北太平洋海表面高度的年际变化及其机制

利用15年(1993～2007年)月平均的海表面高度(SSH)异常资料,分析了北太平洋海表面高度的年际变化的时空结构,并研究了热通量和风应力两个因子对其的强迫作用.结果表明,北太平洋年际时间尺度SSH变化的大值区在黑潮延伸区和西太平洋暖池区.EOF分解第一模态的空间结构沿纬向呈带状分布,第二模态为沿经向呈带状分布.热通量强迫作用在中纬度的东北太平洋可以解释SSH年际变化40%以上.风应力对SSH的作用包括正压和斜压两个方面.正压Sverdrup平衡模型模拟的SSH年际变化较弱,仅能解释高纬度副极地环流西部的20%～40%.由大尺度风应力强迫的第一阶斜压Rossby波模型可以解释热带地区的20%～60%,中纬度中部的20%～40%,以及阿拉斯加环流东部和副极地环流西部的20%～60%.风应力强迫的一阶斜压Rossby波模型对SSH的强迫机理又可分为局地风应力强迫和西传Rossby波作用.其中,风应力的局地强迫作用(Ekman抽吸)在东北太平洋、白令海以及热带中部有显著的预报技巧,可以解释SSH年际变异的40%以上.Rossby波的传播作用在中纬度海域的副热带环流中西部和夏威夷岛以东起着重要作用,可解释20%～60%.

Rossby波模型对西北太平洋海表面高度年际变异的可预测性研究

根据海洋Rossby波的西传特性,使用一阶斜压Rossby波模型对北太平洋海表面高度的年际变异进行了回报和预测研究。回报结果表明,Rossby波模型能够较好地模拟北太平洋海表面高度的年际变异。尤其是黑潮延伸区的下游,模拟结果与卫星观测的相关系数达到0.8以上。预测结果表明,Rossby波模型在两个纬向分布的海域有显著的预报能力,分别位于高纬度中部和副热带环流西部。前者可提前5—6年,后者可提前2—4年。此外,重点开展了Rossby波模型在西北太平洋的预报能力研究。结果表明,Rossby波模型对中国的边缘海有着很好的预测能力,包括南海北部、台湾以东和东海黑潮海域,分别在提前32、40和52个月时能取得最佳的预测效果。

基于卫星高度计的全球平均共线海表面高度研究

卫星高度计可以实现全球范围的全天候海洋动力环境测量,其中重要的数据产品为海表面高度(SSH)。本文基于高度计测量数据,计算出每个测量点的海表面高度。利用参考轨道对数据采用共线处理得到全球的平均共线海表面高度。这一方法可以在短时间内获得全球范围的不同时间尺度下的海表面高度信息,能够为海平面长期变化研究提供数据支持。

北太平洋海表面高度(SSH)与风应力变化的关系

利用1958—2008年的北太平洋海表面高度和风应力资料,并与ENSO和PDO指数进行相关分析。结果发现,风应力及其经向分量主要通过季节振动影响海表面高度(SSH)的年周期变化,纬向风应力主要通过多年振动影响SSH的ENSO和PDO周期。纬向风应力和SSH均以黑潮延伸体主轴为界,两侧呈现出相反的升降趋势,SSH为北降南升,纬向风应力南降北升。风应力和SSH升降趋势相同,均表现为"上升—下降—上升"的变化特征。在地形变化剧烈、等深线南北分布的海区,西风增强会导致SSH升高,且西侧升高较为明显。北风增强将导致北太平洋西岸SSH升高,东岸SSH降低。

热带太平洋海表面高度特征及其与ENSO事件的关系分析

利用1980-2008年Godas的逐月海表面高度(SSH)资料,分析了热带太平洋不同季节海表面高度季节及年际变化特征,并初步探讨了海表面高度异常与ENSO事件的关系。结果表明:1)就赤道地区而言,东太平洋区域海表面最低,西北太平洋和西南太平洋海表面最高,中太平洋区域较低。2)西北太平洋和西南太平洋海表面高度年际异常大,赤道中东太平洋区域在秋季和冬季的异常较大。3)1、4、10月热带太平洋海表面高度年际异常与ENSO事件有良好的对应关系:在El Nio事件期间,热带太平洋东部海表面高度增加,西部和西南部减小,不同季节异常区略有区别;7月海表面高度异常与ENSO事件关系不密切。

