黃東海黃海、東海海域海氣相互作用研究

黃東海黃海、東海海域海氣相互作用研究

1資助中國(guó)海洋政策中國(guó)的海上氣主要來(lái)自：（1）長(zhǎng)江流區(qū)、淮河流區(qū)和淮河流區(qū)，稱為江淮氣，約44.4%；（2）東海以南和臺(tái)灣東北部，稱為東海氣，約30.7%；（3）黃河下游和漢江流域（包括渤海和南黃海）被稱為黃河氣，約占22.9%。研究了黃海和東海海上氣候變化的研究（具體文獻(xiàn)）。然而，本研究是第一次進(jìn)行開發(fā)，因此與海洋和氣候相結(jié)合，并根據(jù)海洋和氣候的相互作用研究了黃海和東海海氣的發(fā)展。根據(jù)1999年中國(guó)（包括中國(guó)俄羅斯國(guó)家發(fā)展計(jì)劃）、韓國(guó)和日本三國(guó)科學(xué)家合作的項(xiàng)目，本項(xiàng)目開展了以下兩個(gè)研究主題。研究了中國(guó)國(guó)家博物館第二個(gè)海洋研究所和海洋環(huán)境模擬中心、中國(guó)中國(guó)人民大學(xué)海洋研究所和日本廣島大學(xué)的氣候?qū)W研究。1999年6月4日至19日，第二個(gè)流動(dòng)研究號(hào)由來(lái)自南黃海和東海的中國(guó)海洋研究所和日本廣島大學(xué)的科學(xué)家在《cd》、《acp》、《錨溢流動(dòng)系統(tǒng)》、《溫度鏈觀測(cè)系統(tǒng)》和《觀測(cè)量》。1.在1級(jí)物理海洋學(xué)中，科學(xué)觀測(cè)包括ctd、acp流動(dòng)系統(tǒng)、流量測(cè)量系統(tǒng)、錨流量測(cè)量系統(tǒng)、溫度鏈觀測(cè)系統(tǒng)等。感受一下這兩艘船的觀測(cè)站和斷面。在1999年6月，韓國(guó)海洋研究與開發(fā)研究所（kordi）在1997年6月17日至25日實(shí)施了第二艘旅行。韓國(guó)遠(yuǎn)東研究與開發(fā)研究所（以下簡(jiǎn)稱航道2）也對(duì)黃海以南東海的海面進(jìn)行了研究和研究（以下簡(jiǎn)稱航次2）。如圖1所示，在1999年6月黃海和東海的海上調(diào)查中，發(fā)生和開發(fā)了江淮和江淮的兩次氣田。6月10日至6月16日。6月，從空氣動(dòng)力學(xué)原理的角度，研究了氣田的前部和后部，并獲得了相對(duì)完整的氣田數(shù)據(jù)。為了確認(rèn)6月份的船和測(cè)量的中心之間有一定距離，因此只獲得了一些測(cè)量區(qū)域的數(shù)據(jù)。在這項(xiàng)工作中，我們?nèi)婵偨Y(jié)和討論了該項(xiàng)目的物理海洋學(xué)和氣候研究。2物理海洋科學(xué)與海洋氣象觀測(cè)2.1物理海洋學(xué)觀測(cè)2.1.1兩種adcp海流觀測(cè)第一航次共在4個(gè)觀測(cè)斷面(PN,C1,C2,C3)(見圖1)上執(zhí)行了CTD觀測(cè),共69個(gè)測(cè)站,垂向方向?yàn)?00hPa資料.ADCP觀測(cè)資料有兩種:(1)船載ADCP走航式全航程海流資料,1min一次記錄,垂直層次由20m至240m;(2)日本國(guó)廣島大學(xué)拖曳式ADCP走航式海流觀測(cè),日方還配有3臺(tái)差分GPS全航程高精度定位記錄.我們比較了兩種ADCP觀測(cè)資料,兩者甚為一致.圖2a、圖2b分別為在6月10日入海氣旋發(fā)展與調(diào)查船相遇前與后在20m處ADCP觀測(cè)流的結(jié)果,其中C204站為ADCP測(cè)流連續(xù)站(參見圖1與圖2b).錨碇測(cè)流站位于C208站(31°49.476′N,125°29.468′E),觀測(cè)時(shí)間為1999年6月5～14日,10min一次記錄,30m及45m兩個(gè)層次.在30m處上述海流觀測(cè)期間平均流速(u,v)=(6.9,-3.0)(單位:cm/s);而在45m處平均流速(u,v)=(3.7,-1.1)(單位:cm/s).這表明,在C208錨碇測(cè)流站30m與45m處平均流速皆為東南方向.對(duì)該錨碇測(cè)流站的海流與溫度的時(shí)間序列,我們都作了譜分析.我們還與我國(guó)臺(tái)灣學(xué)者合作施放溫度鏈的觀測(cè),詳細(xì)參見文獻(xiàn).2.1.2ctd觀測(cè)第二航次共在7個(gè)斷面,即1999年6月17～25日在斷面A,B,C,D,E,H及G上執(zhí)行了CTD觀測(cè)(見圖1a),垂向方向?yàn)?100hPa資料.而第一航次共4條斷面:PN,C1,C2及C3(見圖1a),在1999年6月5～10日?qǐng)?zhí)行了CTD觀測(cè),這表明兩個(gè)航次的CTD觀測(cè)的時(shí)間差約為兩個(gè)星期左右.2.2海上氣象觀測(cè)為了研究黃海、東海海域出海氣旋發(fā)展過(guò)程的氣象特征,1999年6月在黃海、東海海上調(diào)查時(shí)進(jìn)行了加密氣象觀測(cè)和熱通量觀測(cè).氣象觀測(cè)內(nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、海表溫度、能見度和浪高等.