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基于集合卡尔曼滤波的渤海水位低频波动数值模拟

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海洋与湖沼 2024年

作者：李相豪夏颖颖宋德海中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室中国海洋大学海洋与大气学院国家海洋信息中心

风松弛导致亚潮尺度的水位低频波动是渤黄海秋冬季常见的海洋动力过程，这一过程的数值模拟要求模型空间范围要覆盖整个渤黄海区域甚至是整个东部陆架海区域。对于以渤海海峡为开边界的渤海模型，则由于风区过小无法再现这一过程。针对... 详细信息

风松弛导致亚潮尺度的水位低频波动是渤黄海秋冬季常见的海洋动力过程，这一过程的数值模拟要求模型空间范围要覆盖整个渤黄海区域甚至是整个东部陆架海区域。对于以渤海海峡为开边界的渤海模型，则由于风区过小无法再现这一过程。针对这一问题，本文在渤海模型上使用集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter，ENKF）进行同化，成功再现了这一现象，并进一步分析了ENKF同化的作用及其影响因素。主要结论如下：渤海的水位低频波动与输入渤海的开边界水位有关，仅使用潮汐数据和风场数据无法准确地模拟出渤海水位的变化，然而通过ENKF同化则可以再现渤海内的水位低频波动，且同化效果优于两类不同开边界输入的结果。ENKF同化的准确性与集合数目以及观测数据采样位置有关。集合数目越多同化效果越强，但超过40个集合后，同化效果改善不明显。使用的观测数据应尽量均匀分布且要远离开边界。

关键词：低频波动数据同化集合卡尔曼滤波渤海开边界

2020—2022年与2010—2012年两个“二次变冷”La Nina事件的特征与机制对比

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第4期54卷 13-26页

作者：白燕王欣宇郭浩康石剑中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100

厄尔尼诺-南方涛动(EI Nino-Southern Oscillation, ENSO)是由热带太平洋海-气相互作用产生的显著年际变率,其负位相的拉尼娜(La Nina)事件对中国极端天气有巨大影响。本文利用海洋、大气观测、再分析资料集,对比研究了2010—2012年和2... 详细信息

厄尔尼诺-南方涛动(EI Nino-Southern Oscillation, ENSO)是由热带太平洋海-气相互作用产生的显著年际变率,其负位相的拉尼娜(La Nina)事件对中国极端天气有巨大影响。本文利用海洋、大气观测、再分析资料集,对比研究了2010—2012年和2020—2022年两个“二次变冷”La Nina事件演变过程中各阶段的物理过程和机制。结果表明,2010—2012年La Nina事件第一个峰值强于2020—2022年La Nina事件,但第二个峰值较后者弱,且其海表温度异常(Sea surface temperature anomaly, SSTA)偏西,该SSTA的强度和位置特征可从次表层海温异常得到进一步验证。另外,赤道太平洋的东风异常也在2010年夏秋季明显比2020年偏强、偏西;而偏东且增强的东风异常使2020—2022年La Nina事件的第二个冬季峰值强于2010—2012事件。通过海洋混合层热收支诊断分析,纬向平流反馈(海表面热通量异常)是引起La Nina事件发展(衰减)的主要因素。在发展阶段,东风异常引起的纬向海流异常将冷水向西输运,成为赤道中-东太平洋冷SSTA发展的主导因子,垂直方向温跃层反馈过程的贡献也不可忽略。本研究以近十年来的两个“二次变冷”La Nina事件为例进行定性和定量的对比分析,明晰了二者生命演变史过程中的物理机制,为探究La Nina事件生消机理和ENSO不对称性在全球变暖下的可能变化提供了一定的参考。

关键词： “二次变冷”La Nina事件海表温度东风异常纬向平流反馈开尔文波混合层热量收支诊断

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太平洋上空“射线状”云的观测分析

中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第5期54卷 10-22页

作者：王忠石傅刚孙维康中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象学系山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100

本文研究太平洋上“射线状”云——一种尚未纳入现行云分类体系的云的基本特征及分布规律。利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)可见光卫星云图、NOAA-20和Suomi NPP可见光和红外卫星云图,对2017—2021年发生在太平洋上空257个“射线状”云... 详细信息

本文研究太平洋上“射线状”云——一种尚未纳入现行云分类体系的云的基本特征及分布规律。利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)可见光卫星云图、NOAA-20和Suomi NPP可见光和红外卫星云图,对2017—2021年发生在太平洋上空257个“射线状”云个例进行了统计分析。结果表明,“射线状”云呈近似圆形或椭圆形,有明显的云系中心和清晰的带状径向云臂由中心向四周延伸,多数个例发生在中低纬度的东南太平洋和东北太平洋上空,全年除4月份外各月份均有“射线状”云发生,高频月份为6、7和8月,中频月份为5、9、10和11月,低频月份为1、2、3、4和12月。部分“射线状”云个例的云系有旋转态势,北半球呈逆时针旋转,南半球呈顺时针旋转。“射线状”云云顶之上有逆温层存在,“射线状”云内部的运动特征为:云系低层以水平运动为主,低层辐合;云系中层以上升运动为主,水平方向辐合辐散较弱;云系顶层受稳定逆温层的阻碍无法继续向上发展,垂直气压速度(p-速度)近乎消失,转化为水平方向上的强辐散。本文的研究结果可为进一步研究“射线状”云形成的物理机制打下基础。

