Equatorial pacific SSTA-related decadal variations of potential predictability of ENSO and interannual climate

Based on analysis of NCEP reanalysis data and SST indices of the recent 50 years, decadal changes of the potential predictability of ENSO and interannual climate anomalies were investigated. Autocorrelation of Nino3 SST anomalies (SSTA) and correlation between atmospheric anomalies fields and Nino3 SSTA exhibit obvious variation in different decades, which indicates that Nino3 SSTA-related potential predictability of ENSO and interannual climate anomalies has significant decadal changes. Time around 1977 is not only a shift point of climate on the interdecadal time scale but also a catastrophe point of potential predictability of ENSO and interannual climate. As a whole, ENSO and the PNA pattern in boreal winter are more predictable in 1980s than in 1960s and 1970s, while the Nino3 SSTA-related potential predictability of the Indian monsoon and the East Asian Monsoon is lower in 1980s than in 1960s and 1970s.

Intraseasonal variability of Indian Ocean sea surface temperature during boreal winter: Madden-Julian Oscillation versus submonthly forcing and processes

[ 1] Intraseasonal variability of Indian Ocean sea surface temperature (SST) during boreal winter is investigated by analyzing available data and a suite of solutions to an ocean general circulation model for 1998 - 2004. This period covers the QuikSCAT and Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) observations. Impacts of the 30 - 90 day and 10 - 30 day atmospheric intraseasonal oscillations (ISOs) are examined separately, with the former dominated by the Madden-Julian Oscillation (MJO) and the latter dominated by convectively coupled Rossby and Kelvin waves. The maximum variation of intraseasonal SST occurs at 10 degrees S - 2 degrees S in the wintertime Intertropical Convergence Zone (ITCZ), where the mixed layer is thin and intraseasonal wind speed reaches its maximum. The observed maximum warming ( cooling) averaged over ( 60 degrees E - 85 degrees E, 10 degrees S - 3 degrees S) is 1.13 degrees C ( - 0.97 degrees C) for the period of interest, with a standard deviation of 0.39 degrees C in winter. This SST change is forced predominantly by the MJO. While the MJO causes a basin-wide cooling ( warming) in the ITCZ region, submonthly ISOs cause a more complex SST structure that propagates southwestward in the western-central basin and southeastward in the eastern ocean. On both the MJO and submonthly timescales, winds are the deterministic factor for the SST variability. Short-wave radiation generally plays a secondary role, and effects of precipitation are negligible. The dominant role of winds results roughly equally from wind speed and stress forcing. Wind speed affects SST by altering turbulent heat fluxes and entrainment cooling. Wind stress affects SST via several local and remote oceanic processes.

Annual cycle of stratification and tidal fronts in the Bohai Sea: A model study

In general, competition between buoyancy mechanisms and mixing dynamics largely determines the water column structure in a shelf sea. A three dimensional baroclinic ocean model forced by surface heat fluxes and the 2.5 order Mellor-Yamada turbulence scheme is used to simulate the annual cycle of the temperature in the Bohai Sea. The difference between the sea surface temperature (SST) and sea bottom temperature (SBT) is used to examine the evolution of its vertical stratification. It is found that the water column is well-mixed from October to March and that the seasonal thermocline appears in April, peaks in July and then weakens afterwards, closely following the heat budget. In addition, the Loder parameter based on the topography and tidal current amplitude is also computed in order to examine tidal fronts in the BS, which are evident in summer months when the wind stirring mechanism is weak.

Role of snow depth in spring of Tibetan Plateau in onset of South China Sea summer monsoon

