南海海面高度异常与厄尔尼诺和大气环流的关系

利用经验正交函数分解和相关分析等方法分析研究了南海和赤道太平洋的海面高度异常、海面温度异常和风异常之间的相关关系。得出南海海面高度异常EOF第一模态为ENSO模态,方差贡献达到44.7%。在厄尔尼诺(El Nio)期间,整个南海海面下降,SSHA呈现不同的分布状态,本文讨论了爆发与下半年的El Nio期间南海SSHA呈现的典型分布状态。El Nio的先兆阶段南海中部为SSHA低值区,鼎盛阶段南部SSHA增大形成南高北低的分布状态,恢复阶段SSHA分布与El Nio过后是否发生La Nia密切相关。南海海面高度异常与大气环流存在明显的相关关系。El Nio期间,Hadley环流的加强使得南海东部和赤道西太平洋水交换加强,水温的降低和海水的流失使南海海面下降,Walker环流结构和强度的变化则进一步促进了南海SSH的下降。El Nio期间,南海海面高度会较常年偏低。

基于融合U-Net及ConvLSTM的海面高度异常预报方法研究

海面高度异常是反映海洋环境状况的主要变量之一。本文使用1993—2019年的融合月均海面高度异常数据,建立了基于深度学习的海面高度异常预测神经网络模型,提出了基于融合U型网络(U-Net)和卷积长短记忆网络(ConvLSTM)的中长期海面高度异常预报模型。在研究海域0.25°×0.25°的空间分辨率下,模型测试集预报结果的均方根误差和平均绝对误差分别为0.039 m和0.027 m,均优于全连接LSTM预报模型和ConvLSTM+CNN预报模型,为大中尺度的海面高度异常预报提供了新的方法。

热带与副热带地区高度异常对长江流域和华北旱涝影响的数值模拟分析

前期南亚高压的异常增强或者减弱,热带、副热带地区100 hPa高度的异常增高或者降低,热带西风的异常增强或者减弱,对长江流域和华北地区夏季的降水异常具有预示作用。文中设计了一系列的数值试验进行模拟研究,包括控制试验、敏感试验和4组合成试验。合成试验模拟结果表明,前期热带、副热带高度异常分布,能够再现长江流域、华北旱涝情况。前期南亚高压、热带、副热带高度、风异常对长江流域和华北地区夏季降水的异常均有预示作用。100 hPa叠加高度、风异常的敏感试验结果表明:前期南亚高压、热带与副热带地区100 hPa高度场和环流场的异常不仅可以预示、事实上能够引起长江流域和华北夏季降水的异常———前期南亚高压异常增强、热带、副热带地区100 hPa高度场异常增高、西风异常增强,易引起长江流域降水偏多、华北降水偏少;反之,则容易引起长江流域降水偏少、华北降水偏多。

自组织神经网络模态振幅算法及其在南海海面高度异常年际变化中的应用

作为一种非监督分类方法,自组织神经网络在气象和海洋学科中的应用越来越广泛,但该方法无法给出要素场典型模态随时间变化的振幅。基于所输入要素场与典型模态场的相似程度能够反映出典型模态在该时刻强弱程度的思想,提出了一种简便易行的自组织神经网络模态振幅算法,并应用于南海海面高度异常研究。根据该算法计算出了1993—2008年南海海面高度异常年际变化空间分布模态相应的振幅,根据振幅时间序列进一步正确计算出了Nio 3指数与这些模态的延迟相关关系,表明本文模态振幅算法有效。

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。

中国近海海面高度异常资料再处理

卫星海面高度异常产品再处理的研究多集中在欧洲和美国近海,中国近海尚未有过。在产生AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)全球0.25°多颗卫星海面高度异常产品时,只用了1/3~1/2的部分沿轨资料,给区域海洋动力学研究造成了一定的限制。本研究尝试利用多颗卫星的所有沿轨资料及25个测潮站的观测资料,通过最优插值方法产生一份新的中国近海海面高度异常资料。新资料的空间分辨率仍为0.25°,但使用了来自3颗卫星(Jason-1、Jason-2、Cryo Sat-2)的所有沿轨资料及25个测潮站的观测资料。新资料的范围为10°S^50°N、90°~160°E。新资料与AVISO资料的对比分析表明新资料更接近沿轨海面高度异常观测,同时也更接近测潮站资料。与AVISO资料相比,新资料与沿轨海面高度异常观测的均方根误差降低了10.03%,与测潮站资料的均方根误差降低了9.6%。

