地理信息系统支持下东中国海潮波系统的模拟研究

本文的研究是在地理信息系统(GIS)、海洋流体动力学模型的支持下,对东中国海区现代潮汐潮流系统特征、潮波系统的形成机制和演变过程的系统研究。通过高分辨率的数值模拟,作者发现了一些前人没有发现的现象;证明在一定的入射潮波条件下,岸线形态和位置对潮波系统的形成起主要作用;系统地恢复了末次冰期最盛时期以来30个时期东中国海的潮波系统。另外作者还探讨了有关GIS与潮汐数值模拟系统及海水运动可视化系统的集成问题。

中国东部夏季降水年际变化与东中国海及邻近海域海温异常的关系

本文首先利用1979～2008年中国756个站点和GPCP2.1的降水资料与Hadley中心的HadISST再分析海温资料以及应用合成和相关分析方法,分析了中国东部夏季降水年际变化及其与东中国海及邻近海域海温异常的关系。分析结果表明:当东中国海及邻近海域为暖(冷)异常时,长江中下游、江淮地区夏季降水减少(偏多),而东北南部的降水偏多(减少)。并且,本文应用RegCM3区域气候模式对上述关系进行数值试验,结果表明了东中国海及邻近海域的暖(冷)异常,将使得我国长江、黄淮流域和华北大部分地区夏季降水的减少(增加),而华南地区、东北南部和朝鲜半岛等地夏季降水的增加(减少)。此外,本文还利用NCEP/NCAR再分析资料和数值模拟对上述关系的大气环流变异过程进行了分析,分析结果揭示了上述海域的升温或降温对东亚地区上空的纬向和经向环流有较明显的影响。当东中国海及邻近海域升温时,除了在该海域东部引起低空辐合,高空辐散,产生上升运动外,还在其西部的长江、黄淮流域和华北地区引起低空辐散,高空辐合,产生下沉运动,这将引起长江、黄淮流域和华北等地夏季降水的减少;并在华南、东北南部和朝鲜半岛地区引起低空辐合,高空辐散,从而产生上升运动,这使得华南地区、东北南部和朝鲜半岛夏季降水的增加。反之,当东中国海及邻近海域降温时,上述区域出现相反的现象。这些都说明东中国海及邻近海域的热力状态可能是影响我国东部夏季降水的重要因子之一。

利用WaveWatch Ⅲ建立东中国海区域海浪同化系统

利用最优插值法建立了基于WaveWatch Ⅲ的东中国海区域海浪同化系统,它可以同化卫星高度计观测的有效波高.该系统对T/P高度计测得的有效波高的同化试验表明,海浪数据的同化能够改善整个区域的海浪预报效果.其中浮标验证结果表明,同化时效约1d,同化后波高预报的均方根误差减小了约10%,对涌浪区的改善尤其显著,均方根误差可以减至0.3以下.此系统运算量不大,对计算机硬件要求不高,在Linux,Windows操作系统上都可运行,易于推广应用.

东中国海海浪数值模式的研究

为建立适应东中国海的海浪数值模式,主要基于目前广泛使用的WAVEWATCH ⅡⅠ海浪数值模式进行东中国海海域的海浪数值模拟。以NCEP和NCEP与QSCTAT的混合风场资料为输入,模拟了两个时间段的东中国海海域的海面风浪场。选取的两个有实测资料的输出点分别在渤海和东海。从所得结果来看,使用NCEP与QSCAT混合风场模拟的东海观测点处的波高和风场的观测值和模拟值符合的较好;利用1998年相应时间段的NCEP风场模拟的上述两点结果与实测比较也是可以接受的。研究结果说明,在目前情况下,运用NCEP与QSCAT混合风场建立统一的东中国海海浪数值预报模式是可行的,同时为东中国海波气候学研究及海洋大气耦合作用研究奠定了模式基础。

冬季东中国海环流中的中尺度涡旋数值模拟

采用高精度的POM模式 ,考虑了海底地形、外来流、长江径流、海面风应力、海面热通量等多方面因素的影响 ,模拟了冬季东中国海环流结构。模拟结果显示 :在黄海东部很可能存在两个涡 ,中心分别在124°37′E ,37°N ,124°E ,35°30′N ;东海北部存在一个大型的气旋式涡旋 ,其中心位置在125.1°E ,30.5°N附近 ,该涡旋是由东北向的台湾暖流、西北向的黄海暖流及南下的沿岸流组成的封闭结构 ;日本九州以西黑潮入侵分支形成一涡旋 ,黑潮分支是形成此涡旋的直接动力因素 ,另外地形和冬季盛行的偏北风也对该涡旋的形成有一定正面影响。

