西北太平洋上层海洋对台风“巴威”(2008)的响应分析

基于多源卫星遥感数据、Argo浮标数据和HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model)再分析数据,分析上层海洋对2020年第8号北上强台风“巴威”的温盐响应特征,结果表明:(1)台风中心附近埃克曼(Ekman)抽吸引起上升流,表层以下海水辐合高盐冷水上翻,Ekman输运方向由台风路径指向路径两侧沿岸,海水在黄海两侧沿岸堆积引起下降流。由此导致台风路径附近海面温度(sea surface temperature, SST)与海面高度(sea surface height, SSH)下降,海面盐度(sea surface salinity, SSS)上升,路径两侧沿岸SSH上升,次表层海水温度增加和盐度降低。(2)由于台风前进方向右侧的风速更大,右侧Ekman输运强度比左侧大。台风更靠近右侧陆地,地形阻挡导致风速减小,在济州岛西南侧的海域上空10 m风呈现反气旋旋转,出现负Ekman抽吸速率(Ekman pumping velocity, EPV),为下降流,所以在台风和济州岛之间的海域存在着由强烈上升流到下降流的转变。这会让原本台风前进方向右侧强的夹卷和垂直混合进一步加强。这就导致了SST下降和SSS上升在台风前进方向右侧更为显著。(3)除了夹卷和垂直混合,台风前进方向右侧SSS的增加还与表层海水由南向北的水平流动有关。

渤海冬季风生环流的年际变化特征及机制分析

为探究渤海冬季风生环流的年际变化及机制,在近35年NCEP CFSR大气强迫下,利用ROMS海洋模式对渤海冬季流场进行了高分辨率的数值模拟。模式结果基本重现了已知的渤海冬季风生环流的主要特征。渤海冬季深度平均流场的EOF结果显示:首先,第一模态中风向的改变引起了一个环绕整个渤海的环流结构变化;其次,第二模态反映了渤海冬季环流存在的线性增强趋势与风场增强有关,尤其在1995年之后。从模式结果中发现,风场对渤海冬季流场存在的年际变化起到重要作用,风向的偏转对环流年际特征的影响强于风速变化。

北太平洋爆发性气旋的统计特征

利用FNL(Final Analyses)全球格点资料,对2000—2015年冷季(10月至来年4月)发生于北太平洋(20°N^65°N,110°E^100°W)的爆发性气旋进行了分析研究。依据爆发性气旋的空间分布特征和高时间分辨率的资料,将爆发性气旋定义修订为海表面中心气压(地转调整到45o N)12h平均加深率达到1hPa/h以上的气旋。根据爆发性气旋最大加深率的大小,在强度上将其划分为4类:弱、中、强和超强。日本海、西北太平洋、中西太平洋、中东太平洋和东北太平洋为北太平洋爆发性气旋的5个多发区域,发生于各区域的爆发性气旋依次称之为:JOS(Japan-Okhotsk Sea)、NWP(Northwestern Pacific)、WCP(West-Central Pacific)、ECP(East-Central Pacific)和NEP(Northeastern Pacific)爆发性气旋。北太平洋爆发性气旋发生频数自西向东逐渐减少,呈现出"西多东少"的分布特征。爆发性气旋的统计特征因发生区域不同而呈现出较大差异,NWP爆发性气旋多发生于冬季和早春,而NEP爆发性气旋多发生于秋季和早春;相对于NEP爆发性气旋,NWP爆发性气旋发展较为剧烈,中心最低气压较低,爆发史长和发展史长较长。NWP爆发性气旋的移动路径多为西南-东北向,随着爆发强度的增强,其移动路径更趋于集中。NEP爆发性气旋的移动路径因生成位置的不同而呈现出较大差异,在中西太平洋和中太平洋海域生成的NEP爆发性气旋,其移动路径前期多为偏东向,后期折向西北;而在中东太平洋海域生成的NEP爆发性气旋,其移动路径多为西南-东北向。海洋暖流为NWP和NEP爆发性气旋的急剧发展提供了有利的海洋物理环境场。

基于CART方法计算的黄河淡水水龄在渤海的分布变化特征

通过计算黄河淡水在渤海内部的水龄变化,能够进一步了解由黄河口排出的溶解性污染物在渤海中的输运时间和分布规律。利用ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模型,加入了基于CART(the constituent-oriented age and residence time theory)方法计算水龄的模块,用于计算黄河淡水水龄在渤海的分布以及长期变化规律。模式较好地再现了渤海物理场以及黄河淡水水龄在渤海中的分布。模拟结果显示水龄在空间分布上差异很大,莱州湾平均水龄为700天,而辽东湾则高达1760天。渤海中部与辽东湾水龄时空分布表现出季节变化,冬季辽东湾水龄西低东高,高龄水自辽东湾东侧入侵渤海中部;夏季辽东湾水龄西高东低,渤海中部低龄水占优。黄河淡水水龄在年际时间尺度上存在明显差异,1998—2003年黄河淡水水龄较高且存在上升趋势,而2003—2007年则迅速下降,此变化主要由黄河入海径流量的改变导致;径流量增大会使淡水水龄降低,反之则会使水龄升高。黄河径流量对黄河淡水水龄的影响主要是通过改变目标区域黄河淡水浓度和低龄淡水质点在水团中所占的比例来实现的。