每天觀測(cè)8次,從02時(shí)開始觀測(cè),23時(shí)結(jié)束,每3h觀測(cè)一次.利用超聲風(fēng)速儀和溫度脈動(dòng)儀進(jìn)行風(fēng)速和溫度脈動(dòng)量觀測(cè).3物理海洋研究的主要結(jié)果表明3.11溫、鹽垂直分布對(duì)1999年6月調(diào)查海域水文特征,樓如云等已作了詳細(xì)分析,本文作以下概括:(1)長(zhǎng)江沖淡水和黃海沿岸水.長(zhǎng)江沖淡水在近海面約10m的薄層內(nèi)呈低鹽水舌狀向濟(jì)州島方向擴(kuò)展,取鹽度31作為低鹽水舌的外緣指標(biāo),其前緣越過(guò)124°E.長(zhǎng)江沖淡水的北面,有一股溫度較低,鹽度相對(duì)較高的海水南下,阻礙了長(zhǎng)江沖淡水沿蘇北海岸北上,并迫使其轉(zhuǎn)向東北,向濟(jì)州島方向流動(dòng).這股低溫水來(lái)自蘇北沿岸,通常稱為“蘇北沿岸水”或“黃海沿岸水”.蘇北沿岸水南下,在15m及其以深發(fā)展成一支東南方向的低溫水舌.在25m層,以溫度17℃作為外緣指標(biāo),舌的前鋒抵達(dá)30°N,控制了本計(jì)算海域西北及中部的較大區(qū)域.在31°30′N,125°30′E附近,14℃等溫線呈封閉狀,形成低溫中心,最低溫度約為12.7℃,對(duì)應(yīng)鹽度約為33.15.該低溫中心隨深度增加逐漸向東移動(dòng),至深層位于126°E附近,最低溫度約為12.4℃,對(duì)應(yīng)鹽度約為33.18.低溫水在向東南入侵的過(guò)程中于29°20′N,127°E附近受到一股高溫高鹽水的阻擋,這股高溫高鹽水溫度大于21℃,鹽度大于34,為臺(tái)灣暖流水.蘇北沿岸水和臺(tái)灣暖流的交匯處形成一支較強(qiáng)的鋒,呈西南—東北方向,在25m層寬約25.6nmile,溫、鹽的水平梯度分別約為0.2℃/nmile和0.03/nmile.沿冷水舌外緣南下的一部分海水,在臺(tái)灣暖流及地形的作用下,于30°N,126°E附近,作氣旋式彎曲,先轉(zhuǎn)向東,后轉(zhuǎn)向東北及偏北方向流動(dòng).并在30°40′～32°N,125°～126°30′E范圍內(nèi),出現(xiàn)一個(gè)氣旋式冷渦.黃海沿岸流及部分東海陸架水向南流動(dòng),沿以下所述黃海冷水團(tuán)外緣作氣旋式彎曲后轉(zhuǎn)向東北.(2)濟(jì)州島西南高密、冷渦.如上所述,在30°40′～32°N,125°～126°30°E處,濟(jì)州島西南出現(xiàn)一個(gè)氣旋式冷渦,具有高密、低溫水的特征,其中心位置隨深度增加逐漸向東移動(dòng)等等.(3)黃海冷水團(tuán).在34°N,124°E附近出現(xiàn)另一個(gè)低溫中心,25m層上的最低溫度約9.5℃,對(duì)應(yīng)鹽度32.6,50m層上的最低溫度約為8.7℃,相應(yīng)鹽度32.7.該低溫中心正位于黃海冷水團(tuán)的南邊界.C3斷面的溫鹽分布圖大致反映了1999年夏季南黃海冷水團(tuán)的垂直結(jié)構(gòu).靠近陸架一側(cè)海水分層明顯,在20～30m處形成較強(qiáng)的躍層,躍層以下為一個(gè)離底厚約20m的均勻混合層,溫度約為9℃,鹽度約為32.8,呈現(xiàn)出低溫中鹽的特征.(4)臺(tái)灣暖流水.臺(tái)灣暖流位于長(zhǎng)江沖淡水以南及東南側(cè),對(duì)夏季長(zhǎng)江沖淡水的轉(zhuǎn)向,濟(jì)州島西南冷渦的形成等具有重要作用.前面已經(jīng)提到蘇北沿岸水向東南方向流動(dòng),在29°20′N,127°E附近受到臺(tái)灣暖流的阻擋,形成一支較強(qiáng)的鋒.這里我們?nèi)←}度34,對(duì)應(yīng)溫度20℃作為臺(tái)灣暖流的外緣指標(biāo).(5)黑潮水.高溫高鹽水、東海黑潮經(jīng)過(guò)本計(jì)算海區(qū)東南部,表層溫度大于27℃,鹽度大于34.4為東海黑潮的主干.西側(cè)為臺(tái)灣暖流及陸架混合水.5～6站出現(xiàn)較強(qiáng)的鋒.黑潮水的最大鹽度值出現(xiàn)在斷面東側(cè)80～200m深處,約為34.9.我們?nèi)N斷面3號(hào)站的溫、鹽垂直分布來(lái)討論黑潮水的垂直結(jié)構(gòu),黑潮水自上而下可分為4層:1)高溫次高鹽的表層水:大約位于0～50m范圍內(nèi),溫度最高,鹽度較低,溫、密分布呈準(zhǔn)均勻狀態(tài).2)次表層的高鹽水:大約位于100～200m范圍內(nèi),海水鹽度達(dá)到最高值,約為34.9,溫度隨深度增加而降低,密度隨深度增加而增加.3)中層低鹽水:大約位于500～750m范圍內(nèi),海水鹽度達(dá)到最低值,最小鹽度約為34.2,溫度繼續(xù)隨深度增加而降低.4)深層低溫水:溫度達(dá)到最低,深層約為4.6℃,鹽度高于中層的低鹽水.上述的水文分布和環(huán)流的特征,對(duì)以下海上氣象觀測(cè)得到的通量分布的變化有較好對(duì)應(yīng),表明海洋表層水文和環(huán)流的特征對(duì)大氣的影響.3.21999年6月，這兩艘航線在研究了海拔高度的特點(diǎn)3.2.1決策與水文特性關(guān)于該航次的環(huán)流,已在文獻(xiàn)作了詳細(xì)敘述,在此我們作以下概述.