黑潮延伸区的海平面异常和中尺度涡的统计分析

利用1993～2004年卫星高度计TP/Jason-1和ERS/ENVISAT提供的海平面异常(SLA)融合数据,分析了黑潮延伸区12年来的平均海平面异常的变化特征及中尺度涡的分布规律。研究表明,在黑潮延伸区海平面异常(SLA)呈递增趋势,年平均上升率为8.89mm/a,显著性周期是1年、0.5年和6年;黑潮延伸区的海平面异常和海表面温度异常的低频分量与Nino3指数具有较高的相关性。这说明,黑潮延伸区的海平面变化和海表面温度与厄尔尼诺事件密切相关,都受到黑潮变化的密切影响。在日本东部的黑潮延伸区,中尺度涡自东向西移动,寿命约为1年,移动速度大约是10经度/年。气旋涡和反气旋涡的面积呈现几乎同步增减的规律,均呈年周期变化,上半年少,下半年多。在1997～1998年,黑潮延伸区内中尺度涡的面积显著减小,并且正好对应于Nino3指数极大值出现的年份。因此,黑潮延伸区内中尺度涡的数量和强度也与厄尔尼诺事件密切相关。

2005～2010年南海海平面异常升高的特征与机制

利用高分辨率卫星高度计观测海平面异常（SLA）数据, 结合潮位站观测资料, 研究2005-2010 年南海海平面异常升高的空间分布特征.结果表明, 南海海平面显著上升, 平均速率为17mm·a^–1, 上升速率在空间分布上存在显著差异.速率最大的海域出现在南海中西部, 大于30mm·a^–1, 而南海南部海域上升速率则相对较小, 大约为12mm·a^–1, 潮位站的观测结果与卫星高度计观测结果一致.1993-2004 年期间南海海平面线性变化主要与海面经向风场变化导致的海面温度变化密切相关; 2005-2010 年3 次强La Nina 事件导致南海呈显著的正SLA; 此外, 受南方涛动、北太平洋的年代际振荡（PDO）等的低频变化影响, 南海中部海盆呈显著的东风异常, 由此在南海中西部海域产生负的风应力旋度, 是该海区海平面显著上升的另一重要因素.

黑潮延伸体区海平面异常和中尺度涡的时空特征分析

利用1993—2010年间的卫星高度计资料,用EOF方法及小波分析研究了黑潮延伸体区域的海平面异常和中尺度涡的时空变化特征。研究结果表明:海平面EOF第一模态是季节模态,与该海域风应力旋度第一模态类似,相关系数达0.65。EOF第二模态主要反映了黑潮南部次级环流的变化情况,显著性周期是8—10年。通过相关分析发现黑潮延伸体南部次级环流的年代际变化与PDO有关,同时它又与风应力旋度第二模态有关;该海域的海面高度受到北太平洋东部SSH信号西传的影响,信号的传播需要大约3—4年时间。EOF第三模态是黑潮弯曲模态。日本南部的气旋涡和反气旋涡可以表征黑潮弯曲的形成,而且弯曲强度和涡的持续时间、强度和位置有关。

联合多代卫星测高数据构建中国近海及邻域海平面异常序列

首先给出海面高的计算方法,并引入基于高斯滤波的粗差探测方法,有效地剔除了各弧段测高数据存在的粗差。通过对3颗卫星同步运行段测高数据的分析,得到3组数据在中国近海及邻域的平均偏差分别为:Jason-1相对T/P需改正-8.77 cm;Jason-2相对Jason-1需改正-7.33 cm,两者均小于其在全球海域的改正值。以T/P测高数据所得平均海平面为基础,利用改正后的Jason-1、Jason-2数据,得到该海域18年海平面异常时间序列,海平面平均上升速率约为4.9 mm/a。分别对中国近海各海域海平面异常时间序列进行分析,得到渤海、黄海、东海及南海的海平面平均上升速率分别为:2.5 mm/a、3.2 mm/a、3.6 mm/a和6.2 mm/a。将所得每周期离散正常点的观测数据格网化,然后逐格网计算海平面异常时间序列,得到研究海域18年来海平面异常平均上升速率的分布情况。结果表明,研究海域海平面上升速率高于全球平均水平。

海平面异常序列预报方法的比较与分析

总结和分析多种海平面异常的预报方法,并利用卫星测高数据得到的海平面异常序列,对各种方法的实际预报效果进行比较分析。结果表明,利用人工神经网络方法进行海平面异常的预报效果优于其他几种方法。

