太平洋中纬度不同区域气旋式暖涡和反气旋式冷涡的结构研究

作为海洋中重要的物理现象,气旋(反气旋)中尺度涡通常被认为会在海表产生冷(暖)异常,但海洋中还存在着相当数量具有“异常”海表温度的涡旋,即气旋式暖涡和反气旋式冷涡,为研究这一类“异常”涡旋的结构特征,利用2000~2020年的卫星遥感数据和Argo剖面数据,对太平洋及四个中纬度特征区域的常规涡旋(气旋式冷涡、反气旋式暖涡)和“异常”涡旋进行了表面和垂直温度异常结构的合成和对比分析。结果表明:(1)太平洋区域约有11%的反气旋涡为反气旋式暖涡,约9%的气旋涡为气旋式冷涡,“异常”温度层存在于50 m以浅;“异常”涡旋在归一化涡旋半径内具有与常规涡旋相反的海表面温度异常合成结构,且引起的异常大小要弱于常规涡旋;(2)黑潮延伸体区域“异常”涡旋的海表面温度异常结构为偶极子模态,与常规涡旋及其他三个区域涡旋差别最大。在垂向上,不同区域“异常”涡旋的结构差异主要体现在“异常”温度层的厚度、核心深度和强度上;(3)具有次表层强化特征的“异常”涡旋,可能主要由涡旋抽吸和涡致Ekman抽吸诱导形成;具有表层强化特征的“异常”涡旋可能主要由涡致Ekman抽吸诱导形成。此外,涡旋的水平搅拌机制在一些区域也起到了比较重要的作用。上述研究结果对于理解海洋“异常”涡旋现象、分析其生成和动力机制有一定的参考价值和科学意义。

东山岛外海表层水温的亚潮频波动初步研究

本研究通过对东山岛外海浮标观测的表层水温(SST)数据进行分析,发现2016、2017年夏季东山岛外海表层水温均存在周期为5~8 d的亚潮频波动信号,最大振幅分别为3.1℃和2.1℃。结合卫星遥感SST数据以及风场数据,采用小波分析、交叉小波分析等方法对该现象进行研究分析,结果表明:2016年夏季表层水温中出现的亚潮频波动信号源自短波辐射,表层水温变化滞后短波辐射1天左右;2017年夏季的亚潮频波动源自沿岸风应力,表层水温变化滞后沿岸风应力2天左右。2016年和2017年表层水温出现的亚潮频波动均与台风有关,但信号的来源出现差异是因为2017年台风过境引起了较强的沿岸风松弛现象,在沿岸风中出现了亚潮频波动信号,沿岸风影响上升流变化,进而引起表层水温的变化;2016年由于台风过境引起的沿岸风松弛现象较弱,沿岸风中并未出现亚潮频波动信号,而表层水温中的亚潮频波动信号源自短波辐射,这可能与台风引起局地天气系统的变化有关。

3种海面风场资料在台湾海峡的比较和评估

本文对3种海面风场资料(CCMP、NCEP、ERA)在台湾海峡风场的平面分布和时间变化特征进行了相互比较,并应用2011年浮标观测的风速和风向资料分别对3种风场的误差进行了分析及评估。主要结论如下:(1)3种资料风场的平面分布、季节变化和年际变化特征基本一致,差异主要表现在冬季NCEP资料在海峡中部和南部的风速相对CCMP和ERA资料较大;(2)CCMP资料的风速偏差、风速均方根误差和风向均方根误差分别为-0.62m/s、1.67m/s和31°,NCEP分别为0.15m/s、1.64m/s和31°,ERA分别为-1.36m/s、2.4m/s和33°;NCEP资料的风速整体略偏大、CCMP略偏小、ERA偏小明显,CCMP和NCEP资料比ERA资料更接近观测;(3)在西南季风影响期以及风速较小时(风速不大于10m/s)CCMP资料的风速可信度较高、NCEP资料的风速偏大;在东北季风影响期以及风速较大时(大于10m/s)NCEP资料的风速可信度较高、CCMP资料的风速偏小;(4)3种资料的风向误差接近,均在低风速时(风速小于5m/s)误差较大。本文的结论可以为台湾海峡的海洋和大气科学研究选择合适的海面风场资料提供借鉴和参考。

两层分层流体中初始内孤立波分裂的数值研究

本文导得了1个研究内波分裂的射线型二维KdV方程。利用这一方程的一维退化方程进行了实验室尺度下孤立子型内波分裂的数值研究。数值结果表明,深水区的初始内孤立波和实测的内孤立波(内潮)在通过陆坡区时都会产生分裂,并在陆架上(浅水区)生成一内孤立子波列。这表明在实际海洋条件下,深海区内潮的分裂是陆架上海洋内孤立子波包(或波列)生成的主要机制之一。

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。

白令海海冰变化及其影响研究综述

白令海是北冰洋的边缘海,其海冰变化与北极其他海域存在巨大差异。近10年来,白令海海冰面积发生显著减少,对区域水文、大气甚至生态系统造成巨大影响,甚至影响到中纬度乃至我国气候系统。基于卫星观测、模式模拟等多种手段,学术界对白令海海冰时空变化特征及其影响因子进行了大量的研究。本文阐述了白令海近期海冰变化,回顾了海冰变化的影响因子,总结了白令海海冰变化对水文、大气、生态系统以及中纬度气候系统的影响。通过对已有研究进行综合分析指出,受研究方法缺陷和观测数据缺失,以及探索因果关系机制的综合性研究较少的影响,对于驱动季节内白令海海冰变化机理认识仍然不足。进一步指出,需要加强对前期海冰对后期海冰影响、风场对海冰的拖拽作用、暖平流对海冰的影响尺度以及海冰面积变化尺度演变等方向的研究。

内孤立波与平顶海山作用的能量耗散实验研究

内波破碎引起的能量耗散和混合是海洋内部的重要物理过程。通过在二维内波水槽进行实验室实验,分析内波与地形的作用,探究内孤立波与平顶海山地形作用时波要素、能量以及湍耗散率的时空变化。本实验利用重力塌陷法在两层流体中制造第一模态内孤立波,通过粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)获得内孤立波与地形作用时的流场结构,定量分析整个作用过程。结果表明,地形会改变波形甚至引起破碎,内波与地形作用时,振幅和能量密度会在内孤立波爬坡时迅速增大,在地形前缘产生强烈能量耗散。入射波的能量与塌陷高度呈二次函数关系,透射波能量随地形升高减小,反射波能量随地形升高增大。地形前缘局地湍耗散率极值时间序列在部分实验中呈双峰结构,对应内孤立波界面处剪切加强引起湍流耗散和波后缘翻转破碎。破碎引起的地形前缘区域平均湍耗散率量级在10^(-5)m^(2)/s^(3),局地湍耗散率极值与入射波振幅呈指数关系,所有实验中局地湍耗散率的最大值接近10^(-3) m^(2)/s^(3)量级。