临河2016年夏季探空资料高度异常分析

临河高空站是内蒙古10个非GCOS探空站中唯一使用南京大桥机器有限公司探空仪的台站,针对2016年6—8月探空高度异常情况,进行数据分析,并参照气象气球行业标准中的最大气球爆破直径,计算气球升空高度,得出,临河站存在探空高度普遍偏高的情况,2016年6—8月>36km的探空高度占比为47.2%,全月>38km的探空高度占比为23.4%;探空终止瞬间气压高度和计算所得雷达观测高度相比较,在30km以上,存在平均>3502m的高度差,也存在差值异常偏大的情况。

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。

西北太平洋海面高度异常对热带气旋的响应

采用一种海面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)对热带气旋响应的合成分析方法,即根据热带气旋的路径位置和运动方向对海面高度异常进行插值、旋转和平均,得到不同热带气旋强度下,以热带气旋最佳路径点为原点的海面高度异常场。利用该方法,基于Aviso卫星高度计数据和中国气象局热带气旋最佳路径数据,得到了1993-2018年期间西北太平洋海面高度异常对热带气旋响应的特征。结果表明:热带气旋过境对海面高度有显著的影响,在热带气旋到达时刻的7 d之前,海面高度已经开始下降,海面高度异常变化较小;热带气旋经过时,路径中心海面高度明显降低,其右侧海面高度升高;在热带气旋经过6~7 d之后,海面高度降到最低值,随后缓慢升高。热带气旋经过海面时,其风速和移动速度对海面高度变化均有不同程度影响。随着风速增大,海面高度降低值也会增大。风速大于51.0 m/s时海面高度最大降幅达10.93 cm。热带气旋移动速度越慢,对海面高度影响越大。移动速度小于5 km/h时,海面高度最大降幅为19.79 cm。

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。

梳状高度计编队探测海洋涡旋仿真分析

单颗星下点高度计卫星可进行一维海面高度测量,但时空分辨率较低,对涡旋的探测能力不足。梳状高度计卫星编队可提升海面高度时空分辨率,增强对涡旋的识别探测能力。为定量分析高度计编队下的涡旋探测能力,本文在黑潮延伸体海域开展观测仿真实验,对海平面高度进行沿轨采样,经优化插值算法处理后得到逐天海面高度异常数据场并进行涡旋识别与统计分析。此外,本文还同步开展了单颗星下点高度计和成像高度计卫星涡旋探测仿真实验及对比分析。结果表明,梳状高度计卫星编队在涡旋数量、极性、半径及振幅等方面识别效果较好,与成像高度计探测结果相近。

高层大气温度和高度场异常对我国地面气温和降水的影响

用SVD方法分析了NCEP/NCAR1958—1997年再分析资料中月平均的300hPa温度(下称"高层温度")和100hPa高度(下称"高层高度")距平场与中国160个测站的月平均地表气温(下称"我国温度")和月降水距平场的时滞和空间耦合关系,讨论了高层温度和高度距平场的空间分布和时间演变对我国气温和降水异常的影响。结果表明,高层温度和高度距平场的整体空间分布形势对中国气温和降水的影响明显,不同关键区的高层温度和高度距平场对我国不同区域的气温和降水异常有影响,具有明显的区域耦合特征。伊朗高原和青藏高原及其以南的热带低纬地区是高层温度和高度场的关键区。高层温度场对我国气温场和降水场的影响主要表现为年际变化,而高层高度场的影响主要表现为年代际变化。我国长江和黄河流域、华南和江南地区是受高层温度场和高度场异常影响最明显的地区。