由数据同化产品导出南海海表面高度的变化

根据47年月平均的海表面高度序列(SODA-Simple Ocean Data Assimilation数据同化产品),运用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function-EOF)的方法,分析了南海海面高度的季节与年际变化。在季节变化尺度上,第一模态体现了对南海上层环流季节变化的传统认识,占有绝对比重(84%);第二模态解析了14%的方差,越南中部沿岸约11°～12°N向东的急流和上升流出现在该模态中。经13个月滑动平均过滤年变化信号后,南海海表面高度变化的前2个模态都表明与ENSO关系密切。年际变化的第一模态说明,厄尔尼诺年整个海面高度出现负异常,特别是南海暖池附近区域。研究结果似乎表明广东沿岸附近海面变化也与ENSO有关。

吕宋海峡附近海域海表面高度季节内变化

利用1993~2017年海表面高度异常数据集,分析研究了西北太平洋季节内变化(20~120d)的整体分布特征,结果表明空间上季节内信号在20°N附近海域(16°~24°N)最强,时间上在6~8月达到一年中的最大值。在吕宋海峡东侧(123.875°E,20.125°N)季节内信号周期(70d)和传播速度(10.7~12.7cm/s)均大于吕宋海峡西侧(119.625°E, 20.125°N)(60 d, 6.5~7.8cm/s)。在大洋内部(123°~140°E, 18°~24°N)存在准90d的周期信号,传播速度约10.3cm/s。传播路径受黑潮的影响发生改变,由沿纬度西传转向向西北方向传播。第一斜压Rossby波理论对海表面高度季节内变化的周期和传播速度具有很好的解释性。

基于LSTM的海表面高度异常预测方法

海表面高度异常(SSHA)是海洋系统中重要的参数之一,论文首次利用深度学习中的长短期记忆神经网络(LSTM)对海表面高度异常(SSHA)进行预测。将SSHA的预测当作时间序列预测问题,采用stacked-LSTM,建立海表面高度异常预测模型。该模型能够捕捉SSHA序列变化的规律,处理序列变化长期依赖问题。通过实验探索了stacked-LSTM预测模型的最佳参数设置,并使用中国南海海域的CORA再分析海表面高度异常数据进行验证,在预测未来24h、48h、72h、96h、120h的SSHA值上准确率(平均值±标准差)分别达到了90.10±10.64%、84.68±14.34%、78.29±17.37%、72.65±18.96%、66.41±20.91%,并与ANN、RNN、TCN等模型进行了对比,该基于数据驱动的模型能够运行在PC终端,为海洋工程提供移动服务。

反映台湾以东黑潮流量变化的海表面高度关键区域的确定

根据HYCOM模型结果,主要分析了台湾以东黑潮流量年际变化和海表面高度变化的相关性。得出黑潮流量的年际变化和台湾以东123°E^125°E,24°N^25°N区域的海表面高度年际变化相关性最好,而且相关系数可这0.8左右。在季节l生变化上,二者总体变化趋势也是比较一致的,但黑潮流量的变化滞后该区域海表面高度1个月左右。黑潮流量整体随时间的变化与该区域海表面高度的相关性也可达到0.73。因此可以看出,这个区域的海表面高度变化可以反映黑潮流量的变化趋势,本文定义这个区域为关键区域,这是对以往利用基隆和石垣两站水位差异常回归得到黑潮流量变化的研究方式的一种较大改进。通过分析影响关键区域海表面高度变化的机制,可以进一步得出影响黑潮流量变化的因素,从而对其进行预测。

基于Bio-Argo浮标数据研究孟加拉湾中部海域溶解氧分布

溶解氧的分布影响着海洋生物的生存,以孟加拉湾低氧区为研究对象,利用2013—2017年该海域Bio-Argo浮标数据和卫星遥感数据,分析孟加拉湾海域海洋上层(0—200m)溶解氧的垂直分布特征,探讨孟加拉湾海表溶解氧和氧跃层时空变化及其成因。结果表明,由于大量径流和降雨的输入,孟加拉湾海表形成显著的盐度成层,导致该海域溶解氧浓度在约40 m处开始显著降低,并在200 m以内降至20μmol·kg^(-1)以下。海表溶解氧浓度与海表温度呈负相关(r=–0.75)。氧跃层深度(DO50μmol·kg^(-1))与23℃等温线和海表面高度异常呈正相关,相关系数r分别为0.93和0.81。孟加拉湾中部低氧区海表温度是影响海表溶解氧变化的主要因素之一,氧跃层的变化则与海洋中尺度涡密切相关。

