黑潮末端与黑潮延伸体海域海表流场EOF分析研究

利用17 a的流场资料,分析黑潮末端与黑潮延伸体海域流场的年际变化特征。通过复经验正交函数对流场数据的分析,可发现该海域流场存在准两年的周期变化,同时该海域流场存在对ENSO现象的响应;通过经验正交函数对流场流速大小数据的分析,证实该海域流场存在准两年的周期变化,同时流速大小异常场的经验正交函数分析第二模态可反映黑潮流轴大弯曲现象,北太平洋涛动信号也在第一和第三模态中有所体现。

黑潮末端与黑潮延伸体的流场异常模态分析

对北太平洋黑潮末端及黑潮延伸体的流场异常采用复EOF分析,结果发现:该海域流场明显异常在全年四季都主要发生在黑潮末端和黑潮延伸体上,其异常的主要形式在前2个模态均表现为一条由中尺度涡旋组成的涡旋带,带上通常有两两旋转方向相反的涡旋偶。各季第一模态方差贡献表现的季节变化特征与日本以南的黑潮流量相一致,秋季最大,夏季次之。ENSO的机制是副热带太平洋经圈环流与热带太平洋纬向环流系统之间的相互作用,其在各季第一模态的年际变化上均有所反映。冬季PDO在年代际变化上表现明显,其他三季则NPGO表现明显。该海域流场异常的性质是海洋Rossby波的异常,而赤道太平洋流场异常的性质是赤道俘获波的异常,但两者均与风应力异常强迫有关。

黑潮延伸体海域亚中尺度垂向热量输运的季节变化特征

亚中尺度过程伴随着强烈的垂向速度,显著影响着海洋表面与海洋内部之间热量、浮力和质量等示踪物的垂向输运。基于(1/48)°的LLC4320模式结果,本文对黑潮延伸体海域亚中尺度垂向热量输运的季节变化进行了研究。研究结果表明,黑潮延伸体海域亚中尺度垂向热量输运具有明显的春冬强、夏秋弱的季节变化特征。上层海洋净亚中尺度垂向热通量变化与混合层深度变化趋势较为一致,在混合层上方整体呈现出向上的亚中尺度热量输运,混合层下方也存在很强的亚中尺度垂向热量输运,但呈现正负交替的变化特征,净亚中尺度垂向热量输运较小。垂向热通量波数频率协同谱分析表明,混合层下方的亚中尺度垂向热量输运可能是由线性内波引起的,但线性内波引起的向上与向下的垂向热量输运相互抵消,在季节平均后净垂向热量输运较小。

黑潮延伸体海域漂流式海气界面浮标数据分析与评估

漂流式海气界面浮标是创新研制的“小型化、轻质化、免维护”的漂流观测系统,能够测量海面以上3 m气象、水下20 cm海表面温度和波浪参数等11个不同的物理参数,并且已经经过多次观测应用,结果均较好。为实现漂流式海气界面浮标观测数据全球范围的应用,利用2018年黑潮延伸体海域Argo观测的海表面温度(sea surface temperature,SST)、SVP(surface velocity program)浮标观测的海表温度和OISST(optimum interpolation sea surface temperature)数据,通过将其与漂流式海气界面浮标观测数据进行时空匹配以及对比验证,对漂流式海气界面浮标观测的海表面温度进行了系统评估,检验其在黑潮延伸体复杂水文环境下的观测准确性。结果表明,漂流式海气界面浮标观测SST数据与Argo观测SST数据相关系数达到0.9737,均方根误差和平均误差分别为0.5790℃和0.4539℃;与SVP浮标SST数据的相关系数弱于与Argo的相关系数,为0.9285,均方根误差为1.3230℃,平均误差约为0.9794℃;与OISST数据的相关系数为0.9823,均方根误差为0.7988℃,平均误差为0.7434℃。漂流式海气界面浮标观测SST数据与Argo、SVP和OISST海表面温度数据都具有很好的一致性,观测数据质量处于同一水平。综上,漂流式海气界面浮标作为一种新的观测手段,具备了准确观测SST的能力。