首先從海流觀測(cè)結(jié)果有以下兩點(diǎn):(1)分析了ADCP測(cè)流資料,對(duì)氣旋相遇(時(shí)間在6月10日20時(shí)40分前后,在PN7站附近相遇)前后獲得的兩次實(shí)測(cè)流場(chǎng)進(jìn)行了分析,作了氣旋相遇前后全面對(duì)比(見圖2).揭示了氣旋進(jìn)入與離開本海區(qū)前后調(diào)查海區(qū)海流的時(shí)空變化.(2)對(duì)錨碇測(cè)流系統(tǒng)上、下層海流與溫度時(shí)間序列變化進(jìn)行了譜分析計(jì)算.首先我們比較了臺(tái)灣大學(xué)溫度鏈的溫度時(shí)間序列與安德拉海流計(jì)獲得的溫度時(shí)間序列,兩者非常一致,表明都是高質(zhì)量的資料.通過(guò)錨系測(cè)流的觀測(cè)表明:1)在調(diào)查期在30m和45m處平均流速方向都為東南方向,如上所述.在觀測(cè)期間海流變得愈來(lái)愈強(qiáng),這可能是由于潮流從小潮到大潮的過(guò)渡的緣故.注意到在圖2中ADCP觀測(cè)流未去掉潮流部分.2)在海流振動(dòng)中,半日周期振動(dòng)是最主要的,其振動(dòng)方向基本上是按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn).除半日潮,慣性振動(dòng)等周期以外,在上層與下層都還揭示了3d左右低頻周期振動(dòng).3)海流交叉譜計(jì)算表明,在30m深處與45m深處海流的振動(dòng)十分相似,且同步.表明此地流速方向在垂直方向分布是較為均勻的.4)比較不同層次溫度隨時(shí)間變化序列表明,在不同深度上溫度隨時(shí)間變化基本上是同步的,這與速度場(chǎng)的變化相類似,這也是從觀測(cè)結(jié)果首次得到的.其次,在研究方法上,海洋模式有改進(jìn)逆模式、P矢量方法、三維非線性診斷模式、半診斷模式與預(yù)報(bào)模式,以及MOM2模式,系統(tǒng)地揭示1999年6月幾個(gè)航次以及以前幾個(gè)航次黃海、東海海域各流系的變化特征,獲得了一些重要結(jié)果.我們分別地采用改進(jìn)逆模式、P矢量方法、三維非線性診斷模式,半診斷模式與預(yù)報(bào)模式,計(jì)算了海流分布,與ADCP實(shí)測(cè)流比較,都甚為一致.還計(jì)算了通過(guò)觀測(cè)斷面的流量與熱通量,以及海氣熱交換通量.限于篇幅,這里以改進(jìn)逆方法得到的計(jì)算結(jié)果(見圖4)為例,闡明1999年6月第一航次在黃海、東海海域環(huán)流的以下主要特征.(1)黑潮在PN斷面有一個(gè)核心,核心在陸坡上,最大流速為120cm/s.在PN斷面的最東部分,也存在一支北向流.在兩支北向流之間存在一個(gè)反氣旋暖渦,出現(xiàn)在海洋上層,在PN斷面西側(cè)、黑潮以西存在一個(gè)很弱的氣旋式渦,此處溫度與鹽度都相對(duì)低.這是在東海PN斷面上海流結(jié)構(gòu)的一個(gè)存在形式.從以下海上熱通量觀測(cè)結(jié)果可知,黑潮及其兩側(cè)暖、冷渦對(duì)氣旋發(fā)展與加強(qiáng)所需能量以及氣旋路徑是很重要的.(2)黑潮與臺(tái)灣暖流外側(cè)分支通過(guò)PN斷面的總的凈北向流量約為26.2×106m3/s.臺(tái)灣暖流的內(nèi)側(cè)分支通過(guò)本計(jì)算海域的流量約為0.4×106m3/s.(3)在本海域的最北斷面C3,在測(cè)站C3-6與C3-11之間30m以深存在一個(gè)均勻冷水層,正是黃海冷水團(tuán)的西南邊緣.(4)黃海沿岸流向東南方向流入本海區(qū),由上述水文分析可知,這支流具有低溫特征.圖4表明這支流向東南方向流動(dòng),這是與錨碇測(cè)流的結(jié)果相一致的,并向南可達(dá)C113站附近,這表明黃海沿岸流對(duì)黃海、東海陸架的影響.然后它受臺(tái)灣暖流北上的作用,也受地形影響,作氣旋式彎曲,然后向東北方向流動(dòng).臺(tái)灣暖流對(duì)本海域的陸架部分海流起著重要的作用.從以下海氣相互作用研究可知,因?yàn)辄S海沿岸水具有冷水特征,臺(tái)灣暖流則具有暖水流特征,它們之間相互作用與分布情況將直接影響海洋與大氣之間熱通量分布,以及海洋向大氣放熱或吸熱等情況.(5)在黃海沿岸流作氣旋式彎曲北側(cè),存在一個(gè)氣旋式渦,該渦具有高密、冷水的特性.從以下可知,該冷渦也將直接影響該區(qū)域海-氣熱通量分布等情況.綜上所述,黃海、東海海域水文與環(huán)流特征分布對(duì)海上感熱與潛熱通量分布起著重要作用,從而對(duì)氣旋發(fā)展與路徑起著主要影響,我們將在以下再作深入討論.3.2.2兩國(guó)航次和兩航次基于1999年6月第二航次調(diào)查資料,采用改進(jìn)逆方法,我們獲得以下主要結(jié)果:(1)在斷面A中間處30m以深及斷面B中間處20m以深存在均勻混合層,它具有冷水的特征,是黃海冷水團(tuán)的南側(cè)部分.(2)黃海沿岸水通過(guò)斷面A的西側(cè)向南流入本海域.