浙闽海域冬季悬沙锋的次中尺度现象

次中尺度运动是海洋中重要的动力过程,但是目前对浙闽海域悬沙锋的次中尺度现象及其动力特征的关注较少。本文基于高时空分辨率的GOCI卫星遥感影像、实测表层悬沙浓度数据以及海表涡流数据等,研究了悬沙锋时空分布特征及其次中尺度过程。研究结果表明,浙闽近岸的悬沙锋在冬季普遍发育,主要分布在浙闽海域20~25m等深线附近,但在浙江北部约29°N海域和台湾岛北部26~27°N海域锋面向海突出,指示了近海高浓度悬浮泥沙的向海输运;浙闽悬沙锋次中尺度现象显著,多表现相对涡度的气旋性涡旋;悬沙锋位置逐步向南移动,主要与冬季偏北风产生的西南向沿岸流有关;冬季大风事件有利于锋面次中尺度过程发育。

西北太平洋亚北极锋区热盐入侵结构及次中尺度演化过程分析

为分析锋面内热盐入侵的精细结构及次中尺度动力演化过程,基于2019年6月期间调查获取的西太平洋亚北极锋区上层高分辨率观测数据,开展了海洋过程研究的数值模拟。观测表明,亚北极锋冷水侧存在由亲潮水及黑潮延伸体水混合形成的高温高盐入侵水,其垂直尺度为70 m (20~90 m),水平宽度约为6 km,密度与周围水体基本一致。采用观测数据驱动三维非静力海洋过程模型进行了模拟和拉格朗日粒子追踪,分析了入侵水形成过程中水体动力学参数变化。模拟再现了与观测类似的热盐入侵结构,入侵水形成后的垂直浮力梯度及Ertel位涡增强,而水平浮力梯度则基本不变;以对称不稳定性为主的次中尺度过程对热盐入侵的形成产生了重要的影响;锋面混合过程中出现的次中尺度涡可能是导致热盐入侵水出现的原因。

海洋次中尺度现象调查概述

海洋次中尺度现象伴随着剧烈的温盐梯度和强流,对海洋中的物质和能量交换产生重要影响。但由于次中尺度现象具有空间尺度小、时间变化快等特点,对其三维结构的现场调查仍较匮乏,制约了对其动力学和热力学机制的理解和认识。为了对海洋次中尺度现象调查方案设计提供参考,论述了目前海洋学主流观测手段在次中尺度现象观测的适用性,详细介绍了国际上大型次中尺度现象调查实验的作业方案,总结了各种调查方案的优缺点,最后对次中尺度现象的调查提出了意见建议。

海洋中尺度涡旋边缘次中尺度锋面调查方法研究

海洋中尺度涡旋与其边缘的次中尺度锋面之间存在强烈的物质和能量交换以及复杂的动力过程。目前,对中尺度涡旋的调查研究已经日趋成熟,但由于次中尺度锋面的空间尺度小、时间变化快,对其三维结构的调查存在较大挑战。本文提出一种海洋中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的调查方法。首先利用多源卫星遥感数据对中尺度涡旋及其边缘的次中尺度锋面进行识别,然后使用多型船载调查设备进行多学科综合调查。利用该方法对2023年8月21日至8月25日黑潮延伸体海域一个典型涡旋边缘次中尺度锋面进行调查方案设计。本文提出的调查方法可以有效地实现对中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的识别、追踪与调查。

基于Argos漂流浮标资料的南海及邻近海域次中尺度涡识别及特征分析

次中尺度涡作为连接中尺度涡和微小湍流之间的纽带,对海洋中能量串级和物质输运具有重要的影响。为研究南海及邻近海域次中尺度涡的分布特征和变化规律,本文开发了一种基于拉格朗日漂流轨迹几何特征的次中尺度涡识别方法,并对全球浮标计划中2000年至2022年进入研究海域的1 685个Argos漂流浮标轨迹数据进行了分析,共识别得到11 988个次中尺度涡。研究海域次中尺度涡的半径和生命周期呈正相关,多在3 km和24 h以内,反气旋涡与气旋涡数量之比约为5∶1。次中尺度涡高频出现于南海北部,由吕宋海峡西北部沿陆坡向西南方向递减。在中南半岛南部,次中尺度气旋涡相对更为活跃。研究海域次中尺度涡季节变化信号明显,冬、夏季相对活跃,春、秋季较少。

