联合卫星重力和卫星测高数据确定稳态海洋动力地形

新一代卫星重力探测任务GRACE大大提高了地球重力场模型中长波分量的精度，使得联合卫星测高平均海面分离更精细稳态海洋动力地形成为可能。本文利用T／P（1994年～2003年）和JASON-1（2003年～2005年）卫星测高数据确定了全球30’×30’平均海面高；基于重力场模型WHU-GM-05，计算得到对应于海面高的GRACE海洋大地水准面格网值；利用“移丢恢复法”和高斯滤波求得全球稳态海面地形。与EGM96、Ri005、ECCO和GGM02模型进行比较，检验结果表明GRACE任务有效的改善了海洋大地水准面的精度，使得稳态海洋动力地形能够呈现更多细部。

构造古地理重建与动力地形

构造古地理是研究地质历史时期的构造过程和自然地理演化的科学。大数据时代的计算能力和效率的迅速提高及地球动力学模拟技术的发展,要求古地理研究应建立在全球板块构造背景下,重建"深时"、原位、原型的活动古地理。本文在综合分析国际、国内关于GPlates和CitcomS的地球动力学模拟软件平台的研究成果基础上,系统阐述了板块构造-古地理重建思路、内容和方法,残余地形(动力地形)的分离技术、动力地形与板块俯冲、深部地幔流动的动力成因关系;介绍了利用地表动力地形等古地理资料进行约束,揭示板块运动过程、地幔动力学过程研究思路、方法;提出了古地理重建和地球动力学研究中应遵循的"定时、定位、定向和定型"的原则。将全球板块构造-古地理模型(GPlates)与基于物理特性的地幔和岩石圈有限元模型(CitcomS)相结合,将动力地形与地幔活动过程研究相结合,对揭示4-D地球动力学具有重要理论意义。

西北太平洋海域海面动力地形特征的研究

本文根据东经１００°～１７０°，北纬０°～５０°的西北太平洋海域，１９３０年～１９９０年的大量海洋和气象资料，以深海等压面１０００，１５００，２０００，２５００和３０００ｄｂ为依据，按动力学原理，计算了面积约３０００多万平方公里广阔海域的动力深度及其偏差，并以标准海面为基准，绘制了迄今最为精细的海面动力地形图。通过与全球海面动力地形的比较，研究了该海域的起伏特征，发现了苏禄海盆地及其周围海域海面起伏的异常区，初步研究了它的形成机制。

长周期动力地形模型中代表输入条件

长周期动力地形模型是模拟长时间尺度地形演变过程的一种过程模型,其代表性输入条件是模型输入的一个关键问题。为了给出长周期动力地形模型中合适的代表性输入条件,采用比较代表条件与真实条件下泥沙输运率近似的方法,确定合理的代表潮,通过计算分析,地形复杂的古珠江河口湾宜采用大于平均潮差约12.5%的3个代表潮为输入条件,这样,代表潮与真实潮产生的泥沙平均输运率,无论大小还是方向误差最小。

多源数据推求的西太平洋区域海面动力地形比较分析

简述利用空间大地测量观测数据和海洋水文数据推求海面动力地形的方法。基于EGM96重力场模型和卫星重力恢复的重力场模型GL04C,联合卫星测高平均海面高模型分别推算西太平洋海域的平均海面动力地形,并与根据海洋水文数据推算之结果进行比较分析。结果表明:卫星重力场模型GL04C更好地表现了海面地形的细节特征。卫星重力和卫星测高的联合应用将成为确定海面动力地形的有效途径之一。

苏禄海和棉兰老海海面动力地形起伏异常机制初探——由海面地形探索海底信息

在研究西北太平洋海域海面动力地形时,首次发现菲律宾西部苏禄海和棉兰老海盆地海面动力地形不但大大高于周围海域,而且是全球的最高点。对全球海面动力地形的比较研究中,还发现了三大洋的系统性差异。从动力计算的角度分析,这是由于海水温度和盐度分布异常造成的,特别是在苏禄海和棉兰老海盆地,存在着一个巨大的高温低盐水体。本文从地热学、海底科学、海洋物理学和海底构造学角度探讨了温度分布异常的机制,对该海域海面动力异常及全球三大洋动力高度的差异作出了初步解释,并对由海面地形探索海底信息做出了尝试。