(3)濟(jì)州島以南125°30′～127°E之間在斷面C與D存在一個(gè)冷的、高密水(HDW),HDW環(huán)流是氣旋式的.與第一航次相比較,表明這兩個(gè)航次雖然在時(shí)間上相差兩個(gè)星期左右,但在第二航次時(shí)該HDW氣旋式渦要稍向北移動(dòng).(4)在斷面E最西側(cè)附近,存在一個(gè)低密度的暖水,其環(huán)流具有較弱的、反氣旋式的特征.(5)部分黑潮通過(guò)E斷面的凈北向流量約為6.2×106m3/s,其最大流速為91.4cm/s.與第一航次相比較,在第二航次時(shí)黑潮主流的位置似乎稍向東移動(dòng).黑潮的西側(cè)臺(tái)灣暖流的外分支通過(guò)E斷面的凈北向流量約為0.4×106m3/s.關(guān)于上述兩個(gè)航次雖然在時(shí)間上相差兩個(gè)星期左右,而它們的海流與渦出現(xiàn)了上述變化,是首次揭示的.3.3環(huán)流動(dòng)力與流動(dòng)力如上所述,黃海、東海各流系相互作用,以及黑潮及其兩側(cè)暖渦、冷渦變化對(duì)黃海、東海入海氣旋發(fā)展與路徑有很大影響.為此,系統(tǒng)地研究黃海、東海環(huán)流的變異很重要的,限于篇幅,我們列舉以下幾點(diǎn):(1)系統(tǒng)地計(jì)算了東海黑潮與琉球海流的流量與熱通量.研究了它們的季節(jié)變化、年變化及其動(dòng)力原因.特別研究了1997～1998年強(qiáng)厄爾諾現(xiàn)象引起的東海黑潮的變異.(2)我們還采用MOM2模式揭示底邊界混合對(duì)黃海冷水團(tuán)的環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響,提出新的黃海三維環(huán)流結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力機(jī)制.(3)系統(tǒng)地研究在黑潮附近及其以下南向流及其變化.(4)關(guān)于氣旋發(fā)展過(guò)程中對(duì)海洋的反應(yīng)主要有以下幾個(gè)點(diǎn):1)氣旋發(fā)展伴隨著強(qiáng)風(fēng),由此產(chǎn)生風(fēng)海流,因此對(duì)風(fēng)海流的影響變化主要在海洋上層.2)關(guān)于熱通量的影響,觀測(cè)與計(jì)算都表明在海洋表層溫度反應(yīng)明顯,有較大的變化,但在海洋中、深層反應(yīng)緩慢,要依賴于深度及海洋垂直渦動(dòng)系數(shù)等參數(shù)的變化,文獻(xiàn)給出了具體幾個(gè)例子.氣旋發(fā)展過(guò)程中海面上熱交換對(duì)海洋流速的影響變化是不大的.4海洋生態(tài)學(xué)的主要結(jié)果之一主要基于本航行序列的研究數(shù)據(jù)4.1海上調(diào)查資料的分析結(jié)果在調(diào)查期間潛熱通量一般白天大夜間小,有明顯日變化.感熱通量日變化較小.潛熱通量明顯大于感熱通量.在黃海、東海海上調(diào)查期間有兩個(gè)江淮氣旋分別發(fā)生和發(fā)展,時(shí)間分別是1999年6月10～11日和6月16～17日.在6月10～11日期間調(diào)查船從氣旋的前部迎面穿過(guò)氣旋的中心到達(dá)氣旋的后部,取得了比較完整的資料.6月16日由于調(diào)查船與氣旋中心有一定距離,因此我們僅取得了氣旋部分區(qū)域的資料.6月10日08時(shí)氣旋已在長(zhǎng)江下游形成,中心位置在31°N,119°E,14時(shí)氣旋開始進(jìn)入東海.6月11日08時(shí)氣旋到達(dá)日本西南部海域,中心位置在28°N,130°E.6月10日14時(shí)以前調(diào)查船的位置距氣旋中心區(qū)域較遠(yuǎn),6月10日14時(shí)至6月11日02時(shí),調(diào)查船迎面穿過(guò)氣旋.6月11日05時(shí)以后調(diào)查船逐漸遠(yuǎn)離氣旋中心區(qū)域.6月10日14時(shí)以前潛熱通量為正值,數(shù)值在17.5W/m2以上.6月10日17時(shí)和6月11日02時(shí)潛熱通量是負(fù)值,數(shù)值分別為-27W/m2和-28W/m2.6月11日05時(shí)以后潛熱通量又為正值,數(shù)值在31W/m2以上.感熱通量的變化情況與潛熱通量類似,但當(dāng)感熱通量為正數(shù)時(shí)數(shù)值都很小.海上調(diào)查資料分析結(jié)果詳見文獻(xiàn).圖5a、圖5b分別表示1999年6月航次感熱通量和潛熱通量的水平分布.我們將從海洋與大氣的相互作用與關(guān)系出發(fā),對(duì)圖5感熱與潛熱通量的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行定性分析.為什么我們?cè)诖诉€要對(duì)海洋通量作進(jìn)一步分析呢?因?yàn)楹Ｑ笸枯斔蛯?duì)東海氣旋有非常重要作用,如文獻(xiàn)所指出.