南海吕宋海峡21°N附近多潜标观测的上层海流

为了了解潮流从西北太平洋经吕宋海峡进入南海内的变化及其垂向结构,本文利用在吕宋海峡附近沿东西方向布放的多套潜标同步获得的高分辨率ADCP长时间连续观测上层海流资料,使用调和分析方法将实测海流分解成3部分:不随时间变化的定常流、周期性潮流和剩余流,并将潮流分解为正压潮流和斜压潮流。通过对实测海流中各组分的分析,得到以下结论:该区域潮流类型在不同深度上有明显变化;M2潮自吕宋海峡传入南海后强度显著减弱75%左右,K1、O1分潮在上层强度减弱约三分之一。从垂向变化来看,在潮流强度上,各站点垂直方向上潮流强度均发生变化。从方向上看,各分潮潮流椭圆东西向特征明显,长轴变化较大,短轴(南北向特征)垂向变化不显著;潮流运动主要沿逆时针方向,垂直方向上潮流明显减弱或增强时会发生转向。斜压潮流主要集中在上表层,100m左右以下随深度逐渐减弱。东西方向斜压潮流能量比正压潮流强,而南北向的流比较稳定,且斜压潮流能量远小于正压潮流。定常流强度在各站点呈现相似的变化趋势,随深度变化减弱。

一次重力波对黄海海雾发生、发展的影响研究

2014年5月17—18日“东方红2号”科考船在黄海捕捉到一次海雾过程中的重力波活动迹象。本文利用船测、卫星云图和再分析资料,结合中尺度模式天气研究和预报系统(WRF,Weather Research and Forecasting)模式下嵌套的大涡模式(LES,Large-Eddy Simulations)模拟,对此次海雾进行研究,分析重力波在海雾生成和发展阶段的作用。分析表明:(1)此次海雾过程中船载激光测风雷达测得的重力波波长800~1000 m,周期6~8 min,位相向东北方向传播,相速约2 m/s;船载自动气象站和涡动相关通量观测系统记录的能见度、温度和垂直速度等存在周期为5~8 min的规律振荡;中分辨率成像光谱仪(MODIS)卫星显示的海雾云图上呈现了与重力波有关的滚轴状特征。(2)垂直速度振幅增大,伴随降温、增湿,在原来已经接近饱和的气层中,增强的湍流混合作用使混合层空气达到过饱和并发生凝结,液态水含量增大,在长波辐射冷却机制共同作用下,海雾生成并发展。(3)基于WRF模式下嵌套LES模式,较为准确地重现了海雾过程中出现的重力波特征,模式结果验证了重力波对海雾的发生起到触发作用。

2014年1月北大西洋上一爆发性气旋个例分析

利用美国国家环境预报中心(NCEP)水平分辨率为1(°)×1(°)的FNL全球格点再分析资料、气象卫星合作研究所(CIMSS)的红外卫星云图资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的海表面温度(SST)资料,对2014年1月3—7日发生在北大西洋上的一爆发性气旋个例进行分析,通过位势涡度(PV)、斜压性指数(BI)、水汽通量等物理量分析了气旋爆发前后的高低空环流形势,并利用多个剖面对气旋内部结构进行了分析。结果表明,高层正的PV大值区在初始阶段已存在于气旋上游,并随着气旋的发展演变为"钩"状;低层的正PV区在初始阶段很弱,爆发前12h最强,与非绝热加热有关,低层的斜压性指数和水汽通量也在爆发前12h最强。当地面气旋中心穿过高空急流轴后,气旋爆发性发展。高空PV和急流动量沿锋面下传,低层暖湿空气向气旋上方输送,相互作用促进气旋发展。