The role of snow depth of Tibetan Plateau in the onset of South China Sea summer monsoon and the influence of ENSO on snow depth of Tibetan Plateau are investigated with use of data from ECMWF reanalysis and NCEP/NCAR reanalysis. The results are as follows: (1) The snow depth data from ECMWF reanalysis are tested and reliable, and can be used to study the influence of snow depth of Tibetan Plateau on the onset of South China Sea summer monsoon; (2) Anomaly of snow depth of Tibetan Plateau causes anomaly in air temperature and its contrast between the Indian Ocean and the continent resulting in easterly wind anomaly over 500 hPa and hence as well as in the atmospheric circulation in the lower layer. For the year of negative anomaly of snow depth a westerly wind anomaly with a cyclone pair takes place, while for positive anomaly of snow depth an easterly anomaly occurs with an anticyclone pair; (3) While positive anomaly of SST occurs in the eastern Pacific Ocean, positive anomaly of air pressure also takes place over the eastern Indian Ocean and the South China Sea, causing stronger meridional pressure gradient between the ocean and continent and then westerly wind anomaly. At the same time, the atmospheric pressure increases in the northern Tibetan Plateau, northerly wind gets stronger, and subtropical front strengthens. All of these are favorable for snowfall over Tibetan Plateau.

黑潮流系与暖池区晚更新世以来的古环境研究

为了填补在菲律宾以东的黑潮源区古环境研究上的空白，加深对于晚更新世以来黑潮流系的变动记录及其驱动机制的了解，以及明确黑潮与低纬度太平洋（西太平洋暖池）古环境变动之间的相关关系，对于黑潮源区的Ph05孔、西太平洋暖池中心的WP3孔、冲绳海槽的CSH1孔的浮游有孔虫动物群落，岩心的粒度矿物组成、碳酸盐含量变化以及有机碳含量等地化指标进行了分析，并结合前人所做的黑潮主流区的WP3孔和DGKS9603孔的数据资料，对于黑潮流系以及西太平洋暖池晚更新世以来的古环境记录进行了分析。 结果表明黑潮源区与西太平洋暖池核心区的长时间尺度的ENSO式的上层水体结构变动对于浮游有孔虫种群组合与生产力变动的控制作用十分显著，生产力的变动领先于全球冰量的变动数千年，而与南极Vostok冰芯中的CO2浓度变化几乎同步，意味着低纬度地区的“生物泵”作用对于调节大气CO2浓度变动很可能起到了主导作用，并且以此为媒介引起全球气候系统的变动，这一结果与近年来提出的热带驱动气候系统变动模式相符。 黑潮源区和暖池区冬季SST仍主要受控于冰期－间冰期旋回的变动，而夏季SST主要受控于低纬度太阳辐射变动的影响；太阳辐射引起的海陆温度梯度导致的冬季风强度变化是引起Ph05孔粉砂粒级组分变动的主要因素，黑潮源区的矿物成分受到东亚冬季风所带来的陆源物质、低纬过程控制的风化作用强度以及火山作用的影响；碳酸盐旋回受控于水深因素，水深最大的Ph05孔受到底层水溶解作用最为强烈，而WP7孔碳酸盐旋回的主要控制因素是钙质生物生产力的变动，另外黑潮源区的碳酸盐含量受到频繁的火山活动的影响。 低纬与高纬气候驱动因子在黑潮源区附近相互耦合，产生30ka的特征周期，当超大型ENSO发生时，暖池收缩，北赤道流减弱，黑潮流速流量随即减小；末次冰期中黑潮仍然存在于冲绳海槽内部，16kaBP之前对马暖流不存在，冲绳海槽北部存在明显的水体上涌和河流的注入，16-8.5kaBP之间是对马暖流的发育期，而稳定的对马暖流形成是在8.5kaBP左右，对马暖流水体主要来源于黑潮主干。