1月中国地温异常与北半球500hPa高度场异常关系的合成分析

在对中国区域１月份０．８ｍ月平均地温距平场进行ＥＯＦ分析的基础上，研究了中国地温异常与北半球５００ｈＰａ高度异常的关系。结果表明：地温异常与大气环流有一定的关系；与地温异常同月和前一月的大气环流距平分布相似，而与后一月的大气环流不同。进一步分析表明，前一月的大气环流异常至少部分地激发了１月份的地温异常，反过来地温又影响大气环流。

500hPa气候异常高度场强度及谱结构的季节变化与半球际差异

用半球气候异常场强度及球函数分析改进方案,分析了北、南半球500hPa气候异常高度场的环流特征,得到如下主要结论:1)半球异常冬强于夏,北半球强于南半球。2)500hPa气候异常位势高度场具有低阶、低维的特征,它们主要由超长波及长波波段(0≤m、k≤6)的球函数构成。3)北半球500hPa气候异常位势高度场集的球函数谱结构较南半球复杂,夏季较冬季复杂。仅用超长波及长波波段的球函数拟合半球500hPa异常位势高度场,就可保证其有足够的精确度。

全球大气气候异常位势高度场的时空结构分析

用半球气候异常场强度（Ia）及球函数分析改进方案，分析了NCEP／NCAR再分析项目的全球40年月平均气候异常高度场的时空结构，并分析了对流层下、上部半球平均气温异常的年际变化，结果表明，全球Ia存在明显的时（季节）空（高度、半球）差异；构造出三组参数高度概括地给出地球大气位势高度场异常环流球函数谱结构的基本特点；通过球函数展开的某些系数与半球500hPa等压面平均高度异常成正比，也近似与大气下半部（半球）平均温度成正比，揭示出不同层次大气平均温度异常的年际变化及其与热带海洋SSTA的关系。

卫星跟踪浮标和卫星遥感海面高度中的南海涡旋结构

选择 4个南海卫星跟踪Argos漂流浮标及同期的TOPEX/Poseidon卫星遥感海面高度资料 ,研究了南海海域涡旋的活动及空间结构。这 4个Argos漂流浮标的轨迹除了基本符合各季节海盆尺度环流趋势外 ,分别在菲律宾以西、越南外海、南海中部等海域呈现出中尺度旋转轨迹。这些中尺度涡旋现象在同期的TOPEX卫星遥感海面高度异常 (SSHA)分布中得到了准确的印证 ,并在诊断得到的地转流场中对应了一系列瞬变的中尺度涡旋活动。

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%.

500 hPa月平均高度相关的地理分布及其季节变化

本文分析了北半球３４年月平均５００ｈＰａ高度异常的月－月相关特征。结果表明，北半球高度异常的总体相关是大于零的，在副热带相关系数可达０３以上，在中高纬度约为００—０２。亚洲和北美地区中高纬的环流异常相关还显示出明显的季节变化特征，在冬夏季有最强的相关，春秋季相关最弱。

南海海面高度年际变化的S-EOF分析

应用依赖于季节的经验正交函数(S-EOF)分析,探讨了最近15a南海海面高度随季节演变的年际变化。S-EOF分析得出南海海面高度异常各模态不同季节的空间结构以及时间演变过程,证实了季风强盛期冬季和夏季基本模态的结构,还分离出了季风转换期(春季和秋季)海面高度的分布格局。结果表明,南海海面高度随季节演变的年际变化与厄尔尼诺和拉尼娜事件密切相关。S-EOF1的结果表明,南海海面高度的变化具有明显而稳定的季节振荡,但在ENSO年海面高度的季节振荡相对减弱;S-EOF2模态显示了1998—2001年间冬季吕宋岛西侧存在一个较强的正异常,且能一直持续到春季;S-EOF3模态主要体现了南海西部一系列中尺度涡状结构的年际差异,包含1997/1998年厄尔尼诺对南海环流的影响。