2014年12月西北太平洋上一爆发性“气旋对”的分析

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的FNL (Final Analysis)再分析资料,JMA(Japan Meteorological Agency)提供的MTSAT-1R(Multi-functional Transport Satellites-1R)卫星红外波段云顶亮温资料和HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模式对2014年12月15—18日发生在西北太平洋上的一个"气旋对"的演变过程和相互作用进行分析。该"气旋对"由两气旋A、B组成,气旋A在15日00UTC生成,在"气旋对"发展初期占主导地位,并为12h后生成的气旋B的发展创造有利条件。气旋B生成后发展迅速,后期占据主导地位,直至气旋A衰亡。两气旋相互影响,在向东北方向移动的过程中围绕共同中心"互旋",两者相互吸引靠近,其中心连线逐渐由南北向转为东西向。天气形势分析表明,气旋A在高空为气旋B的发展提供了有利的背景涡度场,在低空通过环流将冷平流输送到气旋B内部,使气旋B低层斜压性增加,促使气旋B发展迅速。用前向轨迹追踪的方法证明在中低层两者之间存在动能传输通道,空气微团从气旋B向气旋A传递,湿焓沿动能通道从南到北向气旋A、B中心传递。在中后期,两气旋中低层的涡旋强度反向变化,即气旋A的涡度逐渐减小,而气旋B的涡度逐渐增大。过气旋A、B中心连线的垂直剖面分析表明,气旋A有利于气旋B发展加强。

2015年1月西北太平洋上一个爆发性气旋“眼”的结构分析

利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,简称NCEP)提供的最终客观分析(Final Analysis,简称FNL)资料、NCEP气候预报系统第二版(Climate Forecast System version 2,简称CFSv2)格点资料和美国热带气旋中心(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies,简称CIMSS)提供的红外卫星云图资料,对2015年1月发生在西北太平洋上的一个爆发性气旋进行了研究,对其演变过程及环流形势进行了分析,并利用高分辨率卫星云图资料对该气旋发展过程中形成的似"盘蜷的蛇"状分布的"眼"区结构进行了分析。结果表明,气旋在发展过程中,地面气旋中心位于500hPa槽前,较强的正涡度平流和大气斜压性使得气旋爆发性发展。高空急流提供的辐散和低空水汽输送也在气旋爆发性发展过程中起到了重要的作用。该气旋在发展过程中出现了与热带气旋相类似的"眼"状结构,在眼区内有"暖心"结构和下沉运动区;在气旋达到成熟前6h,卫星云图上在气旋中心出现了轮廓清晰且未闭合的"眼";在气旋成熟时,云团在"眼"的内部向内旋转数圈形成一个"盘蜷的蛇"状分布;在达到成熟后10h内,350hPa上的涡度和位势涡度都出现了与卫星云图相类似的结构。而卫星云图上云系的这种分布可能与高空的气旋中心的位势涡度的水平分布有关,也即云系是高空位势涡度的动力学作用的反映。

不同季节北大西洋上爆发性气旋云微物理特性的分析与比较

本文利用CloudSat卫星产品、MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)可见光云图和欧洲中期天气预报中心提供的ERA5再分析资料,对不同季节北大西洋上四个爆发性气旋个例的云微物理特性的垂直结构进行了分析,结果表明,爆发性气旋所伴随的云系以雨层云、深对流云和高层云为主,云系最大高度可达12 km以上;深对流云和雨层云中常出现雷达反射率大值区,存在较强的对流运动;云中冰粒子沿0℃等温线开始出现,冰粒子尺度随高度的增加而减小,秋季个例和冬季个例的冰粒子有效半径最大值大于春季个例和夏季个例;在深对流云和雨层云内部,冰粒子数浓度随高度的增加而增大,大尺度冰粒子更为集中,出现冰水含量大值区,冰粒子数浓度最大值和冰水含量最大值以秋季个例的数值最大,冬季和春季个例次之,夏季个例最小。

2006年6月北大西洋上热带风暴Alberto变性后爆发性发展机理分析

本文利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5客观再分析资料、气象卫星合作研究所(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies,CIMSS)提供的红外卫星云图资料,对2006年6月14~20日发生在北大西洋上的一个爆发性气旋进行分析。该气旋由热带风暴阿尔贝托(Tropical Storm Alberto)变性后发展而来,是2000—2016年的17个夏季(6、7和8月)发生在北大西洋上的中心气压加深率最大的爆发性气旋个例。该气旋的演变过程可划分为初始、发展、成熟和衰亡四个阶段。本文旨在分析气旋演变过程中的云系特点、气旋爆发前后的高低空环流形势和高低空相互作用。分析显示,低层强烈的温度平流导致的大气斜压性是利于气旋发展的重要环境条件;500 hPa槽前的正涡度平流可为气旋发展提供动力强迫;高层异常PV的下传对气旋发展有促进作用;潜热释放(Q2/CP)主要位于对流层的中低层,这有利于气旋发展。利用Zwack-Okossi方程进行诊断分析发现,在该气旋发展过程中绝对涡度平流项和非绝热项的贡献为正,且非绝热加热对气旋快速发展的贡献最大,而温度平流项和绝热项对气旋发展起阻碍作用。