南海西部夏季上升流锋面的次中尺度特征分析

利用卫星遥感资料和区域海洋数值模式ROMS(regional ocean modeling system)高分辨率数值模拟结果,对南海西部夏季上升流锋面的次中尺度特征及其非地转过程进行了探讨。高分辨率卫星遥感观测和数值模拟结果显示,南海西部夏季锋面海域存在活跃的次中尺度现象,其水平尺度约为1~10km,且具有O(1)罗斯贝数(Rossbynumber,Ro)的典型次中尺度动力学特征。进一步的诊断分析表明,在夏季西南风的驱动下,沿锋面射流方向的风应力(down-frontwind stress)引起的跨锋面埃克曼输运有利于将海水由锋面冷水侧向暖水侧输运,减小了锋面海域的垂向层结和Ertel位涡,加剧了锋面的不稳定,并形成跨锋面的垂向次级环流。高分辨率模拟结果显示,锋面海域最大垂向流速可达100m·d^-1,显著增强了上层海洋的垂向物质交换。因此,活跃在锋面海域的次中尺度过程可能是增强南海西部上升流海域垂向物质交换的重要贡献者。

南海北部次中尺度过程数值研究

近年来的观测与理论研究发现,海洋上混合层存在一类水平尺度为0.1~10km、时间尺度为~O(1天)的重要物理过程,称之为次中尺度过程。该过程具有较大的罗斯贝数(Ro)和较小的理查森数(Ri),它能有效地通过次级不稳定从中尺度地转过程中汲取能量,并向小尺度湍流混合串级,从而对上层海洋物质能量输运、中尺度过程变异、海气相互作用,以及混合层再分层等产生重要影响。利用区域海洋模式系统ROMS(Regional Ocean Modeling System)进行水平分辨率约为1km的高分辨率数值实验,对南海北部的次中尺度过程进行了初步探讨。分析结果表明,南海北部海域有着丰富的中尺度涡旋与海洋锋面活动,且涡旋与锋区边缘存在显著的次中尺度现象。通过对次中尺度涡旋个例的稳定性和能量分析发现,锋面海域强烈的水平浮力梯度导致了涡丝边缘的Ertel位涡小于0,并引起对称不稳定,锋生作用是该次中尺涡旋南侧发生对称不稳定的主要动力机制。同时,对称不稳定能有效地从地转剪切中汲取能量并向小尺度湍流混合串级,其能量汲取的最大值出现在20m深度,约为4×10^(–7)W×kg^(–1)。

黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化研究

近年来的现场观测和理论研究发现,次中尺度现象广泛存在于上层海洋,其产生与锋生作用及混合层斜压不稳定存在密切联系。本文利用高分辨率的数值模拟结果并结合动力学及能量诊断分析,对黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化进行了探讨。探讨结果表明,黑潮延伸体海域次中尺度过程具有冬季最强,春季和秋季次之,夏季最弱的显著季节变化特征。基于冬、夏季次中尺度能量源的诊断可以看到,这些季节变化特征主要与上层海洋的斜压不稳定和锋生作用有关。冬季,黑潮延伸体海域的中尺度能量较弱,但次中尺度过程在季节尺度上表现最为活跃,这主要与混合层斜压不稳定的作用有关;夏季,黑潮延伸体海域的混合层较浅,次中尺度过程较弱,但中尺度涡旋活跃,中尺度流场变形引起的锋生作用对夏季次中尺度现象的产生具有重要影响。在次中尺度能量的季节变化方面,冬季次中尺度过程从中尺度过程汲取能量的速率远高于夏季,这是冬季次中尺度过程比夏季更为活跃的主要原因。本文研究结果有助于加深对黑潮延伸体海域次中尺度过程季节性变化及其动力机制的理解。

黑潮延伸体海域典型涡旋的次中尺度特征分析

本文基于卫星遥感资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模拟结果,对黑潮延伸体海域典型中尺度涡旋的次中尺度特征进行了探讨。卫星观测和模拟结果显示,黑潮延伸体涡旋海域伴随着活跃的次中尺度现象。涡旋演变与多尺度能量分析结果表明,涡旋海域次中尺度动能的强弱与涡旋海域地转流动能有着密切联系,锋生可能是涡旋边缘次中尺度动能增强的重要机制。次中尺度现象在中尺度涡旋海域具有沿地转流方向的复杂涡丝状结构特征,意味着涡旋边缘较强的水平浮力梯度和地转流侧向剪切为次中尺度过程形成与发展提供了有利条件。此外,垂向结构分析表明,次中尺度过程能引起较大的垂向速度,最大可达100m·day^(-1),该垂向速度可以影响至混合层下200m深度处,对海洋内部的垂向物质能量交换、海—气相互作用等有着重要的影响。