超强台风利奇马(1909)期间海洋中尺度冷涡特征分析

对超强台风“利奇马”期间西北太平洋海表面高度异常(SLA)特征及台风移动路径附近中尺度冷涡特征进行了分析,结果表明:“利奇马”过境前后,西北太平洋SLA以正值为主,闭合SLA负值区C1负异常数值减小、范围扩大,C2变化不明显;“利奇马”以6.4~10.8 km/h移速横穿中尺度冷涡CE1,并向西北方向移动,移出前后CE1强度、范围加强(SLA极值为-19.6 cm);以13.9~20.4 km/h快速从CE2以东海域移过,过境前后CE2强度、范围变化不明显;CE1、CE2位于“利奇马”强迫区域内,“利奇马”对CE1影响时间长(18~42 h),使得CE1范围增大、强度增强,对CE2影响则不明显。

一个东海潮汐数值模式及检验

为验证一个东海潮汐数值模式结果的精度并了解我国东海区域的潮汐特征。该文使用T_TIDE对东海大桥南和洋山站的潮汐资料进行调和分析,并针对所研究区域最主要的8个分潮:M_(2)、S_(2)、K_(1)、O_(1)、N_(2)、K_(2)、P_(1)、Q_(1)分别对比两站实测数据与模式结果的调和分析结果。结果表明:两站点的模式结果和观测海表高度的均方误差D与潮汐产生的海表高度变化V的比值为25.99%和25.29%,模式结果计算所绘制的M_(2)和K_(1)分潮的同潮图与前人研究结果在无潮点的位置、同潮时线、等振幅线的分布和趋势上相似。这说明了使用时间长度相同但年份不同的实测数据验证潮汐数值模式结果的可行性,并能够帮助了解我国东海区域的潮汐特征。

黄海暖流的路径及机制研究

利用NASA/AVHRR反演的每日海表面温度资料,法国航天局AVISO发布的海表面高度资料,中国气象科学数据共享服务网成山头台站的日均风场资料,首先对黄海海表面温度分布进行了分析,揭示了表征黄海暖流的暖水舌存在两个分支。然后对1981年10月～2010年5月这两个分支发生情况进行了统计,得出两个分支并不是个别年份所特有的,而是具有一定的普遍性。最后通过相关性分析,并结合黄海不同区域海表面高度的相对变化,认为西北向分支、北向分支,是通过风生增减水引起海表面高度局部差异来提供驱动力的,具有补偿性质。

东海黑潮对台风过境的响应特征

文中调查了"威马逊"台风过境时东海黑潮对台风的响应特征,以海面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)和摩擦深度作为主要研究因子,利用艾克曼风生海流理论,得出了在"威马逊"台风过程中东海黑潮附近海域尤其是宫古海峡处的SLA值和摩擦深度的响应特征,发现了东海黑潮及其周边海域表层流场与海面高度异常值(SLA)之间的对应关系存在明显的季节性变化特征,SLA正负极值区对应的表层流场一般呈现反气旋型分布和气旋型分布,利用这一对应关系可以有效地分析判断在台风过程中东海黑潮及附近海域表层流场的响应特征。其结论对于东海黑潮流域的海洋环境分析和该区域的军事活动都有一定的参考价值。

基于深度卷积网络的海洋涡旋检测模型

传统的利用遥感数据检测涡旋的方法通常是基于物理参数、几何特征、手工特征或专家知识。本文重点研究了基于深度学习技术从海表面高度图中识别海洋涡旋的方法。针对海洋卫星拍摄的海洋表面高度图中的涡旋检测问题,提出了一种基于卷积神经网络的多涡旋检测模型,该模型能够准确提取涡旋的特征信息,拟合语义信息与海面高度之间的关系。同时,在用于涡旋检测的最新公开数据集SCSE⁃Eddy上进行模型训练,以评估基于人工智能的涡旋检测方法性能,该数据集涵盖了15年来位于中国南海及其东部部分海域的每日卫星遥感海表面高度数据。实验结果表明,与现有的方法相比,本文模型取得了更好的检测结果,能够更好地区分相距较近的涡旋。

不同时空尺度下近海日本鲭栖息地模型比较

根据2003—2011年7—9月近海日本鲭生产数据,结合海洋遥感获取的海表温度(SST)和海面高度数据(SSH),利用作业网次与SST和SSH的关系建立适应性指数(SI)模型,将时间和空间尺度分别划分为3个级别,建立9个不同时空尺度下的栖息地适应性指数(HSI)模型,分析比较得出不同时空尺度下近海日本鲭栖息地适应性指数最优模型,并对最优模型进行验证。结果显示,时间尺度为月,空间尺度为1°×1°是建立近海日本鲭栖息地适应性指数模型的最适时空尺度,当HSI大于0.6时,作业网次比重为75.42%,当HSI小于0.4时,作业网次比重为12.93%。利用2012年7—9月生产数据对最优模型进行验证,结果显示,当HSI大于0.6时,作业网次比重为60.89%,当HSI小于0.4时,作业网次比重为13.88%。研究表明,在建立鱼类栖息地适应性指数模型时,需要考虑海洋环境因子的时空尺度,以便更好地预测中心渔场。