东中国海及毗邻海域SST年际变化特征分析

基于NOAA提供的Pathfinder V5.0系列的1985～2005年最优插值海面温度产品,空间分辨率为4 km×4 km的月平均资料,低通滤波对资料消除季节变化影响之后,分别进行Covariance EOF,Gradient EOF2种方式的经验正交函数分解,以此分析研究中国近海(渤海、黄海、东海)以及台湾以东、以南洋面海面温度场(SST)的年际变化特征。研究发现除太阳辐射外,Covariance EOF方法分解得到的第一模态主要是在北太平洋SST年代际振荡的背景场下,与地表径流和黑潮等因素引起的平流热量输运有关,第二模态在空间上表现为东中国海海域SST东南升温(降温)则西北降温(升温)。这一模态也是对El Ni(?)o现象的响应,但有7～9个月的滞后期。第三模态则极有可能与海流和水团混合有关。Gradient EOF方法分解得到的第一模态与SST年平均分布相近,主要与地理信息相关,反映出东中国海SST水平梯度差异主要是受太阳总辐射量经向变化和陆源气候的影响。通过全场平均值的线性回归,得到整个东中国海海表面温度的年际变化趋势;逐点进行线性回归,得到回归系数的空间分布表明这一海域的SST年际变化趋势主要与海区的地形和水平环流相关。

东中国海夏季潜热通量的时空特征及其与中国东部降水的联系

利用1985—2006年OAflux、NCEP/NCAR再分析资料和中国大陆东部的120个测站降水资料,应用EOF分解和线性回归等方法分析了东中国海夏季海气热通量时空特征及其与中国东部夏季降水的关系。结果表明,东中国海夏季潜热通量EOF1模态空间场的强信号区为黄海、东海至台湾海峡和南海北部局部海域,时间系数(PC1)表现出显著的年际变化和1997年前后的突变。降水和经向环流的PC1回归分析还表明,夏季潜热通量的异常变化与中国东部降水和经向环流的变化密切相关,潜热通量正异常对应黄淮地区和华南地区的上升气流正异常,降水偏多,而东北与华北地区为下沉气流正异常,降水偏少。1997年前后东中国海潜热通量发生突变之后呈明显的上升增强趋势,使得上述现象更为显著,即:对应东中国海夏季潜热通量的正异常,黄淮地区和华南地区为上升气流正异常,降水偏多;东北地区和华北地区为下沉气流正异常,降水偏少。这表明夏季东中国海及邻近海域潜热通量的异常变化是导致中国东部汛期降水年际和年代际异常的重要原因之一。

东中国海及毗邻海域海面风场季节及年际变化特征分析

本文基于美国Remote Sensing Systems公司提供的QuickScat海面风场产品,空间分辨率为0.25°×0.25°的月平均资料,进行了两种经验正交函数分解(EOF),以此分析研究中国近海(渤海、黄海、东海)以及台湾以东、以南洋面海面风场的季节变化和年际变化特征。研究发现:(1)季节变化是东中国海海表面风速变化的最主要特征,其变化占总变化方差的70.9%,黑潮的季节变化,通过海气交换影响其流经海域局地风场;(2)东中国海及毗邻海域海表面风速变化与太平洋年际变化以及热带风暴爆发有关,东中国海海表面风速年际变化显著的周期为1.5年和3.1年;(3)东中国海海域近年来整体上海表风速处于增大的趋势中,风速增大最大的区域出现在台湾东侧海域黑潮流经区域,最大增速在0.025 m/s/a以上。

1945～2006年东中国海海表温度的长期变化趋势

通过对HadISST1资料1945～2006年海表温度(SST)的分析,发现在东中国海SST具有明显的长期升高的线性变化趋势,平均每年升高0.015℃,在这62 a共升高了0.9℃。其中,东海的升温现象最为突出,从福建和浙江两省沿岸向东北方向扩展的大片海域,是整个东中国海SST变化最大的所在。由于台湾海峡常年向北的流动和台湾岛东北侧向北的黑潮水入侵在1945～2006之间得到了相当程度的加强,它们对热量平流输运的增加有利于东中国海SST长期升高。同样起到促进作用的还有海面风场所控制的垂向卷夹过程。海面净热通量的变化抑制了东中国海SST的长期升高趋势。研究结果显示,东中国海SST的长期变化趋势极有可能是受到太平洋长期变化的影响。

东中国海至长江口海域台风浪特性的数值模拟研究

东中国海至长江口的台风浪用两个海浪数值模型来模拟:适用于海岸、河口及湖泊水域的SWAN模型,将其嵌套于东中国海范围内的WAVEWATCHⅡI(WW3)模型。8114号强台风在长江口产生了巨大波浪,所以文中选其为例。将WW3应用于东中国海计算区域,模拟大范围的波浪,为高分辨率的长江口水域SWAN模型提供二维波谱动态边界条件。Takahashi风模型用来模拟东中国海(3小时一次)和长江口(1小时一次)的风场。对东中国海台风浪的模拟结果表明:最大的台风浪出现在风暴路径的右侧,且发生在长江口深水开敞东边界。在台风到达长江口之前,和风成波相比,涌浪占主导地位。台风到达长江口时,风成波和涌浪并存。波向主要受涌浪方向和复杂的地形影响。

