征以及其与周围海水之间的关系,在实验室内对热液柱的演化过程进行了实验模拟研究。在实验设计中,采用底部点源提供热通量的方法触发热液柱,使用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry——PIV)获取速度信息,高灵敏度热敏探头采集温度信息。通过瞬时速度场分析热液柱的运动特征以及其与周围层结背景环境之间的卷挟过程。实验表明,层结的背景环境阻碍了热液柱的垂向上升以及水平延伸。层结的背景条件下,在热液柱发展演化的整个过程中,其呈现出明显的振荡特征,且振荡频率(0.10—0.35rad/s)与背景环境的浮力频率(0.20—0.30rad/s)数值相当。热液柱与周围纯水之间存在强混合,发现在热液柱的热源处和顶部的混合最为强烈,中性浮力层高度以下是热液柱与周围纯水混合的主要区域,混合强度以卷挟系数α表征,α值从–0.30到0.13之间变化,大致随着高度的增加而减小。通过瞬时速度场分析得到热液柱的湍流耗散率ε,发现在垂直方向上,其"颈部"的耗散最强,沿水平方向上,其中心处的耗散最大,向四周逐渐递减,呈现高斯分布。

南海东沙海区冬季跨陆坡运动的动力诊断分析

基于普林斯顿海洋模式(POM),利用全球海洋温盐集(WOA13)气候态温盐数据对南海环流进行诊断计算,分析东沙海区冬季气候态跨陆坡运动特征。诊断结果表明:跨陆坡运动的水平和垂向断面分布,反映出该海区跨陆坡运动存在反对称结构,即东沙岛以东向陆架方向运动、以西向外洋方向运动。根据正压涡度平衡方程逐项分析,探讨了东沙海区跨陆坡运动的动力机制,研究表明:地形与斜压联合效应项(joint effect of baroclinicity and bottom relief,JEBAR)和地转位势涡度平流项(advection of the geostrophic potential vorticity,APV)主导了涡度平衡,平流项和扩散项作用次之,且JEBAR、APV及平流扩散各项在东沙岛东西两侧均表现为正负号相反分布;相比而言,海表风应力项和海底摩擦力项的影响为小量。东沙海区密度场相对于地形的不均匀分布,使得东沙以东JEBAR分布为正、以西JEBAR分布为负,这种分布是导致反对称的跨陆坡运动发生的主要内在机制,且东沙岛地形和不均匀密度场分布是这种动力机制得以维持的主要原因。

太平洋夏季水对加拿大海盆海冰的影响

近年来,北极海冰发生了大面积减少,减少的原因仍存在着争议。基于2003-2011年的水文和遥感卫星数据,对北冰洋加拿大海盆的太平洋水和海冰进行研究。通过对比2006年和2007年太平洋水位温与海冰密集度的空间分布,发现太平洋水暖异常于2007年1-3月进入加拿大海盆的中部,并可能导致了2007年夏季海冰大面积的融化。2003-2011年,在加拿大海盆的中部,太平洋水位温与海冰密集度存在着时间上的负相关。选取2007年8月,发现两者在空间上也存在着负相关。这很可能说明太平洋水暖异常在流动的过程中,向上输送了热量,在一定程度上,融化了海冰,从而触发海冰-反照率正反馈,导致海冰的减少。因此,通过白令海峡进入北冰洋的太平洋夏季水,对北极海冰面积的减少有着重要影响。

北冰洋上层双扩散阶梯热通量的分析

北冰洋中,低温低盐的上层水与高温高盐的大西洋水之间,广泛存在着稳定的双扩散阶梯。基于锚定剖面仪、冰基剖面仪和微结构剖面仪的数据,对温盐廓线中的阶梯进行研究,分析阶梯的热通量。固定跟踪了锚定剖面仪的3个阶梯,研究阶梯参数随时间的变化。发现由经验公式得出的上下两界面的热通量差,与混合层内热量的变化有较好的相关性。利用微结构剖面仪数据,计算阶梯界面通过分子热传导输送的热通量。当选取最大位温梯度时,算出的传导热通量与经验公式算出的热通量接近。因此,实验室研究得到的热通量经验公式,可以用于计算北冰洋双扩散阶梯的热通量。

基于精细温度观测的南海东北部陆坡-深海盆底层湍流混合

南海是存在强湍流混合的边缘海之一,但前人对南海湍流混合的研究更多关注的是中上层,对底层则鲜有关注。本文基于高分辨率温度传感器于2019年5月在南海东北部22个站位海底上方0.5m处持续观测4.4d的温度数据,分析了2216~3200m深度范围内底层海水温度的时间变化特征,并探讨了地形粗糙度和内潮对底层湍流混合的影响。分析结果表明,南海东北部各站位底层海水的温度变化量级约为10^(–4)~10-^(–3)℃;温度变化趋势与正压潮变化趋势不同,温度能谱显示多数站位在全日和半日频带区间出现谱峰,温度变化更多地受斜压潮影响,全日、半日内潮起主要调制作用。陆坡-深海盆过渡区及深海盆底层的湍动能耗散率量级为10^(–10)~10^(–9)m^(2)·s^(–3),涡扩散系数量级为10^(–4)~10^(–3)m^(2)·s^(–1)。观测数据未能显示底层湍流混合与地形粗糙度存在明显的相关性。底层湍流混合的空间分布与过去观测到的南海北部深海盆内潮的南北不对称性分布一致。