不同MSS模型及其北极海冰干舷的多时空差异分析

基于2017年4月、2018年4月和2019年4月的CryoSat-2 L1B数据,比较分析了UCL13、DTU10、DTU13、DTU15和DTU18 5种不同平均海表面高度(MSS)模型及其反演的北极海冰干舷的多时空尺度差异。以UCL13为基准,对比分析不同MSS模型的差异和所反演的海冰干舷的差异,实验结果表明,不同MSS模型之间的平均绝对偏差范围为0.19~0.26 m,标准差范围为0.55~0.57 m,其中DTU18与UCL13的差异最小。以UCL13为基准,其他4种MSS模型反演的海冰干舷的平均绝对偏差为0.50~0.79 cm,标准差范围为1.17~1.74 cm。通过与冰桥计划(Operation IceBridge,OIB)机载数据相比,5种MSS模型反演的海冰干舷的相关系数范围为0.70~0.71,均方根误差范围为7.7~7.8 cm。故不同MSS模型之间的偏差对整个北极地区的海冰干舷反演的影响较小,偏差以相同的方式影响冰间水道和浮冰高度测量,因此相互抵消,但在冰间水道分布稀疏的区域,如加拿大群岛北部和拉普捷夫海区域,不同MSS模型反演的海冰干舷差异较大。

高度计资料监测日本以南黑潮主轴特性的变化

应用1993年至2001年TOPEX/Poseidon(以下简写为 T/P)卫星高度计3条下行轨道的沿轨资料,计算分析了日本以南黑潮主轴的摆动特性,发现在1993年和2000—2001年010轨道上有2次空间尺度较大、持续时间较长的弯曲。黑潮处于平直路径时流速比较大;呈稳定弯曲状态时流速与多年平均值相差不大;而黑潮在两种稳态之间转换时,伴随着流速负距平的出现。

上层海洋对台风“凯萨娜”(2009)的响应特征

本文利用多源卫星遥感数据和Argo浮标数据对2009年台风"凯萨娜"过后,南海上层海洋的物理和生态响应特征进行了分析。结果表明,"凯萨娜"引起的上升流流速最大可以达到1.6×10^–3m/s,台风过后,海表面温度(SST)下降显著,最大降温幅度可以达到6℃,海表面高度降低,先前存在的中尺度冷涡进一步加强。台风过后,沿着台风路径,叶绿素浓度升高,最大值可以达到2 mg/m^3以上,初级生产力升高到台风过境前的5倍。SST的最大降温中心与海面高度下降区域以及叶绿素浓度升高的区域一致。Argo数据表明台风诱发了强烈的垂向混合和艾克曼泵吸,不同位置处,垂向混合和艾克曼泵吸的强度不一样。通过混合和泵吸过程,台风可以把海洋内部的营养盐输送到海洋表层,对整个南海的物理和生态过程有重要影响。

基于生成对抗网络模型的热带和亚热带海洋中尺度涡预报研究

中尺度涡蕴含海洋超过90%的动能,显著影响海洋物质能量循环。对中尺度涡的预报是目前物理海洋学研究的热点和难点。文章基于卫星高度计观测的近30年海表面高度异常数据(sea level anomaly,SLA),采用基于博弈思想的生成对抗网络方法(generative adversarial networks,GAN),构建了中尺度涡预报模型,进行了28天预报,并采用独立样本分析了预报涡旋的空间分布、时间分布、能量强度等特征参数,探讨影响预报结果准确性和时效性的主要因素。结果表明,半径为100~200km的涡旋在15天左右的预报时长仍能保持较好的准确性及时效性,误差在20%以内。该区域的平均涡动能约为0.875m^(2)·s^(-2),其预报的均方根误差(root mean square error,RMSE)普遍介于0.02~0.04m^(2)·s^(-2)。且涡旋预报结果受异常天气影响较小,在正常天气条件和台风娜基莉条件下具有相似的预报能力。这些结果对进一步理解并应用生成对抗网络这一新方法预报海洋中尺度涡提供了参考。