东中国海环流对2008年浒苔事件的影响

以2008年浒苔暴发期间每隔5天的海表温度和风场做强迫场,利用POM模型模拟得到2008年黄海浒苔事件期间的环流场.模拟的夏季黄海近岸表层流向北流动,流速较大;山东半岛南岸表层流向东北流动,流速较小.模拟结果显示,表层流场主要受到风向的影响.在夏季,黄海近岸表层流为向北然后转为向东北流动,形成顺时针旋转的环流.而环流产生的流隔和青岛外海的涡旋利于浒苔向环流中心的辐聚,以及浒苔从黄海中部海区向青岛沿岸海区的漂移和聚集.

利用经验正交函数数据插值法重构东中国海叶绿素a质量浓度场

利用经验正交函数数据插值法(Data INterpolating Empirical Orthogonal Functions)重构由MODIS-Aqua卫星提供的三级产品叶绿素a质量浓度,得到了从2003—2009年东中国海叶绿素a质量浓度的月平均场。东中国海近岸叶绿素a质量浓度7a平均值明显高于外海。对叶绿素a质量浓度季节平均场进行分析研究表明,东中国海叶绿素a质量浓度主要受长江径流、海表水温和季风的影响。对叶绿素a质量浓度异常场进行EOF分析表明,第一模态方差贡献为37.8%,空间分布显示,在长江口东北部出现叶绿素a质量浓度异常高值区,时间变化以半年和半年以下周期为主;第二模态方差贡献为21.4%,空间分布显示,在长江口东部出现叶绿素a质量浓度异常高值区,时间系数主要表现为年际变化。

东中国海表层悬浮体浓度卫星遥感反演研究进展

用卫星遥感手段反演海洋表层悬浮体浓度(Suspended Sediment Concentration,SSC)来研究其分布和输运的方法已经被广泛使用。东中国海属于水文和光学性质较为复杂的二类水体,表层悬浮体浓度的分布规律和水体的固有光学特性时空变化大,增加了遥感研究的难度。在对前人的研究进行比较和总结后发现,根据实测SSC数据对不同区域、不同时间段(季节、潮汐周期)建立分段模型可以提高整体反演精度。在选择参与反演的波段时,河口和近岸等高SSC海域以及远岸低SSC海域有各自不同的最优波段组合。高SSC海域常使用水体反射率第二反射峰、第一反射峰前波段作正比波段组合参与反演,低SSC海域常使用水体反射率第一峰波段作正比、峰前波段作反比参与反演。同时,在反演模型中考虑泥沙粒径的影响可以显著提升反演精度,并且也有可能在浅海区突破现有遥感研究手段的水深限制。目前模型精度评价标准使用较为混乱,平均相对误差、平均绝对误差和均方根误差等可以作为综合精度评价指标,模型的稳定性则可以用误差敏感性分析方法验证。高时空分辨率的海色卫星传感器的出现使得海洋短时间尺度事件的研究成为海色遥感研究的趋势之一。

近50年东中国海潜热通量的变化

利用1958—2006年OAFlux热通量资料,分析了东中国海海域潜热通量的长期变化特征,并探讨了与局地和太平洋海域影响因素的关系。结果表明:近50 a东中国海潜热通量显著增加,沿黑潮主轴增幅最大。通过分析阿留申低压区(30°N～60°N,160°E～140°W)风场的变化,发现其风应力旋度与东中国海潜热通量变化的主要影响因素海气比湿差存在显著的正相关,表明可能是北太平洋风应力旋度的变化而不是东中国海域风场的变化导致了潜热的长期增加。超前和滞后相关分析表明,东中国潜热通量的变化比北太平洋风应力旋度的变化存在4 a左右的延迟,可能是副热带环流对风场变化调整所需的时间。

东中国海波浪分布特征研究

以美国国家环境预报中心(NCEP)再分析气象资料作为驱动风场条件,运用第三代海浪模式WAM的第四版本(WAMC4)在西北太平洋海域建立二级嵌套波浪模型,利用连云港、冷家沙现场观测波浪资料对模型进行了验证,检验了该模型在东中国海波浪研究中的适用性。针对东中国海进行了连续60年(1950—2009)的波浪后报模拟,在此基础上开展了东中国海波浪时空分布特征研究。结果表明:四季的平均有效波高等值线与岸线形状基本保持一致,且由南向北逐渐递减;有效波高分布的季节差异显著,冬季浪高最大,其次为秋季,春季、夏季最小。通过对比分析平均波浪要素和5%累积频率波浪要素的定量关系发现,在渤海范围内,5%累积频率有效波高与平均有效波高之比约为2.75,黄海与东海大部该比值则分别约为2.50和2.35,而5%累积频率平均周期与平均周期的比值在整个东中国海范围内约为1.45。