基于海洋水准的海面动力地形研究

本文根据东经100°～170°,北纬0°～50°的西北太平洋海域1930～1990年的大量海洋和气象资料,以深海等压面1000,1500,2000,2500和3000db为依据,按动力学原理,计算了面积约3000多万平方公里广阔海域的动力深度及其偏差。并以标准海面为基准,绘制了迄今最为精细的海面动力地形图。通过与全球海面动力地形的比较,研究了该海域海面地形的起伏特征,发现了苏禄海盆地及其周围海域海面起伏的异常区,初步研究了它的形成机制。

俯冲板片熔融柱的数值模拟:上覆板块破坏及动力地形效应

洋壳俯冲过程中温度、压力升高和密度差异,可导致俯冲板片熔融柱的快速上涌,并作用在上覆板块岩石圈地幔底部,从而导致岩石圈的破坏减薄以及地表形态的剧烈变化,该过程类似于地幔柱对岩石圈的破坏作用。目前,对于俯冲板片熔融柱的形成及其对岩石圈破坏程度的研究相对较少,特别是地表动力地形变化与深部岩石圈破坏作用之间的响应关系依然不清楚。为此,本文将利用I2VIS有限差分方法,基于质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程,通过给定材料参数和一定边界条件,计算揭示俯冲洋壳在不同时间和不同深度下发生部分熔融并形成俯冲板片熔融柱的过程,从而模拟再现该熔融柱对上覆板块岩石圈的破坏过程,并进一步分析其导致的浅部地表地形变化响应。数值模拟结果显示,在大洋板片俯冲过程中,由俯冲的陆源沉积物以及洋壳形成的混合熔融柱垂向侵蚀岩石圈底部,造成岩石圈减薄。在熔融柱的横向侵蚀过程中,岩石圈地幔熔融范围增加,可达300km。在地形变化方面,板块俯冲造成大陆前缘受挤压变形,引起构造变形,构造变形范围可达300km。同时,与俯冲相关形成的熔融柱对岩石圈地幔底部的侵蚀作用逐渐增强,动力地形变化幅度增大,并持续抬升,最终可垂向抬升至4km。动力地形的变化范围局限在300km以内,这与岩石圈地幔的破坏范围保持一致。

基于区域滤波的GOCE稳态海面动力地形和地转流

基于频域法,利用最新的GOCE卫星重力场模型和卫星测高数据计算了稳态海面动力地形.结合海洋表层漂流浮标的观测结果,对稳态海面动力地形进行了最优空间滤波尺度分析,给出了区域、纬度带和全球稳态海面动力地形的最优空间滤波尺度因子.在此基础上,给出了全球和区域地转流.结果表明:在中高纬度和全球区域,可以分别获得空间尺度优于102km和127km的稳态海面动力地形信息.与海洋表层漂流浮标对比可知,在强流区域,采用稳态海面动力地形得到的地转流速可以解释观测浮标流速的70%;在中高纬度区域,由GOCE重力场得到的地转流略优于对应的GRACE结果;在近赤道区域,由GOCE重力场得到的地转流精度略低于对应的GRACE结果;在北大西洋和阿古拉斯强流区域,由GOCE得到的地转流场明显优于对应的GRACE结果,其精度分别提高了16%和24%.

动力地形控制下的大河水系演化

大河既是人类文明的发源地,也是大陆地貌乃至地球表层系统中最重要的组成部分。大河水系形成与演化的决定性因素是大陆构造演化引起地形的改变。传统观念认为,大河水系的演化主要受板块构造的影响即“构造地形”,但越来越多的证据表明,地球地形并非单纯由板块水平运动塑造,还包括由地幔对流造成的“动力地形”的影响。从深部地幔对流控制下的动力地形与地貌演化模型两方面,分别介绍了其概念,模拟计算以及模型验证。并以北美、澳大利亚、南美以及非洲的大河水系演化为例,阐明了大河水系的演化与长波长动力地形之间存在的耦合关系,相对于构造作用的局部影响,长波长动力地形能影响甚至改变大陆尺度上的水系演化模式。最后简要综述了亚洲的构造背景及动力地形研究进展,亚洲特别是东亚地区从侏罗世开始就受到了多阶段板块汇聚与俯冲的影响,动力地形情况复杂,但最近的研究表明东亚地区的水系演化与动力地形之间存在相应联系,这对亚洲地区的构造—沉积演化研究具有重要的指示意义。