黑潮延伸体时变正压动力过程和动能串级研究

本文基于坐底式逆向回声仪(current and pressure recording inverted echo sounder,CPIES)实测海底压强和海底流速数据对黑潮延伸体时变正压动力过程和动能串级进行研究。先对CPIES数据进行去噪、网格化、调平等预处理,获得黑潮延伸体正压动力高度网格和海底流速网格,后进一步计算得到正压动力高度分布图、正压涡动能分布图以及正压动能通量谱。结果表明:1)在无外力作用时,正压动力高度起伏会使海水从动力高的地方向低的地方流入从而产生较高的涡动能,而一旦有外力强迫,海水有从动力高度低的地方向高的地方流入的可能,从而使得正压动力高度不断增加涡动能增强;2)通过分析9个月长时间平均正压动能通量谱,验证了地转湍流理论中的正压反向动能串级;3)对黑潮延伸体月平均正压动能通量作谱分析发现,涡动能的大小会影响动能通量幅值变化,当涡动能升高,动能通量谱振幅变大,正向/反向动能串级增强,反之亦然。此外,正压动能串级随着时间变化,表现为2004年6月至8月反向动能串级尺度向小尺度移动并且强度增强;2004年9月反向动能串级突然减弱,2004年9月至11月出现了与2004年6月至8月相似的反向动能串级变化过程;2004年12月至2005年1月,正向动能串级尺度向小尺度移动并且强度减弱。

边缘海与开阔海中尺度涡生命周期演化规律对比分析:以南海和黑潮延伸体为例

本文利用1993—2020年AVISO(archiving validation and interpretation of satellite oceanographic)涡旋轨迹数据,对比分析了太平洋边缘海域--南海与开阔海域--黑潮延伸体区中尺度涡的空间分布特征以及生命周期演化规律的异同。结果表明,南海涡旋特性呈显著的季节性差异,冬夏两季气旋涡(CEs,cyclonic eddies)和反气旋涡(AEs,anticyclonic eddies)极性概率分布呈现相反的“条带状”,冬季CE强于AE,夏季相反;黑潮延伸体区则冬夏季均为CE强于AE,极性概率分布无明显的季节变化。在生命周期演化上,南海和黑潮延伸体区涡旋动能(EKE,eddy kinetic energy)演化曲线均呈现增长—稳定—衰减的特征,且具有不对称性。南海涡旋的增长期短于衰减期,黑潮延伸体区则为衰减期更短。南海夏季EKE曲线变化速率快于冬季,黑潮延伸体区冬季的衰减期变化速率是夏季的1.5倍。平均传播速度演化曲线显示南海气旋涡具有先向西北随后转而向西南传播的特征,纬向平均传播速度为3.3cm·s^(-1);黑潮延伸体区气旋涡呈现西南向传播,反气旋涡呈现西北向传播的特征,纬向平均速度为1.3cm·s^(-1),慢于南海涡旋。两个区域的涡旋传播速度和EKE在涡旋生命周期中的演化均存在显著的负相关。

日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态关联性的定量分析

日本南部黑潮存在多种路径模态:近岸非大弯曲路径、离岸非大弯曲路径和大弯曲路径。黑潮延伸体的路径存在两种典型模态:收缩态和伸展态。从地理位置看,日本南部黑潮和黑潮延伸体是相邻的,但它们的路径状态是否存在关联一直存在争议。本文基于卫星观测的海表高度资料和长期的海洋高分辨率再分析资料,对日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关联性进行定量分析,结果表明:日本南部黑潮和黑潮延伸体的路径状态存在一定的关联。当日本南部黑潮处于近岸非大弯曲和大弯曲路径时,黑潮延伸体主要处于伸展态;当日本南部黑潮处于离岸非大弯曲时,黑潮延伸体处于伸展态和收缩态的比例相当。进一步分析表明,黑潮流轴处于伊豆海脊的位置部分决定了上述关系,可能存在其他因素调制了两者的关联性。

冬季黑潮延伸体区海表面温度异常对山东半岛极端低温的可能影响

利用ERA5再分析资料,分析了山东半岛1979—2014年共36年间冬季极端低温特征,发现山东半岛地区伴随偏北大风的极端低温与黑潮延伸体区域海表面温度(Sea surface temperature, SST)暖异常密切相关,提出了该区域SST暖异常增强局地的气旋,促进山东半岛偏北大风的产生,从而引起降温的可能机制。伴随偏北大风的极端低温日数占山东半岛冬季总极端低温日数的41%,对这些伴随偏北大风的极端低温日进行合成分析,发现极端低温发生时,山东半岛处于一个气旋-反气旋式环流异常的中间位置,导致山东上空北风盛行。黑潮延伸体区域的暖SST异常加强了从海洋向大气释放的热通量,驱动了上升运动,在其上空形成次级环流,有利于异常低压的生成和发展,促进了山东半岛两侧气旋对的发生,从而引起偏北大风,造成极端低温。