东中国海台风浪分布特征研究

台风引起的大浪对海岸带及海洋工程有很大的影响。进行长时间序列的台风资料分析和台风浪模拟,对海岸带规划及海洋工程防护有一定的指导意义。本文利用西北太平洋热带气旋最佳路径数据集(CMA-STI热带气旋最佳路径数据集)中提供的台风信息,分别统计和分析了1949—2010年和1981—2010年出现在东中国海海域的台风的时间分布特征和空间分布特征,并将2个时间段的分布特征进行比较。利用高桥公式和藤田公式计算了1981—2010年间92次台风过程的气压场分布,进而计算出风场,把经过验证的风场做为驱动,通过SWAN模式计算出有效波高。经过与B22001号浮标实测资料的对比,模型计算风速和有效波高均与实测值符合较好。根据模拟计算结果,分析了东中国海海域台风浪有效波高的分布特征。

平均海平面上升对东中国海台风风暴潮影响的数值模拟(英文)

本文采用ECOMSED模式模拟了影响东中国海的3次台风过程,经与实测资料对比验证了模型的可靠性。在此基础上设计了敏感性试验以考察海平面上升对风暴潮造成的影响。结果表明,海平面上升对风暴潮的影响在空间分布上不是一致的,且因具体台风过程而异。整体而言,海平面上升对风暴潮造成的影响有限。海平面上升0.5 m,大部分站位风暴增水极值基本不变,即使海平面上升5 m大部分站位的风暴增水极值相对改变量都小于10%。

东中国海波浪分布特征研究

以美国国家环境预报中心(NCEP)再分析气象资料作为驱动风场条件,运用第三代海浪模式WAM的第四版本(WAMC4)在西北太平洋海域建立二级嵌套波浪模型,利用连云港、冷家沙现场观测波浪资料对模型进行了验证,检验了该模型在东中国海波浪研究中的适用性针对东中国海进行了连续60年(1950—2909)的波浪后报模拟,在此基础上开展了东中国海波浪时空分布特征研究.结果表明:四季的平均有效波高等值线与岸线形状基本保持一致,且由南向北逐渐递减;有效波高分布的季节差异显著,冬季浪高最大,其次为秋季,春季、夏季最小。通过对比分析平均波浪要素和5%累积频率波浪要素的定量关系发现,在渤海范围内,5%累积频率有效波高与平均有效波高之比约为2.75,黄海与东海大部该比值则分别约为2.50和2.35,而5%累积频率平均周期与平均周期的比值在整个东中国海范围内约为1.45。

A1B气候情景下海平面变化对东中国海风暴潮的影响

用三维水动力模型Ecomsed,在第四次IPCC评估报告SRES A1B气候情景下,分析21世纪海平面变化对东中国海风暴潮及沿岸脆弱性的影响。在A1B气候情景海平面变化影响下,对17个台风个例进行模拟。结果表明:受海平面变化影响风暴潮增减水出现大概10 cm的变化,风暴潮增水提前,风暴潮增水时段延长;台风强度越大,海平面变化对风暴潮增水强度的影响越明显。海平面变化对海岸带脆弱性具有很大影响,苏北浅滩及环渤海海岸带脆弱性将增强,校核水位在东中国海将会增大。

东中国海HYCOM模式垂向坐标对比研究

基于挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM模式,利用单向嵌套技术与欧洲中心提供的2008年ERA-I高分辨率强迫场针对东中国海及其邻近海区进行了不同垂向坐标配置的四个敏感性试验。通过分析东中国海区域的温度、盐度,流速的分布和变化,探讨了HYCOM模式中不同垂向坐标设置对东中国海近岸区域的影响以及黑潮流速及路径对不同坐标设置的响应,期望对HYCOM模式更深入的研究提供参考。结果表明:(1)在东中国海区上层并不适于采用等密度坐标方案,也就是说应该采用z坐标或σ坐标用以表征此处混合层的季节性变化特征;(2)针对东海大陆架区给出了10个位置上的模式与浮标观测资料的温、盐平均误差(ME)、均方根差(RMS)及相关系数(R)指标,发现对于不同区域,每种试验的适用性都不同;(3)使用高频资料时,模拟的流速普遍偏高,东海黑潮冬夏路径的异同指出了σ-z-iso与z-iso试验模拟效果较好,但模拟的日本岛南岸的弯曲流场位置偏南;而z-only试验模拟的日本岛以南的黑潮路径是有所改观的,z坐标的分辨率对表层的黑潮路径影响很大;σ-only试验模拟的整个黑潮路径的效果最差。