近45年E1 Nino发生前后珠江口季风强度与海平面异常分析

根据珠江口气象站风速与潮汐站潮位资料，对1955～1998年12次El Nino过程的珠江口季风强度与海平面变化特点进行合成分析，结果表明，El Nino发生前一年冬季，珠江口冬季平均风速较常年值大0.4 m/s，El Nino发生当年，月平均风速也普遍大于常年，而月平均海平面则普遍较常年偏低，其中10与11月份负距平为6 cm左右。东亚地区的季风异常对珠江口海平面异常有着重大的影响。

基于最小二乘与ARMA组合模型的海平面异常预报

利用最小二乘模型对海平面异常信号中的周期项及线性趋势项进行拟合预报,残差部分则采用ARMA模型预报。对北太平洋试验区域的预报结果表明,1年的预报精度为0.29 cm,两年的预报精度为0.63 cm,说明该模型能够以亚厘米级精度有效进行短期SLA预报。

地震前海平面异常变化和机理研究

根据国内外沿海大地震前后海平面变化的实例，分析海平面变化的前兆意义。资料证实，大部分近海大地震前存在局部海域可以识别的海平面异常变化。１９世纪以来，世界各地的验潮站记录了大量与地震有关的海平面变化实例，为定量分析提供了可能。最有代表的标准震例是１９４１年１１月２５日葡萄牙亚速尔群岛８．３级大地震，我国渤海１９６９年７月１８日７．４级地震前后烟台站的验潮记录也显示出显著异常。海域构造环境和地震发生机制不同，海平面异常变化特点也有所区别。本文划分了板块碰撞边界、离散边界、转换断层和陆缘海４种类型。板块碰撞边界地震以１９４１年亚速尔群岛地震及１９６０年智利地震为代表；陆缘海包括弧后盆地与陆缘裂谷盆地，以１９６４年日本新泻地震和１９６９年中国渤海地震为代表；转换断层海岸震前升降运动不明显，以１９０６年美国旧金山地震和１９３３年美国长滩地震为代表；至于板块离散边界地区，尚未见到有关报导。

热带太平洋海域低频海平面异常信号研究

基于1992年11月—2007年5月的高度计资料,分析了热带太平洋海域年际变化的海平面异常,发现:1)周期为24～42个月的海平面异常携带着较完整的ENSO信息;2)SLA_2442的循环不仅存在于强厄尔尼诺时期,也存在于弱厄尔尼诺时期,甚至会发生在非厄尔尼诺时期;3)在各循环中,南北半球都存在SLA_2442信号的循环回路,呈皆扁"O"形,但关于赤道不对称,其纬向通道分别位于赤道、9.86°N和8°S附近。

孟加拉湾海平面异常的年际变化及其对ENSO的响应

利用卫星高度计数据分析了1993年1月至2009年12月孟加拉湾海平面变化特征。分析表明,孟加拉湾海平面的平均上升速率为1.9mm/a。孟加拉湾SLA(海平面异常)明显地受ENSO(厄尔尼诺与南方涛动)循环的调制,前者对东太平洋海表面温度异常Nino3指数呈现显著的反位相相关。厄尔尼诺事件发生时(如1997年),孟加拉湾平均SLA呈现负值;拉尼娜事件发生时(如1998年),孟加拉湾平均SLA呈现正值。ENSO循环通过孟加拉湾海域风场异常和赤道处的西风异常来影响孟加拉湾SLA。厄尔尼诺事件发生前,首先在西太/东印度洋出现赤道西风异常,之后孟加拉湾上空出现反气旋式风场异常,通过Ekman抽吸使得海湾四周的海平面异常下降,海湾中心的海平面异常上升;拉尼娜事件发生时则正好相反。比容海平面异常对孟加拉湾平均海平面异常的年际变化也有贡献。经小波相干分析发现,在3.5—5.0年周期的范围,孟加拉湾的比容海平面异常和Nino3指数存在位相相反的相干;由于孟加拉湾是西太-东印度洋暖池的一部分,当厄尔尼诺事件发生时,暖池温度下降,孟加拉湾海水温度也下降,故热胀冷缩引起比容海平面降低。

云南夏秋连续干旱事件及前期海平面气压异常信号

近十多年来云南地区多次发生极端的季节性连续干旱,尤其是夏季、秋季的连续干旱会加重传统冬、春季节干旱的危害,给当地经济和社会活动造成了严重的影响。本文基于1970~2019年云南省气象局120站降水数据及NCEP海平面气压场数据,从降水持续性异常指数出发,分析了云南夏、秋季节连续干旱事件发生的演变特征,进而探究了该区域夏秋连续干旱事件与前期4月海平面气压的可能联系,以期能够在极端干旱的预报中提供帮助。研究结果表明:(1)云南夏秋降水持续性异常的主要特征为全省一致的偏多或偏少;(2)云南夏秋连续干旱事件发生前期表现为3个区域海平面气压异常的组合,分别为北大西洋、北印度洋和中太平洋海平面气压异常;(3)由前期4月上述关键信号构建的组合信号指数,能够较好地表征云南夏季、秋季的降水连续异常,是具有意义的潜在前期预报信号。