西北太平洋黑潮延伸体观测回顾和展望

西北太平洋黑潮延伸体是全球海洋动力过程最复杂、对全球气候变化最敏感和全球海洋渔业产量最大的区域之一,然而,目前对该海区物理、生态及生地化循环等过程的认识仍受限于长期连续海洋观测资料的缺乏。本文回顾了国际上针对黑潮延伸体海区的相关观测情况和取得的主要进展,介绍了近年来我国在该区域观测系统的构建工作及取得的初步成果,包括构建了全球首个西北太平洋黑潮延伸体定点观测系统;发现黑潮延伸体海区海洋涡旋的平流效应对该海区模态水的总潜沉率贡献超过一半,所携带当地的模态水只需要一年半的时间就可到达海盆的西边界;基于潜标首次展示了黑潮延伸体区域3种不同类型次温跃层涡旋流速的直接观测结果,为开展其生成消亡机制及其全球次表层物质能量输运提供了重要的现场观测基础。最后,本文展望了今后观测系统的发展方向,即在跨圈层和多学科交叉方面发展成为我国在西北太平洋重要的深远海综合观测网络。这将为揭示多尺度物理-生物过程耦合、深海能量串级及其气候效应与深海碳循环等领域实现突破提供重要的观测支撑。

冬季黑潮延伸体异常增暖对东亚夏季风影响的数值试验

利用NCAR CAM3全球大气环流模式数值试验,研究了冬季黑潮延伸体的海温异常增暖对东亚夏季风的影响。结果表明,冬季黑潮延伸体海温异常增暖将导致东亚夏季风增强北推。表征夏季风强度的EASMI(the East Asian Summer Monsoon Index)和LSTDI(the Land-Sea Thernal Difference Index)在夏季风爆发后都呈现了明显的增强趋势,且LSTDI对海温异常增暖的响应更为敏感。华北、南海和菲律宾以东的低空西南季风显著增强,副热带西风急流轴以北(南)西风加强(减弱)。日本群岛及周边海域和中国东部长江以南至秦岭一线的降水明显减少;华北、南海、东海、黄海和菲律宾以东的西太平洋上的降水增多。华北是东亚夏季风对黑潮延伸体的海温异常响应最敏感的区域。东亚地区近地面温度表现为一致的增温特征,而30～50°N之间对流层的整体升温导致了海陆热力差异的加大,这是促使东亚夏季风增强的重要原因。中国及周边地区环流和降水异常分布和西北太平洋副热带高压增强北抬有关。

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。

春季黑潮延伸体海洋锋区经向位移与东亚大气环流的关系

采用高分辨率的海表温度资料定义了春季黑潮延伸体北侧海洋锋区的南北位置,并采用EOF分析、相关分析、合成分析、带通滤波等方法,探讨了其南北向位置变动与高空急流、风暴轴以及后期东亚降水之间的关系。结果表明,春季黑潮延伸体北侧海洋锋区位置的南北变动存在明显的年际、年代际变化,其与6月东亚高空急流、太平洋区域风暴轴的南北位置具有很好的对应关系。当春季黑潮延伸体海洋锋区偏北时,6月东亚高空急流、太平洋区域风暴轴偏北,反之亦然。进一步的研究还表明,春季黑潮延伸体海洋锋区经向位置的变动可通过影响东亚大气环流对6月东亚地区的降水产生影响,黑潮延伸体海洋锋区偏北(南)年,6月雨带有显著的北(南)移。

黑潮延伸体区域叶绿素季节变化以及中尺度涡对其影响机制研究

中尺度涡是影响西北太黑潮延伸体南北海域叶绿素分布的重要因子。通过对2012—2018年NOAA遥感水色卫星数据和法国COPERNICUS流场资料的统计分析,发现中尺度涡对表层叶绿素浓度的影响具有明显的季节性特征。在春季有17%的气旋涡导致中心叶绿素高值结构且多数向西传播,而其余季节对叶绿素浓度影响较弱。反气旋涡导致环状叶绿素高值结构,在春、秋两季常有发生,在冬夏出现频次少。中尺度涡影响叶绿素能力的季节差异可能与营养盐背景场、光限制、等密线等季节性变化有关,不能只考虑风和流场的垂向输运机制。叶绿素浓度在一定程度上反映浮游植物生物量,对黑潮延伸体海域有重要生态意义。因此,该区域服务渔业的中尺度涡研究应该考虑这种季节特征。

黑潮延伸体区域海洋涡旋研究进展

黑潮延伸体区域是中纬度海洋–大气相互作用的关键区域,也是海洋涡旋最活跃的区域之一,该区域海洋涡旋不仅对黑潮延伸体区域海洋急流及锋面变化起着重要影响,还是北太平洋副热带模态水生成的重要因素,并在中纬度大气-海洋相互作用过程中起着关键性的作用。本文对近年来有关黑潮延伸体区域海洋涡旋的研究进行了综述,探讨了海洋涡旋的生成及分布特征、移动及时间变化特征及其物理机制等方面的研究进展,并讨论了海洋涡旋在年代际和季节时间尺度上变化机制的异同,以及局地海面风应力对海洋涡旋的影响,为今后黑潮延伸体区域海洋涡旋方面的研究提供背景资料。