我国的近海海面动力地形分析

海面动力地形对大地测量学和海洋学研究均具有十分重要的意义。目前确定海面动力地形的方法主要分为水文法、漂流浮标轨迹以及大地测量法三种。本文利用以上方法解算了中国近海区域海面地形,给出了不同方法得到的中国近海海面地形图,分析了不同方法的优缺点。

南海海面高度、动力地形和环流的周年变化——TOPEX/Poseidon卫星测高应用研究

用1993-1999年的TOPEX/Poseidon卫星测高资料,分析了南海海面高度距平场(SSHA)的平均周年变化;结合历史水文资料,反演了多年平均的逐月海面动力地形;探讨了南海动力地形及其所反映的上层环流季节特征和演变规律.分析表明,南海大尺度环流的周年演替可分为4个阶段.冬季(11-2月)南海环流表现为以北部气旋环流为主的气旋型双圈结构,相关的特征还包括吕宋海峡的黑潮入侵和加里曼丹岛西北外海的东北向离岸流,春季(3-4月)气旋型双圈结构解体,北部的气旋型环流依然维持,南部环流则向反气旋型演变,大尺度环流结构呈现偶极子特征.夏季(5-7月)和秋季(8-10月)海盆内部不存在明显封闭的大尺度环流,环流以西南-东北流向的季风急流为主要特征,但夏、秋流态有较大差别,5-7月季风急流贴中南半岛北上,在海南岛东南18°N附近沿地形折向东形成反气旋型弯曲,穿越南海后再折向东北.8-10月季风急流在13°N附近即离开中南半岛海岸进入海盆中部,其流态转变为气旋型.在春、夏、秋三季,黑潮的入侵都不明显.上述变化规律显示南海环流的动力调整在季风盛期过后就已经开始.

长周期动力形态模型中地形演变方法探讨

PRD-LTMM是一个模拟和描述三角洲地形中、长期演变过程的动力形态模型.在长时间尺度的模拟过程中,必须从模型输入、模型物理系统本身到模型输出等各个角度考虑模拟约减处理.代表性输入条件是实现模型约减的基础,而地形时间的步长延长是提高长周期模型模拟效率的关键.延长技术通常有直接推延、时间中心推延、潮汐延展及泥沙输运率公式线性化等四种方法.通过系列敏感性试验,对PRD-LTMM模型选择潮汐延展技术来进行地形时间步长的延长处理,推延的时间长度为10 a,基于此条件下的PRD-LTMM在长周期模拟中不仅稳定性较好,而且结果也较精确.

利用卫星大地测量技术研究海面动力地形及地转流的进展

随着卫星大地测量技术的发展,平均海平面高度与大地水准面资料的分辨率和精度得到大幅提高,这为确定高精度高分辨率的海面动力地形提供了条件,进而也促进了海面动力地形及地转流研究的发展.本文从数据资料、计算方法、空间尺度分析、误差分析及多源数据融合五个方面总结了目前利用卫星大地测量技术研究海面动力地形及地转流的进展.在此基础上,对目前该研究中存在的问题进行了分析,并对该研究今后的重点发展方向进行了展望.