基于浮标观测的南海西沙群岛潟湖区潮流特征研究

本文利用南海西沙群岛潟湖区29 d的全水深浮标观测资料研究了潟湖区内正压潮和内潮的基本特征,采用深度平均方法分析海流的适用性,并讨论潟湖区内潮的主要来源。深度平均流的动能谱显示全日潮流占主导,其动能占整体海流动能的41%。对比分析深度平均流和Tpxo7.2模式预测的全日、半日潮流的调和常数,两者均表明全日正压潮流受地形调制,主轴方向为西北-东南向,而半日正压潮流主轴方向为东-西向。两种方法得到的全日正压潮流大-小潮存在半个相位(6~7 d)的差异,进一步分析发现全日正压潮和全日内潮潮龄不同,存在部分相互抵消,且全日内潮大潮发生时间在深度上存在差异,推测由于缺少海表和海底的测量数据,导致深度平均方法得到的全日正压潮仍然包含全日内潮信号。调和分析结果表明,全日内潮的动能中相干部分占比高达91%,说明潟湖区的全日内潮是正压潮与局地岛礁地形相互作用产生,而从远场传播而来的可能性很小。

南海北部底层对流不稳定性研究

底层对流不稳定对海洋底层能量输运和湍流混合有重要影响。为评估底层对流不稳定对能量输运的贡献,基于 2018 年 9 月 20 日南海东北部东沙群岛海域(20.895 3 °N,117.180 8 °E,水深 385 m)37 h 锚定潜标高时空分辨率观测数据,对观测站位海洋底层水体的温度结构特征进行了分析,研究了对流底层厚度变化,及其对海洋底层能量输运和湍流混合的贡献。结果表明,观测站位对流底层出现的概率约为总观测时间的 56%,其厚度平均值为 6.17 m。底层平流为下坡流时,对流底层出现的概率约为 50%,其厚度相对较小,均小于 10 m;而为上坡流时,对流底层出现的概率约为70%,其厚度显著增大,可达到 40 m。对流不稳定驱动的垂向热通量 E_(B)和传热效率 Nu 具有间歇性特征,观测时间内E_(B)平均值为 0.41 W/m^(2),Nu 平均值为 249.91,且对流热通量远高于底层流速剪切通量。对流底层湍流热扩散率和涡扩散率的评估结果表明,随着底层湍流混合强度的增强,对流不稳定对底层湍流混合的贡献率逐渐减小。

海洋盐指演化过程的数值模拟

盐指现象的数值模拟研究对理解小尺度海洋动力学过程具有十分重要的意义。本文建立了二维方腔模型,通过有限体积法求解控制方程,对盐指现象的演化过程进行了模拟计算和数值分析,在热瑞利数为(1.12～2.24)×107的变化范围内,展示并对比了不同粘滞系数、热瑞利数和盐瑞利数情况下的盐指现象,发现随着粘滞系数的增加,盐指的演变速率变慢,生成数目减少;热瑞利数的增加对盐指的演变速率具有抑制作用,而盐瑞利数的增加则对其具有促进作用。

冲绳海槽热液柱动力过程的数值模拟

本文以冲绳海槽伊平屋北部热液区(126o53.80′,27o45.50′)的现场水文数据作为背景条件,使用k-ε湍流模型模拟热液柱的动力过程。模拟计算得到的羽流速度、温度和湍流耗散率等基本物理量展现了热液柱的时空演化过程。模拟结果显示,羽流最大上升高度及中性浮力面高度与海底的距离分别为83.62m和68.97m,和2014年先导专项在此附近热液区所观测的温度异常和盐度异常的深度位置(离海底约66—86m)接近。羽流的上升速度满足高斯分布,其半径b与距喷口高度z-H成正比:b=0.0985(z-H),其中z为距海底高度,H为热液烟囱体的高度。羽流的最大体积通量比喷口的初始值增加了878倍,达1.034m^3/s;在中性浮力面位置附近,动量通量达到最大值,为0.156m^4/s^2,比初始值增加了882倍;浮力通量在中性浮力面以下和BM2000(Bloomfield et al,2000)理论模型符合良好,在中性浮力面以上则呈现随高度先增加后减小的特征。本文计算得到的平均卷挟率为α≈0.0807,与背景流较弱的热液区的声学现场观测结果相符。