首先分析出現(xiàn)負(fù)的感熱與潛熱通量的區(qū)域,圖5a、圖5b都表明:(1)在C113站附近出現(xiàn)負(fù)的感熱與潛熱通量的中心,與圖4相對(duì)比,此處恰好為黃海沿岸水向東南方向流動(dòng),作氣旋式彎曲處,如上所述,黃海沿岸水具有溫度較低的特征,這是此處出現(xiàn)負(fù)的熱通量的原因之一;(2)在濟(jì)州島西南出現(xiàn)的負(fù)的感熱和潛熱熱通量,這與濟(jì)州島西南出現(xiàn)的冷渦有較大關(guān)系;(3)在PN斷面的西側(cè)、黑潮以西也出現(xiàn)了負(fù)的感熱與潛熱通量,如上所述,潛熱通量的最大絕對(duì)值為28W/m2.與圖4相對(duì)比,此處是黑潮以西氣旋式渦,具有溫度與鹽度相對(duì)低的特征,因此,此地出現(xiàn)的負(fù)值熱通量與此處上述水文與流的特征有關(guān).其次,從圖4與圖5可見,在黑潮區(qū)以及黑潮核心以東暖渦區(qū)出現(xiàn)高的、正的感熱與潛熱通量,這明顯地是與黑潮與暖渦的高溫特征直接有關(guān).上述分析表明觀測(cè)的感熱與潛熱通量分布與黃海、東海海域水文與環(huán)流特征是直接相關(guān)的.4.2氮?dú)鈻|移的影響利用NCAR中尺度模式模擬了1999年6月10～11日和6月16～17日出海氣旋的發(fā)展過(guò)程,氣旋出海后的發(fā)展和移動(dòng)路徑與實(shí)際情況比較接近.模式計(jì)算結(jié)果表明,1999年6月10日14時(shí)(北京時(shí),下同)有一氣旋在長(zhǎng)江口附近生成,有明顯的氣旋性環(huán)流.在氣旋中心右側(cè),長(zhǎng)江口附近海面上有一個(gè)負(fù)的潛熱通量區(qū),中心區(qū)的值接近-40W/m2.在黑潮海域和日本西南海域存在一很大的正潛熱通量區(qū),中心區(qū)的潛熱通量值可達(dá)260W/m2以上(見圖6).感熱通量的分布與潛熱通量相似;在長(zhǎng)江口東側(cè)海域感熱通量值約-20W/m2,但日本西南海域正感熱通量值僅30W/m2左右,比潛熱通量小一個(gè)量級(jí)(圖略).此氣旋出海后基本上向東移動(dòng).6月10日20時(shí)在氣旋中心區(qū)為負(fù)潛熱通量和感熱通量區(qū),其中心區(qū)的潛熱和感熱通量值為-30～-50W/m2.在氣旋移動(dòng)方向的前方黑潮海域和日本西南海域存在一強(qiáng)大的正熱通量區(qū),中心區(qū)潛熱通量值可達(dá)300W/m2以上,感熱通量為80W/m2(見圖7潛熱通量分布圖,感熱通量分布圖略).此后,氣旋繼續(xù)東移.6月11日02時(shí)在氣旋中心左側(cè)仍有微弱的負(fù)熱通量區(qū),潛熱通量約-15W/m2,感熱通量接近-30W/m2.氣旋中心右側(cè)為正熱通量區(qū).在黑潮海域和日本西南海域仍為強(qiáng)大的熱通量區(qū),中心區(qū)的潛熱通量為360W/m2,感熱通量為130W/m2左右.6月11日08時(shí)氣旋東移至日本西南海域,整個(gè)氣旋區(qū)的潛熱通量都為正值,在氣旋中心南部仍有微弱的負(fù)感熱通量區(qū).此后氣旋繼續(xù)東移,移出數(shù)值模擬研究區(qū)域.對(duì)6月16～17日氣旋出海發(fā)展過(guò)程也作了數(shù)值模擬.氣旋出海后向東北方向移動(dòng),其移動(dòng)路徑與實(shí)際情況很接近.在氣旋出海發(fā)展過(guò)程中在氣旋中心區(qū)附近也存在負(fù)的熱通量區(qū),但在東海、日本以西海域的潛熱通量和感熱通量都明顯小于6月10～11日的氣旋個(gè)例的通量值.上述數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了海上調(diào)查時(shí)觀測(cè)到的氣旋中心區(qū)附近存在負(fù)的潛熱通量和感熱通量,并給出氣旋出海發(fā)展過(guò)程通量的分布情況.從歷史資料分析結(jié)果來(lái)看,氣旋出海后一般向東北方向移動(dòng),但1999年6月10～11日出海氣旋卻向東移動(dòng).此氣旋東移除受高空背景氣流影響外,在出海氣旋移動(dòng)前方黑潮海域和日本西南海域存在強(qiáng)大的正熱通量區(qū),從海洋向大氣提供充足的能源也可能是使氣旋東移的重要原因之一,可知海洋對(duì)氣旋發(fā)展與路徑起著重要作用.4.3中國(guó)近海海域吸收輻射特征模式計(jì)算結(jié)果表明,1999年5月和6月在黃海、東海海域近海面大氣層有來(lái)自南方海域的暖濕空氣的平流輸送.6月的平流輸送比5月的更強(qiáng).白天(14時(shí))海面凈通量從海面向海洋深處輸送,夜間(02時(shí))則反之.1998年我國(guó)近海大部分海域4月海面接受的短波凈輻射最強(qiáng),大部分海域吸收輻射在225W/m2左右.我國(guó)渤海海域和日本以西及我國(guó)臺(tái)灣以東海域吸收輻射都超過(guò)250W/m2.南海海域吸收輻射低于225W/m2,在海南島附近海域?yàn)?00W/m2左右.夏季(7月)黃海和東海海域吸收輻射仍較高,與4月的值差不多,但臺(tái)灣附近海域和南海海域吸收輻射都比4月的低.在秋季(10月)我國(guó)近海大部分海域吸收輻射都在225W/m2以上,僅南海南部海域吸收輻射較低,在125W/m2以下.