东亚低空异常季风风场时空特征分析

应用矢量经验正交函数（Vector EOF）方法和长序列网格点风距平资料对东亚季风区低空异常风场进行分析，以揭示东亚季风区矢量风场异常的主要模态及其年际、年代际振荡特征和成因。 研究方法包括： 1)EOF方法是将一个空间观测场的时间序列资料分解成若干重要的正交的空间和时间模态，从而提取大气和海洋观测资料的主要时空变率特征（即模态）。目前，EOF模态也可直接由奇异值分解（SVD）方法计算获得，勿需再对观测资料矩阵进行协方差矩阵的计算。首先将风场资料集的 分量矩阵和 分量矩阵融合成为一个新矩阵 ，然后对该新矩阵 应用SVD方法进行计算，获得 分量和 分量的主要的EOF空间模态及其统一的时间模态。最后，将 分量和 分量的各主要空间模态进行合并处理，形成矢量形式的彼此正交的EOF空间模态。由于是对矩阵 进行EOF分解（而不是对 和 分别进行EOF分解），所获得的 和 的空间特征模态对应于相同的时间系数，从而可以合并成为一个具有现实意义的特征风场（即全风矢量场）。 2)将滤波技术（例如，Butterworth滤波器）和各种谱分析技术（包括功率谱、交叉谱和奇异谱SSA）应用于时间模态，探讨其年际、年代际振荡特征及与ENSO的联系。 所使用资料为NCEP/NCAR提出的1950年1月至2004年12月850 hPa全球月平均风场网格点资料，资料分辨率为2.5°×2.5°。研究区为0～50N，100～150E。 结果表明，东亚异常季风典型流场第一模态（VEOF-1）属于ENSO相关模态，其时间模态与Nino3指数之间具有较高的负相关关系，但以季风异常滞后ENSO进程6～8个月为最显著。这表明，东亚热带和副热带季风风场变异与ENSO之间联系紧密。提出了一个VEOF-1对ENSO响应的概念模型。 前6个模态，其积累方差贡献率接近60％，基本可表达东亚季风区风场异常的典型类型。 （1）东亚异常季风模态VEOF-1以年际尺度振荡最为显著（是年际尺度振荡的代表模态），并以2～4年周期为最显著；东亚异常季风模态VEOF-2至VEOF-4则主要表现为11年～20年尺度的年代际变化。 （2）东亚异常季风VEOF-1时间模态与Nino3指数之间具有较高的负相关，并以VEOF-1落后Nino3距平变化6～8个月为最显著。 对矢量风距平流场作VEOF展开，能揭示季风变异的空间结构特征和时间振荡规律，并具有直观的天气学意义。 VEOF-1属于ENSO相关模态，其时间模态与Nino3指数之间具有较高的负相关关系，但以季风异常的响应滞后ENSO事件6～8个月为最显著。也即在它们之间的遥相关关系中，赤道东太平洋SST持续地异常升高（降低），6～8个月后东亚异常季风VEOF-1模态明显减弱（加强）。