关键词： “射线状”云带状云臂太平洋统计分析大气逆温层

大西洋和印度洋上空“射线状”云的观测分析与数值模拟研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第6期54卷 11-22页

作者：孙维康傅刚王忠石中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象学系山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100

本文利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)、可见光/红外辐射成像仪(VIIRS)可见光卫星云图,对2017—2021年发生在大西洋和印度洋上的118个“射线状”云个例进行了统计分析,利用天气研究和预报模式(Weather research and forecasting model, WR... 详细信息

本文利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)、可见光/红外辐射成像仪(VIIRS)可见光卫星云图,对2017—2021年发生在大西洋和印度洋上的118个“射线状”云个例进行了统计分析,利用天气研究和预报模式(Weather research and forecasting model, WRF),对2019年7月8日南大西洋上空的“射线状”云个例进行了水平分辨率为1 km的模拟研究,分析了云凝结核浓度、气温、垂直运动速度、水汽混合比的垂直结构和水汽的水平分布。研究结论显示:“射线状”云是一种主要发生在低纬度地区的中尺度天气现象,且就大西洋和印度洋海域而言,多发生于南半球大洋上空,北半球夏季和秋季是“射线状”云的频发季节;每个“射线状”云臂单体出现处均对应有不同程度的上升运动,“射线状”云是具有对流性质的云;大气逆温层会限制云向高处发展,使得水汽被限制在逆温层高度以下,大范围的逆温层是塑造“射线状”云形态的重要因素。

关键词： “射线状”云带状云臂大西洋和印度洋统计分析 WRF数值模拟逆温层

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面向海浪遥感卫星标定的漂流波浪浮标关键技术研究

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航天器工程 2024年第1期33卷 146-152页

作者：温琦李洋马昕李俊漾王暖升中国海洋大学信息科学与工程学部山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100

在精细化海洋观测领域,遥感卫星海浪方向谱的获取存在精度低、累积误差大等问题,设计了一种基于Transformer神经网络的海浪方向谱估计方法,通过引入稀疏自注意力机制以及物理引导模块等,实现海浪方向谱的高精度表达;海上试验测试结果表... 详细信息

在精细化海洋观测领域,遥感卫星海浪方向谱的获取存在精度低、累积误差大等问题,设计了一种基于Transformer神经网络的海浪方向谱估计方法,通过引入稀疏自注意力机制以及物理引导模块等,实现海浪方向谱的高精度表达;海上试验测试结果表明,新提出的海浪方向谱估计方法与传统海浪方向谱估计方法相比,文章提出的模型估计方向谱更符合理论谱形,伪峰较少,平滑性和一致性方面表现较好,并且对数据噪声的容忍度更高。同时,设计了一种基于人工智能芯片的漂流波浪浮标系统,通过AI软硬件系统对不同任务进行动态调度分配,实现浮标低功耗运行,有效提升了波浪测量性能及海上工作时间,是遥感卫星高精度获取大范围、长时序全球性海洋观测数据的一种有效补充。

关键词：方向谱漂流浮标海洋观测遥感定标

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全球变暖下南大洋吸热的季节变化特征

中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第3期54卷 9-19页

作者：罗菁郑小童中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室海洋与大气学院山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东青岛266237

本文基于第六次耦合模式比较计划的未来高排放情景试验模拟结果,研究全球变暖背景下未来南大洋吸热的季节变化。发现在未来变暖气候下南大洋占全球海洋累积吸热的近一半。未来南大洋海洋吸热有明显季节变化:南半球春、秋季吸热峰值大致... 详细信息

本文基于第六次耦合模式比较计划的未来高排放情景试验模拟结果,研究全球变暖背景下未来南大洋吸热的季节变化。发现在未来变暖气候下南大洋占全球海洋累积吸热的近一半。未来南大洋海洋吸热有明显季节变化:南半球春、秋季吸热峰值大致位于63°S,夏季70°S附近吸热最小,冬季58°S附近吸热全年最大。秋、冬季海洋吸热的空间结构由湍流热通量主导;春、夏季高纬度海洋吸热主要受辐射通量影响。进一步研究发现,南大洋60°S以南海区净热通量变化趋势与海冰变化有关。春、夏季海冰消融通过海冰-反照率反馈机制产生较大的海洋吸热,而秋、冬季海冰消融加强了海洋向大气放热,造成海洋吸热减少,年平均下二者显著抵消。在南大洋30°S—60°S海区,海洋吸热主要受湍流热通量变化影响,夏、秋季吸热较少,冬、春季吸热较大,这与气候态混合层深度的季节变化有显著关系。此外,本文研究还发现,南大洋上层海洋热量的经向输送对全球变暖的响应也存在显著的季节变化,冬、春季经向热输送的增强范围相较于夏、秋季向赤道和向下延伸,与气候态混合层深度和西风增强的季节变化有关。