冬季(1月)我國(guó)近海海域吸收輻射都較低,基本保持南高北低的分布形勢(shì).夏季(7月)在我國(guó)近海海域海面長(zhǎng)波凈輻射分布較均勻,其值為50W/m2左右.冬季(1月)在日本海為海面長(zhǎng)波凈輻射高值區(qū),其值為125W/m2,向南隨緯度降低海面長(zhǎng)波凈輻射有所降低.在春季和秋季在我國(guó)近海長(zhǎng)波凈輻射值較低,其值為50～75W/m2,南北沒(méi)有明顯的差異.我國(guó)近海海域在4月、7月、10月的感熱通量值非常小,接近于零,1月在日本海有一感熱通量高值區(qū),中心區(qū)的值達(dá)150W/m2以上,在黃海、東海海域其值為75～100W/m2,隨著緯度降低其值逐漸減小.我國(guó)近海海域月平均潛熱通量在冬季(1月)出現(xiàn)最大值,在東海和日本海各有一極大值區(qū),東海高值區(qū)的值為250W/m2,日本海高值區(qū)為200W/m2,都高于熱帶太平洋觀測(cè)的潛熱通量.在夏季(7月)潛熱通量最低,黃海和日本海為潛熱通量最低值區(qū),中心值為25W/m2.與文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果比較,1998年我國(guó)近海海域潛熱通量值比一般年份相應(yīng)值高,與出現(xiàn)厄爾尼諾事件的1987年的結(jié)果相近.1998年也為厄爾尼諾年,這說(shuō)明厄爾尼諾事件發(fā)生可能會(huì)影響我國(guó)近海海域的熱通量分布,尤其是冬、春季的潛熱通量分布.模式計(jì)算的海表凈通量Nsfc(Nsfc=SWg-LWg-Hs-Hg,其中SWg為地表短波凈輻射,LWg為地表長(zhǎng)波凈輻射,Hs為感熱通量,Hg為潛熱通量)分布表明,在冬季(1月),黃海、東海和日本海以及孟加拉海灣為Nsfc值負(fù)值區(qū),其值達(dá)-50W/m2,表明這些海域海面凈通量為從海洋向大氣輸送.在南海海域Nsfc值為正,表明該海域海面凈通量為海面向海洋深處輸送.在夏季(7月),黃海、東海和日本海的Nsfc值為正值,其值達(dá)50W/m2,表明這些海域海面凈通量為從海面向海洋深處輸送.在南海海域和孟加拉灣海域Nsfc為負(fù)值,海面凈通量從海面向大氣輸送.春季(4月)在日本海、日本南部海域和我國(guó)東部海域?yàn)镹sfc負(fù)值區(qū),而其他近中國(guó)海域和孟加拉海灣都是Nsfc正值區(qū).秋季(10月)我國(guó)東海和日本南部海域Nsfc為正值區(qū),其他海域?yàn)樨?fù)值區(qū).4.4al元素的干沉降通量氣溶膠樣品的分析結(jié)果表明,不同海域氣溶膠中地殼元素Fe,Al等濃度可相差一個(gè)量級(jí).利用多年的海上氣溶膠觀測(cè)結(jié)果,結(jié)合兩層模式計(jì)算得到,黃海、東海及日本以南海域氣溶膠中Al元素的年平均干沉降速度分別為1.38,1.21,0.78cm/s.擬合譜的質(zhì)量平均粒徑分別為3.4,3.2,2.8μm.東海、黃海、日本以南海域氣溶膠中Al元素每月的干沉降通量分別為42.8,18.3,5.2mg/m2,其中各海域春季的干沉降通量均占全年總通量的40%以上.東海污染元素Sb和Se的干沉降通量的季節(jié)分布同元素分布類似,最大值出現(xiàn)在春季,占全年總量的40%,而日本以南海域污染元素Sb和Se的干沉降通量最大值出現(xiàn)在冬季,其中以燃煤排放為主的Sb元素冬季干沉降通量達(dá)到全年總量的50%.東海、黃海、日本以南海域氣溶膠中每月Al元素的濕沉降通量分別為11.3,11.5,5.3mg/m2;濕沉降通量占總沉降通量的比例分別為20.0%,36.7%,51.6%,越靠近沿岸海域,濕沉降通量的貢獻(xiàn)越小.4季中,夏季的濕沉降通量最大,冬季最小.按沙塵氣溶膠中Al元素占總濃度7%計(jì)算,渤海、黃海及日本以南海域每年沙塵氣溶膠入海通量分別為26.4,9.3,5.1,1.8g/m2,黃海通過(guò)大氣輸入的沙塵量占大氣和河流輸入總量的20%,其中春季大氣的輸入量占總輸入量的40%以上.5爆發(fā)性氣旋形成機(jī)制基于歷史資料,我們也對(duì)入海氣旋發(fā)展進(jìn)行了分析與診斷以及機(jī)理性研究,具體參見文獻(xiàn)[1,11,20,21,22,23,24,25],限于篇幅,我們概括以下幾點(diǎn):(1)分別利用1949～1988年以及1979～1989年的歷史天氣圖資料,對(duì)中國(guó)近海氣旋5～6月份,在25°～35°N,128°E以西海域上的黃海、東海氣旋以及西北太平洋爆發(fā)性氣旋的源地,時(shí)、空變化規(guī)律,移動(dòng)和強(qiáng)度進(jìn)行氣候統(tǒng)計(jì)分析,歸納出其氣候?qū)W特征.指出中國(guó)近海氣旋(含黃海、東海氣旋)大多為弱氣旋,只有約15%在東移過(guò)程中獲得爆發(fā)性發(fā)展.西太平洋爆發(fā)性氣旋多發(fā)于冷季月份,130°E以東的中、高緯洋面上,這種時(shí)、空相對(duì)集中性是海洋氣候背景下的熱力、動(dòng)力學(xué)共同作用的結(jié)果,并指出這種爆發(fā)性氣旋具有連續(xù)爆發(fā)特點(diǎn).