基于小波变换和LSTM神经网络的格陵兰岛近海海域海平面变化预测

海平面变化包含多种不同时间尺度信息,传统的预测方法仅对海平面变化趋势项、周期项进行拟合,难以利用海平面变化的不同时间尺度信号,使得预测精度不高。本文基于深度学习的预测模型,提出一种融合小波变换(wavelet transform,WT)与LSTM(long short-term memory,LSTM)神经网络的海平面异常组合预测模型。首先利用小波分解得到反映海平面变化总体趋势的低频分量和刻画主要细节信息的高频分量;然后通过LSTM神经网络对代表不同时间尺度的各个分量预测和重构,实现海平面变化的非线性预测。基于该模型的海平面变化预测的均方根误差、平均绝对误差和相关系数分别为12.76 mm、9.94 mm和0.937,预测精度均优于LSTM和EEMD-LSTM预测模型,WT-LSTM组合模型对区域海平面变化预测具有较好的应用价值。

北太平洋区域浅层海温与海平面气压场年代际异常关系的分析

用奇异值分解(SVD)方法,研究了北太平洋区域1、7月浅层海温(ST)异常与同期海平面气压(SLP)异常场的关系.结果表明:(1)统计显著的主要是第一模态,且1月的0～80 m层、7月的20～120 m的上层ST′与SLP′第一模态层际差异很小;(2)年代际变化是该区域海气相互作用的主要时域特征,'突变'发生在1970年代后半期,1月的年代际变化早于7月的1～2年;(3)合成分析表明,年代际变化的环流实质是北太平洋中部前期(1970年代中叶以前)ST持续偏高,相应1(7)月阿留申低压(北太平洋副高)偏弱、位置偏西(变化不明显),而东亚冬(夏)季风偏弱,反之亦然.

中国东部冬季气温与海平面气压异常的关系

采用合成分析、相关分析、EOF方法,分析了中国东部气温与海平面气压异常变化的关系。结果表明:1) 中国东部冬季气温变化的一致性较高;2) 暖冬年和冷冬年海平面气压场合成分析的差异主要在三个区域:中高纬欧亚大陆负(正)距平、青藏高原正(负)距平和中纬度太平洋正(负)距平,对应冬季气温异常偏高(低);3) 相关分析与合成分析的结果一致,从前一年12月~当年2月高相关区主要分布在东半球的三个区域:西伯利亚负相关区,青藏高原和中纬度太平洋正相关区,相关系数达0.3以上,从12月~2月高相关区扩大,相关值增大。与其它区域相关不够稳定且持续时间短,相关系数小;4) 使用相关中心点的SLP序列构造了冬季风强度指数。在年际变化和年代际变化方面,冬季风与气温都表现出相当好的相关性;除过云南的局部地方,中国东部其余所有区域的冬季气温与冬季风指数呈显著的负相关,冬季风强(弱),则气温降低(升高)。

区域平均海平面高度异常的统计预测

本研究基于SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的月平均海洋数据,提取出南海区域平均海平面高度异常(SSHA)的时间序列,并基于该时间序列开展了统计预测工作。研究中使用时间序列分解方法,将南海区域平均逐月SSHA时间序列分解为3个部分:年际变化项、季节项和扰动项。根据分解出的这3项时间序列变化特征,分别使用指数平滑法和自回归移动平均法去拟合时间序列中的年际变化项和扰动项,季节项将作为循环变化项叠加到前两项上。由此,建立了适用于该时间序列的预测模型,并且测试了该模型的预测能力。结果显示,研究建立的南海平均海平面高度异常模型的平均有效预报时间约为7个月,预报能力在春季和秋季较其余季节要强一些。另外,该模型在模拟时段内的预报技巧具有显著的十年际变化特征。

中国近海海平面高度异常特征的初步分析

本文利用TOPEX/POSEIDON高度计资料,计算了中国近海渤海、两巴海峡①、黄海、东海中部和南海北部等五个典型区域海平面高度异常特征指数,分析了各海区特征指数的振幅变化规律及周期,并用这些指数与海平面风场及温度场分别进行了相关分析。结果表明:我国近海海平面高度异常除黄海外各海区都具有显著周期变化。异常指数与风速正相关主要分布在西太平洋中低纬海域,负相关区域主要位于中亚至我国大陆西部和中太平洋近赤道海域,与温度场正相关区分别位于非洲大陆南部、澳洲大陆南部和南美大陆中南部,负值相关区主要位于北印度洋和东太平洋海域。与温度相关场分布表明中国近海海平面高度异常与ENSO现象有关。