大气环流对冬季黑潮延伸体海温异常的响应

利用全球大气环流模式CAM3,研究了冬季北半球大气环流和东亚副热带西风急流对同期黑潮延伸体海温异常增暖响应的敏感性及东亚西风急流的响应机理。结果表明,模式能较好地刻画冬季黑潮延伸体海温异常增暖导致的北半球大气环流异常,特别是中纬地区大气环流异常"+、-"相间的分布特征。中高纬是大气对冬季黑潮延伸体海温异常响应的敏感区,随着海温异常幅度的增大,北半球整体的环流异常形势不变,仅异常的强度和范围略有不同。对于东亚副热带西风急流,模式能较好地再现其分布和冬季黑潮延伸体海温异常增暖导致西风急流减弱的变化特征。机理分析表明,东北太平洋上气旋式异常环流和黑潮延伸区及欧亚大陆东南部反气旋式异常环流的存在和35°N南北温度梯度的减小,是导致冬季黑潮延伸体海温异常增暖后东亚西风急流减弱的重要原因。

黑潮延伸体邻近区域中尺度涡特征统计分析

本文利用20年的卫星高度计资料,对黑潮延伸体邻近海区(25°—45°N,135°E—175°W)中尺度涡的统计特征以及季节变化进行了统计研究。基于涡旋自动识别方法,共识别出本区域3006个气旋涡轨迹和2887个反气旋涡轨迹,其平均周期分别为9.99周和11.00周,平均半径分别为69.5km和71.8km。长生命周期涡旋的平均半径、涡度、涡动能(EKE)和涡旋能量密度(EI)在生命周期内大致都经历了增大-基本保持不变-减小这三个阶段。绝大多数涡旋沿纬线向西移动,经向移动距离较小,气旋涡和反气旋涡在西向传播过程中都具有明显的向南(赤道)偏离趋势。涡旋的生成数量与总数量均在春夏季达到最多,且这一时期涡旋的平均涡度、EKE、EI处于较高水平。

黑潮延伸体中尺度涡年代际变化与北太平洋风暴轴变化之间的关系

利用18年带通滤波的卫星高度计资料，通过引入黑潮延伸体中尺度涡能量（EKE）的面积指数，分析了黑潮延伸体中尺度涡EKE的强度和位置的年代际变化特征，并使用回归分析等方法分析了它们与北太平洋风暴轴之间的关系。结果表明，黑潮延伸体中尺度涡增强与北太平洋风暴轴的增强相对应，而EKE位置偏北（南）时对应的北太平洋风暴轴也偏北（南），同时当EKE的位置偏东（偏西）时北太平洋风暴轴则西退（东移）。此外，北太平洋风暴轴的变化对黑潮延伸体也可能有一定的反馈作用，黑潮延伸体中尺度涡EKE强度的变化与北太平洋风暴轴EOF第一和第三个模态（第二个模态）回归的海表面高度距平模态有明显的3～4年滞后的正（负）相关，而黑潮延伸体中尺度涡EKE位置的变化则相反。这种滞后相关可能是通过北太平洋风暴轴驱动的遥相关型环流改变海表面风应力旋度并强迫出的海表面高度距平的西传导致的。

冬季黑潮延伸体区域海表温度锋对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,分析了冬季黑潮延伸体区域海表温度锋的变化及其对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和纬度位置既存在年际变化,也存在年代际变化,且强度和位置的变化是相互独立的。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度的年际变化对北太平洋风暴轴没有显著的影响,而其年代际变化则对北太平洋风暴轴具有非常显著的影响,当冬季海表温度锋偏强时,大气斜压性在鄂霍次克海及阿拉斯加附近区域上空增强,而在海表温度锋下游至东太平洋区域上空显著减弱,平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换在45°N以北的太平洋区域上空有所增多,而在30°—45°N的太平洋区域上空有所减少,涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换在35°N以北的西太平洋区域以及45°N以北的东太平洋区域都显著增加,而仅在其南部边缘存在东西带状的减弱区域,导致40°N以北海区北太平洋风暴轴增强,40°N以南海区北太平洋风暴轴减弱,冬季海表温度锋偏弱时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋纬度位置的变化对北太平洋风暴轴也存在较显著的影响,当海表温度锋位置偏北时,在其下游45°N以南的太平洋区域上空大气斜压性减弱,45°N以南的中东太平洋区域上空区域平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都减少;而在45°N以北的太平洋区域上空大气斜压性增强,在阿拉斯加湾附近上空尤其显著,在黑潮延伸体区域附近以及45°N以北的中东太平洋上空平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都显著增加,导致北太平洋风暴轴在其气候平均态轴线两侧呈现北正南负的偶极子形态;海表温度锋位置偏南时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和位置的变化均对北太平洋风暴轴具有显著的影响,其具体的物理机制还需要进一步的研究。

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。