(2)NCEP/NCAR水平分辨率為2.5°×2.5°(經(jīng)、緯度),以垂直11層等壓面的再分析資料為基礎(chǔ),對(duì)1990年與1993年6月份兩例東海氣旋的初期發(fā)展物理過(guò)程的敏感性試驗(yàn)表明,來(lái)自海洋的熱輸送對(duì)東海氣旋的初期發(fā)展起著非常重要的作用,不計(jì)初期海洋熱通量可使氣旋強(qiáng)度減少45%以上,其中海洋潛熱的貢獻(xiàn)尤為重要,約為海洋感熱的20倍.海洋熱輸送加大了低層大氣的不穩(wěn)定性,則是東海氣旋發(fā)展的一個(gè)重要原因.進(jìn)一步論述了氣旋區(qū)風(fēng)垂直切變及大氣斜壓性的增強(qiáng)有利于東海氣旋的初期發(fā)展.首次指出,在氣旋整個(gè)生命期中,氣旋位置有從高空急流入口區(qū)的南側(cè)向出口區(qū)的北側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì),有助于氣旋的預(yù)報(bào).(3)西太平洋中、高緯度爆發(fā)性氣旋往往是黃海、東海氣旋東移加深與發(fā)展的結(jié)果.考察了1995年3月兩例典型黃海、東海入海氣旋東移發(fā)展為爆發(fā)性氣旋的全過(guò)程.模式診斷分析了入海氣旋演變?yōu)楸l(fā)性氣旋的不同階段的動(dòng)力過(guò)程以及入海過(guò)程水汽輸送對(duì)后續(xù)氣旋發(fā)展的影響.結(jié)果表明,在冷季強(qiáng)溫度平流與積云對(duì)流產(chǎn)生的大量凝結(jié)潛熱釋放等共同作用下,氣旋可獲得爆發(fā)性發(fā)展.爆發(fā)時(shí)水汽凝結(jié)潛熱釋放所需的水汽來(lái)源于氣旋的入海過(guò)程,并通過(guò)來(lái)自南方的低層水汽平流和水汽輻合以及海-氣之間的潛熱輸送積累水汽.其中,當(dāng)?shù)睾?氣相互作用過(guò)程所積累的水汽起主導(dǎo)作用,它通過(guò)影響后續(xù)凝結(jié)潛熱的釋放在一定程度上制約了入海氣旋能否得到爆發(fā)性發(fā)展.這對(duì)于海洋爆發(fā)性氣旋的預(yù)報(bào)具有重要意義.(4)提出了海洋爆發(fā)性氣旋形成與發(fā)展的一種新的動(dòng)力學(xué)機(jī)制.通過(guò)與爆發(fā)性過(guò)程相聯(lián)系的渦動(dòng)熱通量向極輸送,將季節(jié)尺度的時(shí)間平均有效位能向瞬變渦旋時(shí)間尺度的渦動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)換.在該過(guò)程中轉(zhuǎn)換來(lái)的渦動(dòng)有效位能與積云加熱制造的渦動(dòng)有效位能一起,通過(guò)暖異常區(qū)暖濕空氣上升的斜壓轉(zhuǎn)換,使渦動(dòng)動(dòng)能急劇增長(zhǎng).補(bǔ)充的渦動(dòng)有效位能又加強(qiáng)了這一上升運(yùn)動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生積云對(duì)流活動(dòng)及其潛熱釋放的正反饋過(guò)程,最終導(dǎo)致渦動(dòng)動(dòng)能的急劇增長(zhǎng),海洋爆發(fā)性氣旋形成.海-氣熱通量雖然不是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的直接動(dòng)力,但對(duì)其形成至關(guān)重要,在爆發(fā)性氣旋形成初期,海洋的潛熱輸送已為積云尺度對(duì)流活動(dòng)及潛熱釋放提供了水汽潛力.(5)利用導(dǎo)出的Lagrangian坐標(biāo)下廣義的Z-O方程研究局地氣旋的發(fā)展,研究氣旋爆發(fā)性發(fā)展過(guò)程中各種強(qiáng)迫機(jī)制的相對(duì)貢獻(xiàn),揭示了熱力強(qiáng)迫對(duì)海洋氣旋爆發(fā)性發(fā)展所起的主要控制作用.當(dāng)這種主要的反應(yīng)大氣斜壓性的溫度平流、積云對(duì)流和湍流加熱為主的熱力強(qiáng)迫共同作用增強(qiáng)時(shí),氣旋便出現(xiàn)了爆發(fā)性發(fā)展.此時(shí),渦動(dòng)平流動(dòng)力因子的作用較小.在氣旋開始爆發(fā)時(shí),氣旋處在大范圍的海溫高于氣溫的海區(qū),海洋通過(guò)感熱和水汽向大氣輸送能量,其作用顯著.但在爆發(fā)時(shí)刻,氣旋中心區(qū)海-氣溫差不大,甚至氣溫略高于海溫,此時(shí)海面感熱通量作用很小,與大氣的絕熱冷卻一起,這種大氣向海洋的感熱輸送成為對(duì)氣旋爆發(fā)性加深起阻滯作用的主要熱力過(guò)程.起阻滯作用的動(dòng)力過(guò)程是摩擦耗散.渦度平流、溫度平流和大尺度加熱均可成為爆發(fā)性發(fā)展的啟動(dòng)因子.應(yīng)指出,在爆發(fā)時(shí)刻的氣旋西南方,仍有從海面輸向大氣的顯著感熱通量,下墊面的暖氣流被帶入氣旋中,為凝結(jié)潛熱釋放提供充足的水汽.氣旋爆發(fā)性發(fā)展的不同階段,氣旋中心附近熱力、動(dòng)力因子及有關(guān)物理量的空間分布和垂直廓線明顯不同.