西北太平洋上三个爆发性气旋的对比分析和数值模拟研究

利用FNL(Final Analysis)再分析资料对西北太平洋上三个爆发性气旋,即2007年11月18—21日的OJ(Okhotsk-Japan Sea Type)型,2012年1月10—13日的PO-O(Pacific Ocean-ocean Type)型,以及2014年3月28—31日的PO-L(Pacific Ocean-land Type)型,进行了分析,结果表明:不同类型气旋由于其发生、发展位置不同使得气旋的水平结构和垂直结构存在差异。利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式的非绝热加热试验表明,潜热释放和表面热通量对不同类型爆发性气旋个例的贡献不同,对PO-O型和PO-L型气旋个例潜热释放的贡献更大,而对OJ型气旋个例表面热通量的贡献更大。海温敏感性试验表明,海温升高或降低对气旋移动路径影响较小,海温升高使气旋进一步加深,而海温降低使气旋相对减弱。

大西洋上四个爆发性气旋的云微物理参量垂直分布特征分析

利用CloudSat卫星数据处理中心(CloudSat Data Processing Center,CloudSat DPC)提供的CloudSat卫星数据、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的ERA5再分析资料和美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)提供的Aqua卫星可见光云图,对冬春季发生在大西洋上四个爆发性气旋个例的云微物理参量垂直分布特征进行了分析。结果表明:爆发性气旋中心云系多为层积云或积云,中心外围云系以雨层云为主,雨层云外部往往伴随着相似高度的高层云,气旋冷锋云带内以雨层云、高层云和高积云为主,冰粒子出现的最低高度与0℃等温线高度几乎重合;冰粒子有效半径随高度的增加而减小,而冰粒子数浓度随高度增加而增大;冰水含量大值区主要位于雨层云中部;液态水主要分布在高层云和层积云底部,冬季爆发性气旋个例内的液态水含量大于春季。

波浪输运与赤道印度洋海温异常的关系

本文利用海浪月平均数据和海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)数据,使用多种统计分析方法,研究了波浪诱导的大尺度水体输运与赤道印度洋海表面温度异常的关系,结果显示印度洋波浪输运与赤道印度洋SST异常有很强的相关性。通过经验正交分解的方法分析了波浪输运时空特征及其振荡主周期,发现:其主要模态的变化周期与印度洋偶极(Indian Ocean Dipole,IOD)指数的振荡周期基本相同。IOD正事件爆发前,波浪输运持续向IOD2区(90°E-110°E,10°S-EQ)输运冷水;IOD负事件爆发前,波浪输运持续向IOD1区(50°E-70°E,10°S-10°N)输运冷水。并且在波浪输运提前正IOD事件6个月,提前负IOD事件2-3个月时,二者的相关系数达到最大,分别为0.5和0.55。

黄海暖流抵近青岛近海分支的确认及形态结构特征

针对冬季南黄海西部海区,基于准同步大面调查资料、近底式潜标持续观测资料和海面风场产品,在对其可靠性、准确性进行把握性分析处理的基础上,经过图像分辨率选择试验,确定能代表该资料基本分辨特征的各类图像的最低识别分辨率,在确保不遗失必要特征信息的前提下进行图件绘制,从而在确认存在自黄海暖流抵近青岛近海暖水舌的基础上,发现了与其相适配的更能代表黄海暖流水分支路径的高盐水舌结构,证明这样的暖水舌可以用来表征黄海暖流抵近青岛近海的分支,从而为利用海表大数据进行该分支高时空分辨率拓展提供了依据.该暖盐水舌均呈现"后部显著、中部分叉、颈部收缩、顶部膨胀"的形态结构,其形成原因是黄海暖流主段前端发生多时相分支、及其抵近青岛近海分支跨越了鲁北沿岸流鲁东南续流西南向路径的结果,为黄海暖流抵近青岛近海暖盐水舌的一种时相特征.敏感性、代表性站位的近底式潜标观测分析也证明存在自黄海暖流朝向青岛近海的流动,且呈概率性事件表现为冷空气过境前期由下到上逐渐减小和过境后期由上到下比较一致的西北向流,具有随天气过程变化的准周期性,是渤海、黄海冬季风条件下囤积在口门区的黄海暖流水,在西北风较显著的偏北风吹刮和鲁北沿岸流鲁东南续流阻塞性作用下,对南黄海西部凸腹型海区的补偿性输运,其中的强西北风引发的补偿流在逆风时就开始发生,强减水与强补偿引起显著的余水位振荡.同时,黄海暖流向青岛近海分支的确认,为青岛地区"降温时间短、回暖速度快"的冬暖特征提供了海洋学依据.本研究也可以拓展至整个渤海、黄海以及大陆边缘有一定封闭性的海盆,作为季风海盆动力学的基本内容.