地形动力作用对华北暴雨和云系影响的数值研究

为了进一步研究地形对华北暴雨的影响，本文从云微物理学的角度出发，选取了2005年7月22～24日的一次华北暴雨过程为研究对象，利用中尺度数值模式ARPS，通过地形高度敏感性试验，详细讨论了地形高度变化对流场、云及降水微物理过程的影响。结果表明：地形高度变化对水平和垂直流场的大小和分布都有较大影响；地形高度增加有利于迎风坡附近水平风场辐合和垂直上升运动发展，这对云的垂直和水平发展影响都很大，尤其是对中高层云的发展影响最明显，并且能明显扩大地面降水的分布范围，地面最大降水量也有所增多。这主要是由于地形高度增加后能促进中高层云水的产生，尤其是零度层之上的过冷云水含量的增多，这大大促进了冰相粒子（雪和霰）的增多，从而使得以冷云过程为主的此次降水过程中，冰相粒子融化形成的雨水含量增多。虽然地形高度的增加会抑制云系发展前期的暖云过程，但对冷云过程有持续加强作用，而且不会明显改变云内降水的形成机制，冷云过程依然是降水的最大贡献项，总体上促进了云和降水的发展。

常波况下前滨剖面地形动力过程分析

利用在粤东后江湾多日逐时连续观测的近岸波浪、流、海滩潜水位和海滩前滨剖面地形数据,通过典型相关分析方法提取了占总方差90%以上的4个显著的典型相关变量,进而分别论述了常波况下海滩前滨剖面不同部位的地形动力过程。

岬间海滩碎波带三维地形快速变化的地形动力过程分析

根据粤东一岬间海滩碎波带短期实测的地形和波浪等资料，分析了此海滩碎波带的地形动力学特征与三维地形组合。结果表明，在正常波况下，此海滩碎波带显示了以砂坝-裂流槽谷为主的多种地形组合的变化过程。

0709号台风影响下粤东后江湾海滩地形动力过程研究

基于0709号台风"圣帕"影响下粤东后江湾的现场实测海滩前滨地形资料和水动力、风等资料,采用典型相关分析方法识别了台风影响下海滩前滨地形不同的变化过程,揭示了这些不同变化过程的主要控制因子,并尝试给出了物理解释。研究结果表明:(1)台风影响下海滩前滨地形的主要变化过程是水上滩肩被破坏—水下岸坡略有堆积—水下沙坝泥沙向海搬运,控制这一过程的主要动力因子是风速东向量、最大波高和碎波尺度参数;(2)海滩前滨地形的次要变化过程是海滩前滨泥沙向海搬运而形成水下沙坝,控制这一过程的主要动力因子是最大波周期和海滩地下水位;(3)海滩前滨地形也表现出前滨上部地带堆积、下部侵蚀的变化过程,控制这一过程的主要动力因子是沿岸流、海滩地下水位和最大波高。这些研究结果进一步揭示了台风影响下海滩前滨地形动力过程是由多个不同的地形-动力过程耦合作用而组成。

基于地形动力学的海滩裂流安全性评价——以三亚大东海为例

文章基于海滩地形动力学模型建立了海滩安全性评价方法,认为低潮沙坝/裂流海滩类和沙坝类海滩出现裂流概率最大,沙坝消散类和有裂流的低潮台地类海滩裂流风险中等,没有裂流的低潮台地海滩、没有沙坝的消散海滩、超消散型、完全反射型海滩裂流风险很小。以三亚大东海为例,利用该评价方法分析了海滩溺水事故频发的原因,结果显示:1)该海滩状态以沙坝型和低潮沙坝/裂流海滩型为主,属于高风险海滩,此结论与当地救生实践吻合;2)该海滩溺水事故发生的根本原因为裂流危险性高,故容易发生溺水事故。

华南海岸岬间海滩地形动力状态类型研究

海滩地形动力状态分类对于理解近岸带动形动力过程、海滩浴场风险评估等方面有重要的意义。收集了华南51个岬间海滩波高、波周期、潮差和泥沙粒径等地形动力要素特征值,利用分层聚类分析方法,同时结合海滩相对潮差分类模型,对华南岬间海滩的类型进行了探讨,结果表明:(1)华南岬间海滩可以聚类成7个类型。通过与相关的现场观测比较,各类型在地形组合上具有各自的显著特征;(2)聚类分析结果能很好的区分中到大潮差海岸与小潮差海滩之间的差异,与相对潮差模型结果一致。对于小潮差海滩,聚类结果与相对潮差模型有一定的差异,表明华南小潮差海滩的分类还需要进一步深入研究。