基于GPU的全球海平面高度异常数据渲染

提出了基于GPU的全球真实海平面高度异常数据的三维水面渲染,并分析了海平面高度异常变化与大洋环流之间的关系。首先把DEM格式的海平面高度异常数据通过图形渲染的方式生成纹理数据,将数据量进行压缩并且提高了渲染效率;然后基于自主研发的VV-Ocean海洋虚拟现实与可视化平台,将全球范围的海平面高度异常变化以虚拟现实的方式绘制到三维球面当中,生成动态海平面,直观形象地表达了全球海平面高度在1年内的变化情况;最后将全球海平面高度异常的可视化结果与大洋环流运动进行对照分析,符合洋流运动规律。

全球和南海海平面变化及其与厄尔尼诺的关系

利用卫星高度计资料,分析了1993年1月至2004年12月全球和南海的海平面变化特征。结果表明,在1993—2004年期间,全球和南海海平面的平均上升率分别为(2.5±0.2)mm/a和(4.8±1.2)mm/a。研究发现,全球和南海海平面的低频变化都与El Nio密切相关,但二者对El Ni?o的响应位相相反。1997—1998年El Nio初期,全球平均海平面升高,呈现正异常;El Nio后期,全球平均海平面下降并由正异常变为负异常。南海平均海平面在El Nio期间呈现负异常,在La Nia期间呈现正异常,其低频变化与南方涛动指数的低频分量位相变化几乎完全一致。ENSO可以通过南海季风和北太平洋环流(黑潮)的变化来影响南海海平面。El Nio发生前后的北风异常,以及同期黑潮流量的变化都对ENSO影响南海有一定的贡献。

渤黄海海平面的变化及其与ENSO的关系

利用1992年12月至2007年5月的高度计资料,研究了渤黄海海平面的变化特征。统计分析表明,近14a间渤海及北黄海、中央黄海海平面的平均上升高度分别为45.9mm和34.7mm,各海域的海平面上升速度不完全相同。研究发现,南方涛动指数(SOI)、纬向风应力距平都与渤海及北黄海、中央黄海的SLA呈负相关性,渤黄海海平面显著受SOI、纬向风应力调制,并且,SOI与渤黄海海域的风场之间有良好相关。将坐标系进行旋转后,获得与当地海平面异常相关最大的风应力方向。对SLA与新坐标系下风应力距平u的低频分量分析发现,渤海及北黄海海区、中央黄海对海平面影响最大的风应力距平u方向分别为东偏南20°方向、东偏南8°方向,风应力距平u分量与SLA、SOI的低频分量呈现更好的相关性。ENSO通过大气环流过程对渤黄海海域的风场产生影响,当地风场通过纬向风应力对渤黄海海平面的年际变化产生调制作用。因此,ENSO可以通过风应力对渤黄海海平面产生影响。

30°N两侧东海海平面的低频变化及其与ENSO的关系

利用1992年12月—2007年5月的高度计资料,研究东海海平面的变化特征。分析表明,近14年来长江口海域及30°N以南东海海平面的平均上升高度分别为57.7 mm和40.9 mm,各海域的海平面上升速度不完全相同。研究发现,东海海平面与南方涛动指数(SO I)二者的低频分量具有明显的相关关系,东海海平面显著受SO I调制,但30°N两侧海域SLA与SO I的相关性相反。东海纬向风应力与当地SLA、SO I具有很好的相关性;大气环流的辐散带两侧风场的差异,导致两侧海域平均SLA与纬向风应力距平的低频分量之间的相关关系不同(30°N以南的海域二者呈负相关性,长江口海域则呈正相关性)。将坐标系进行旋转后,获得与当地海平面异常相关最大的风应力方向。对SLA与新坐标系下风应力距平u的低频分量分析发现,长江口海域、30°N以南东海对海平面影响最大的风应力距平u方向分别为东偏南70°、东偏南23°。风应力距平u分量与SLA、SO I的低频分量呈现更好的相关性,由于辐散带在大气环流中的调制作用,导致30°N两侧海域海平面和风应力距平u对SO I响应相反。ENSO通过大气环流过程对东海海域的风场产生影响,当地风场通过纬向风应力对东海海平面的年际变化产生调制作用。因此,ENSO可以通过风应力对东海海平面产生影响。