关键词：南大洋海洋吸热海气相互作用全球变暖季节变化

两类厄尔尼诺事件对次年山东夏季降水的影响研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 12-22页

作者：张晏铭郑小童中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室海洋与大气学院山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东青岛266237

厄尔尼诺(El Nino)事件可根据海温极大值中心分为东部型El Nino和中部型El Nino。本研究通过观测资料研究了1979-2020年两类El Nino事件对次年山东夏季(6-8月)季节平均和月平均降水异常的影响。结果显示,中部型El Nino次年夏季西北太平... 详细信息

厄尔尼诺(El Nino)事件可根据海温极大值中心分为东部型El Nino和中部型El Nino。本研究通过观测资料研究了1979-2020年两类El Nino事件对次年山东夏季(6-8月)季节平均和月平均降水异常的影响。结果显示,中部型El Nino次年夏季西北太平洋反气旋较气候态偏北,进而增强东亚夏季风,使得山东夏季平均降水偏多。伴随着反气旋在季节内的北移,降水正异常在晚夏(8月)最为显著,而东部型El Nino次年夏季反气旋较气候态偏南偏弱。同期日本列岛地区由于东亚-太平洋遥相关负位相的出现产生异常气旋,山东地区受气旋西侧干冷北风控制,夏季降水偏少。由于气旋强度在季节内逐渐降低,所以山东干旱在初夏(6月)最显著。这些结果可以为未来山东夏季降水季节预测提供重要参考。

关键词：中部型El Nino 东部型El Nino 西北太平洋反气旋东亚-太平洋遥相关山东夏季降水

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渤海典型油品短期风化过程的实验研究

海洋与湖沼 2024年

作者：徐江玲刘桂艳奉杰毕凡李轶斐曹瑞辰吕咸青山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室自然资源部北海预报减灾中心中国海洋大学海洋与大气学院中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心/物理海洋教育部重点实验室

针对海上溢油的短期风化过程，选取目前渤海区域油田主要生产的5种典型的油品进行了短期风化过程的实验分析，以探讨蒸发、乳化和沉潜作用对油品的具体影响。实验结果显示，油膜厚度、风速和温度显著影响蒸发过程，而乳化物的形成及其... 详细信息

针对海上溢油的短期风化过程，选取目前渤海区域油田主要生产的5种典型的油品进行了短期风化过程的实验分析，以探讨蒸发、乳化和沉潜作用对油品的具体影响。实验结果显示，油膜厚度、风速和温度显著影响蒸发过程，而乳化物的形成及其稳定性则与胶质和沥青质的含量紧密相关。蒸发过程主要引发油品密度的变化，乳化过程则对油品的密度和粘度均造成显著影响。特别值得注意的是，在高温区间内，温度对蒸发率的影响呈现出相对减弱的趋势，且船舶燃油和10号柴油的蒸发率对风速的变化表现出更高的敏感性。此外，低粘度油品的沉潜过程主要受小粒径悬浮颗粒物的影响，而大粒径颗粒物则更易促进高粘度油品的沉潜。基于上述实验数据，建立了经验公式，用以量化蒸发率、乳化率和沉潜率与环境因素及油品性质之间的关联，公式在描述油膜厚度、风速和温度对风化过程的影响时，拟合度R2基本可以达到0.9。这些实验结果和经验公式为预测海上溢油行为提供了有力的工具，有助于制定更为精准的溢油应急处理策略。

关键词：海洋溢油风化过程蒸发乳化沉潜

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一次北极地区低云转化为海雾的观测研究

中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第7期54卷 12-21页

作者：焦瀚沈辉衣立张苏平王晓宇刘一林中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿中心山东青岛266100 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 国家海洋环境预报中心北京100081 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100

2016年8月11日,中国第七次北极科学考察在82.75°N,163.25°W附近观测到一次海雾过程。本文利用船载观测数据和浮冰站通量系统观测数据,结合再分析资料,对海雾的形成机理进行研究。结果表明,冷高压系统在冰面的加强,增强了下沉运动,使... 详细信息

2016年8月11日,中国第七次北极科学考察在82.75°N,163.25°W附近观测到一次海雾过程。本文利用船载观测数据和浮冰站通量系统观测数据,结合再分析资料,对海雾的形成机理进行研究。结果表明,冷高压系统在冰面的加强,增强了下沉运动,使逆温层高度明显降低。伴随低云云底高度下降,冰面能见度下降至不足1 km。在低云下降过程中,冰面气象要素表现为增湿和降温的特征。冷平流和冰面的冷却作用导致气温下降,高低压之间的偏南气流将楚科奇海的水汽输送到密集浮冰区,为海雾提供了充足的水汽。冰面的升华和蒸发作用一方面对底层大气水汽增加有贡献,另一方面使冰面失去潜热导致冰面温度下降。

关键词：北极海雾低云观测机理平流高压下沉