南海北部反气旋涡旋边缘的次中尺度动力过程分析

广泛存在于上层海洋的次中尺度过程能有效地从平衡态的中尺度地转剪切中汲取动能,并通过非地转斜压不稳定正向串级能量至小尺度的耗散过程,从而对海洋物质能量输运、中尺度过程变异以及混合层再层化等产生重要影响。文章利用高分辨率(500m)的区域海洋数值模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)模拟结果,并结合理论分析,对南海北部冬季典型反气旋涡的次中尺度动力过程进行了初步探讨。研究结果表明,典型中尺度涡边缘存在显著的锋面,锋面海域强烈的水平浮力梯度能有效地减小Ertel位涡,有利于诱发次中尺度对称不稳定(symmetric instability);锋生作用是引起该中尺度涡边缘发生对称不稳定的主要动力机制之一。同时,次中尺度过程及其不稳定引起的垂向次级环流显著增强了混合层垂向物质能量交换,最大垂向速度可达95m·d^(-1),影响深度最深至80m。

基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性分析

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km,时间尺度约为1天,里查森数和罗斯贝数为0(1),能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级,并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果,采用方差椭圆方法,评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征,并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明,黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域,主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域,各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系,表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制,较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。

南海上层海洋次中尺度过程空间差异和季节变化特征

南海是西太平洋最大的边缘海,由于受季风影响显著以及北部海域的黑潮入侵,其动力环境复杂多变,次中尺度过程丰富,且在空间上和时间上存在多变性。文章基于高分辨率数值模式的结果,通过对次中尺度动力参数的分析,对比讨论了南海北部、中部、西部和南部海域4个典型子区域上层海洋次中尺度过程的空间差异、季节变化、影响深度、影响因素等问题。研究发现各区域季节性变化特征和机制有所不同:北部海域受冬季风和黑潮入侵影响,冬季次中尺度的混合层不稳定较强;中部海域同样表现为“冬强夏弱”;西部海域受夏季风影响显著,夏季次中尺度过程更为活跃;而南部海域主要受岛屿地形影响较大,容易产生地形尾涡,季节性特征不明显。统计分析表明,次中尺度过程往往表现出强正相对涡度与高应变特征,在表层更容易出现负位涡,流体稳定性较差。此外,文章从能量学角度对次中尺度过程的主要能量来源、控制因素等进行了讨论。

黑潮流区次中尺度热量输运特征——以2013年1月模拟结果为例

作为中尺度过程与小尺度过程中的过渡,次中尺度过程[空间尺度为O(1~10)km,时间尺度为O(1)天]是海洋动力过程中重要的一环。海洋次中尺度过程具有明显的非地转特征,从而促进垂向热量和物质的输运,因此在海洋上层热量与物质垂直交换中肩负着极为重要的作用。黑潮作为全球最强的西边界流之一,是海洋能量的重要聚集区。针对黑潮流区大尺度环流和中尺度涡旋等动力过程的研究,受到海洋和气象学者的广泛关注,但对黑潮流区次中尺度过程的相关研究相对较少。本文基于高分辨率ROMS数值模式(空间分辨率为1公里),针对黑潮流区(25.5°~29.4°N, 124.4°~131°E)次中尺度过程的空间分布特征及其诱导的热量输运特征进行了研究。模拟结果表明,黑潮流区存在着十分活跃的次中尺度过程,尤其是在黑潮流区及岛屿周边等地形变化剧烈的海区。相对涡度和垂直流速的分布特征表明,次中尺度相对涡度和垂向流速上表现出了明显的不对称性,正相对涡度强于负相对涡度,向下垂向流速强于向上垂向流速,而这主要是由惯性不稳定所导致。通过计算次中尺度引起的热量输运,结果表明次中尺度的水平热量通量为东北方向,从较低纬度朝较高纬度输运,这意味着次中尺度可以促进不同纬度的热量交换;而垂向热量通量则表现出向上输运的特征,即由深层往表层输运,这意味着次中尺度过程可以导致热量在垂直方向上的再分配,从而使得海洋趋于再分层。

论中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格垂直通量的影响

较系统地阐述了中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格通量的影响方式和作用机制 ,提出了在大尺度模式中参数化次网格中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强的思想方法 ,初步分析了这些参数化方法的缺陷和局限性 ,对几个在参数化中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强时应重点考虑的关键因子提出了建议。最后 。

一次中尺度对流复合体(MCC)过程分析

2002年6月13日晚,云南省出现了一次强对流天气过程并影响到昆明,雷暴持续时间超过6小时,降雨量达80余毫米。分析气象卫星云图发现:红外温度≤-32℃的云罩面积大于100000平方公里,红外温度≤-52℃的冷云区面积大于50000平方公里,并且持续时间达6个多小时,是一次典型的MCC引起的强对流天气过程。一、环流背景及天气尺度特征 MCC一般是在有利的环流背景下,在特定的天气尺度环境中生成和发展的。分析6月13日天气形势,500hpa高空图0000时(UTC,以下同)显示:西太平洋副高偏南,青藏高原巴颜克拉山脉有一闭合小高压,小高压东南侧成都-昌都一线有一准东西向切变线。