氣旋上游的位渦異常,強(qiáng)斜壓性和高空急流的動(dòng)力作用是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的共同特征.(6)從局地能量學(xué)研究了兩個(gè)爆發(fā)性氣旋渦動(dòng)能量的平衡、演變和傳播.主要結(jié)果是:非地轉(zhuǎn)位勢(shì)通量散度和正壓能量轉(zhuǎn)換對(duì)初始渦動(dòng)不穩(wěn)定增長(zhǎng)起主要作用,換言之,上游能量頻散效應(yīng)和正壓不穩(wěn)定是氣旋第一次爆發(fā)性發(fā)展的主要機(jī)制;而斜壓能量轉(zhuǎn)換和渦動(dòng)非絕熱加熱對(duì)后續(xù)的渦動(dòng)不穩(wěn)定增長(zhǎng)起了主要作用.這兩個(gè)過(guò)程緊密聯(lián)系在一起的.可以認(rèn)為,能量頻散效應(yīng)、非絕熱加熱、正壓和斜壓不穩(wěn)定是促使西太平洋氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要物理過(guò)程.與爆發(fā)性氣旋相聯(lián)系的波包是不穩(wěn)定的,在爆發(fā)性發(fā)展過(guò)程中,渦動(dòng)動(dòng)能波包也顯著增大,非線性平流的能通量主要在渦動(dòng)能量中心內(nèi)重新分配能量,它影響著渦動(dòng)能量波包的相速和氣旋的移動(dòng),對(duì)能量平衡和渦動(dòng)能量增長(zhǎng)的作用較小,而非地轉(zhuǎn)位勢(shì)通量矢量是和能量頻散相聯(lián)系的,它主要從一個(gè)渦動(dòng)動(dòng)能中心到另一個(gè)中心之間重新分配,對(duì)局地渦動(dòng)動(dòng)能增長(zhǎng)的作用較大.正是非地轉(zhuǎn)位勢(shì)通量矢量將Rossby變形半徑以外的上游系統(tǒng)的能量頻散到與爆發(fā)性氣旋相對(duì)應(yīng)的渦旋能量中心,才促使氣旋的第一次爆發(fā)性發(fā)展.總渦動(dòng)能量中心的相對(duì)群速度控制了波包的下游發(fā)展,如果在與氣旋相對(duì)應(yīng)的渦動(dòng)能量中心的上游有較強(qiáng)的向下游的能量頻散,且當(dāng)其下游中心的非地轉(zhuǎn)位勢(shì)通量輻合,則該氣旋可能獲得爆發(fā)性發(fā)展,反之亦然.(7)模式的數(shù)值敏感性試驗(yàn)獲得了濕物理過(guò)程、能量頻散、海溫和海面能通量,日本島地形、及初邊值條件等影響氣旋加深率的認(rèn)識(shí).水的微物理過(guò)程,尤其是網(wǎng)格尺度的水汽凝結(jié)未飽和層的云滴、雨滴蒸發(fā),是氣旋爆發(fā)性發(fā)展中最重要的物理過(guò)程.考慮了云水、雨水預(yù)報(bào)的顯式水汽方案是模式成功的一種參數(shù)化物理過(guò)程;模式的模擬對(duì)邊界條件十分敏感.能量的頻散影響很大.若不考慮這一效應(yīng),氣旋的加深率將減少30%.海面能通量在初期比在爆發(fā)性發(fā)展時(shí)更重要,不計(jì)初始時(shí)的海面能通量將影響模擬加深率25%.,而不計(jì)爆發(fā)性發(fā)展時(shí)的海面能通量,這種影響不及前者一半.大氣模式對(duì)海-氣邊界層能通量交換的變化和海洋增暖產(chǎn)生了顯著的熱力學(xué)響應(yīng).海溫對(duì)氣旋的影響至少反映出海洋的增暖會(huì)導(dǎo)致氣旋的明顯加深以及改變模擬的地面氣壓場(chǎng)型式.6主導(dǎo)地位及與相關(guān)機(jī)制的關(guān)系(1)1999年6月黃海沿岸流向東南方向流入本海區(qū),這支流具有低溫特征,向東南方向流動(dòng).然后它受臺(tái)灣暖流北上的作用,也受地形影響,作氣旋式彎曲,然后向東北方向流動(dòng).黃海沿岸流與臺(tái)灣暖流對(duì)對(duì)黃海、東海陸架海域起著重要的作用.因?yàn)辄S海沿岸水具有冷水特征,臺(tái)灣暖流則具有暖水流特征,它們之間相互作用與分布情況將直接影響海洋與大氣之間熱通量分布,以及海洋向大氣放熱或吸熱等情況.(2)在黃海沿岸流作氣旋式彎曲北側(cè),存在一個(gè)氣旋式渦,該渦具有高密、冷水的特性.該冷渦也將直接影響該區(qū)域海-氣熱通量分布等情況.(3)1999年6月黑潮與臺(tái)灣暖流外側(cè)分支通過(guò)PN斷面的總的凈北向流量約為26.2×106m3/s.臺(tái)灣暖流的內(nèi)側(cè)分支通過(guò)本計(jì)算海域的流量約為0.4×106m3/s.(4)黑潮在PN斷面有一個(gè)核心,核心在陸坡上,最大流速為120cm/s.在PN斷面的最東部分,也存在一支北向流.在兩支北向流之間存在一個(gè)反氣旋暖渦,出現(xiàn)在海洋上層,在PN斷面西側(cè)、黑潮以西存在一個(gè)很弱的氣旋式渦,此處溫度與鹽度都相對(duì)低.黑潮及其兩側(cè)暖、冷渦對(duì)氣旋發(fā)展與加強(qiáng)所需能量以及氣旋路徑是很重要的.(5)1999年6月在本海域的最北斷面C3,在測(cè)站C3-6與C3-11之間30m以深存在一個(gè)均勻冷水層,正是