次重力波对宽刈幅高度计海表面高度观测的影响

次重力波(Infragravity Wave,IGW)是一种频率较低(0.05～0.005 Hz),波长较长(约10 km)的表面重力波。由IGW引起的海表面高度变化会被宽刈幅干涉高度计SWOT(Surface Water and Ocean Topography,SWOT)卫星观测到,因此在使用SWOT观测的海表面高度来反演中尺度、次中尺度大洋环流时,IGW是一种重要的误差来源。根据数值模型模拟的全球IGW时空分布特征,本文以IGW最为活跃的东北太平洋和欧洲西北陆架附近大西洋为研究海域,估算了上述海域由IGW所引起的海表面高度变化,并将计算结果与SWOT Simulator模拟的轨道噪声(±5 cm)比较,首次定量地估算了IGW在SWOT观测海表面高度时的干扰程度。研究表明,IGW所引起的厘米量级的海表面高度变化在SWOT卫星观测海表面流场时是一种重要的,不可忽略的误差来源。在大西洋欧洲西北陆架海域,冬季IGW对海表面高度的贡献可达到SWOT卫星噪声要求水平的25%;然而,对于大陆架狭窄的美国西岸太平洋而言,由岸线产生的IGW将迅速传入深海海域,在广阔的范围内产生显著的"噪声"影响,在SWOT反演海表面流场时由IGW引起的误差将达到SWOT卫星噪声要求水平的15%。

VIIRS和AVHRR海表温度场空间精细度估算

对上层海洋次中尺度过程研究至关重要的卫星海表温度(Sea Surface Temperature,SST)场的空间精细度一直未受到足够重视。由于卫星SST产品反演噪声的影响和实测数据的缺乏等原因,目前对卫星SST场空间精细度的研究受到较大限制。本研究开发了一套估算卫星SST场空间精细度的方法,将Suomi National Polar-orbiting Partnership卫星Visible Infrared Imager Radiometer Suite(Suomi-NPP/VIIRS)和NOAA-15卫星Advanced Very High Resolution Radiometer(NOAA-15/AVHRR)Level-2 SST场的空间能量谱与长时间在同一航线反复观测的高空间分辨率实测海温数据的空间能量谱进行了比较。研究发现VIIRS SST场夜间沿扫描方向在1.5~50 km尺度对海表温度空间能量的分布特征和变化趋势描述准确,日变化导致VIIRS白天场次中尺度空间谱能量相对夜晚有所增加。AVHRR SST场空间谱能量在次中尺度相比VIIRS有较大升高。

基于多源数据的西北印度洋涡旋时空分布及大气响应

【目的】基于多数据集研究西北印度洋涡旋的统计分布规律及其大气响应。【方法】通过高度计数据以及漂流浮标数据对西北印度洋从1993-2012年以来中尺度涡旋进行探测识别及统计分析。【结果】用高度计数据共探测到84551个中尺度涡旋,其中气旋涡44120个,反气旋涡40431个。其数量大概是海洋浮标探测到的涡旋数量的20倍,且涡旋大小、涡旋生命时长均比海洋漂流浮标探测到的要大。由高度计探测到的中尺度涡旋没有明显季节以及年度变化趋势,但由海洋漂流浮标探测到的中尺度以及次中尺度涡旋则表现出一定的季节性变化趋势。另外,通过比对探测到的涡旋与其上空大气场发现,反气旋涡上空对应正的风应力旋度异常,气旋涡上空对应负的风应力旋度异常。【结论】西北印度洋的次中尺度涡旋应该存在季节性变化趋势;反气旋涡使上空风速加快,而气旋涡则使上空风速减慢。

雅浦-马里亚纳海沟连接区深层流季节内变异的特征和机制

雅浦-马里亚纳海沟连接区东深水通道是太平洋深层经向翻转环流携带南极绕极水进入西太平洋的首要入口。基于高分辨率的再分析数值模型结果,研究发现该通道深层流速和温度具有显著的40~90d周期的季节内变异,且季节内变异强度随深度的增加而增加,进一步研究揭示地形罗斯贝波(topographic Rossby waves,TRW)是引起上述季节内变异的主要原因,TRW波解可以解释深层流和温度季节内振幅的垂向变化。通过建立全水体的动力关联研究发现TRW在不同时刻具有不同的能量来源,首先次表层强涡旋经过时可以通过位涡守恒激发深层的TRW;第二,大洋中层存在的强涡旋也可激发深层的TRW;第三,深层平均流可以主要通过正压不稳定过程向季节内TRW提供能量。