南海上层海洋变异分析及海表温度统计学可预报性试验

气候变化和异常是当今地球科学研究的重大课题之一，与人类的生存、发展密切相关。南海作为我国最大的边缘海, 位于夏季风气流上游, 同时，作为热带太平洋的边缘海，具有显著的年际变异特征。近年来，随着卫星资料的积累和产品化使得我们有机会对南海的上层海洋要素进行全面的直接的观察，并进行南海气候异常变异及其可预报性的研究。 本文的研究内容就是利用近年来卫星资料产品，对南海主要海面要素，包括海面风场（SW）、表层温度场（SST）、海面高度场（SSH）的气候变化趋势以及南海表层温度变异的可预测性进行细致的探讨，并且利用较新的分析方法对南海上层海洋要素在近年来的非线性变异特点进行了分析。主要工作包括： 1. 采用南海卫星高度计及具有高精度模式输出结果通过联合经验正交函数分解（EOF）得到空间分辨率为1/3°×1/3°的南海绝对动力地形及地转流的季节变化（1－12个月）。从地转流场可以看到南海内部的表层流场主要有3种流系：西边界流、离岸流及南海多涡涡旋结构。 2. 通过南海海表大气和海洋要素（SW、风应力、SST、SSH）的气候变化趋势分析计算得到南海SST平均增暖0.5K/decade，海面高度升高6.7cm/decade，表层风场东分量和北分量的变化趋势分别为0.5m/s/decade、-0.04m/s/decade。其中南海SST增暖趋势和海面抬升速率远大于全球增暖和海面抬升速率。 3. 对南海SW、SSH和SST的异常场的EOF分析揭示南海SW、SSH及SST的年际尺度变化均表现出与ENSO变异现象一定的相关性：其中南海SW的第一模态特征表现为海盆尺度的反气旋，是西太平洋反气旋的最西南的一部分。对应的时间系数函数（TCF）滞后Nino3.4指数3个月，相关系数较高为0.90。南海SW的第二模态特征表现为均一化的西南风，TCF与印度洋偶极子（IOD）指数有一定相关性：TCF超前IOD指数4个月，相关系数达到0.58,表明南海SW第二模态似乎可以用来作印度洋偶极子现象的一个前兆。南海SSH的EOF第一模态特征为沿着南海东边界低水位，对应的TCF滞后Nino3.4指数2个月时间，二者相关系数为0.94；南海SST的EOF第一模态特征表现为整个海盆的增暖，对应的TCF与滞后Nino3.4指数8个月，相关系数等于0.62。 4. 基于典型相关分析（CCA），利用南海SSTA滞后热带太平洋Nino指数及印度洋IOD指数的关系建立南海SSTA的统计预报模式。通过对南海SSTA后报试验（1993/1994-2004年10月）与持续性预报值的预报效果进行比较分析，表明基于CCA统计方法对南海SSTA后期预报在预报时效超过3个月以上时具有更好的稳定性，提前1～12个月的后期预报水平平均值为0.60左右，误差均方根大约0.2个标准差。综合热带太平洋Nino指数为预报因子作南海SSTA统计预报的平均水平为0.55左右，亦具有较好的稳定性。 5. 基于前馈型神经网络，对南海近年的表层要素场（SW、SSH、SST）作非线性EOF分析。其中非线性EOF第一模态方差贡献与线性EOF相比均相应提高：海面风场、海面高度场的非线性作用较强，非线性EOF第一模态对变量场的方差贡献与线性EOF方法相比分别从54.75%提高到67.26%和50.43%提高至60.24%，非线性曲率强的空间范围占据绝大部分南海海域；相比较而言，南海SSTA场的非线性EOF第一模态的方差贡献提高不明显,非线性特征明显的区域仅在南海北部和南部靠近大陆的海区。对南海SSTA场1982-2003年时间长度的数据进行非线性与线性EOF分析比较，发现南海SSTA在近20年的非线性EOF分析中得到的非线性特征更不明显，表明与前10年相比，南海近10年的南海SSTA场的非线性成分有所增强。

热带海洋海温变率预报及可预报性研究

热带海洋是大尺度海气相互作用的关键区域，对全球气候变化有重要影响。厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）及热带大西洋变率（TAV）是分别是热带太平洋、大西洋的最显著气候变率。对热带海洋海表温度（SST）的预报是预报ENSO和TAV的关键要素，对全球气候、生态环境及许多国家的防灾减灾、经济发展有非常重要的意义。 本文利用一个中等复杂程度的海－气耦合模式CCM3－RGO，对1980－2000年热带海洋SST变率进行回顾性预报。并创新性地在耦合模式中加入大气噪声过滤器，检验天气噪声等因素对预报的影响。 第一部分工作为ENSO预报。本文改进了初始化方案，并应用噪声过滤器减少天气噪声对耦合过程的影响，显著提高了ENSO预报技能，达到同类研究的先进水平。进一步分析表明，采用耦合同化方法产生的、与模式相容性和准确性皆优的初始条件，对2个季节以内的ENSO预报技巧的提高起主要作用；在适宜的初始条件下，过滤风应力中的天气噪声，可以增强海－气耦合过程的信噪比，改善模式对风－温跃层－SST相互作用的Bjerknes反馈机制的正确响应，对3－4季节预报技巧的改进起主要作用。 第二部分为热带大西洋SST预报。发现过滤热通量中的天气噪声可以加强局地热力学反馈，对以往预报水平较低的南热带大西洋SST预报有显著的改进作用。

太平洋西部边界及边界流对赤道暖水库形成和演化的影响

A model of equatorial ocean is used to study the roles of the Pacific western boundary and the Mindanao Current (MC) in the evolution of the equatorial warm pool. The model consists of the single baroclinic mode of a two-layer ocean, with the parameterization of the anomalous increment of the interface representing the SST difference from its long-term-space-mean. The ocean is driven by a wind path in the middle ocean with a real or an artificial geometry assigned at the western and eastern boundaries. In order to test the role of the MC, the western boundary current is introduced into the model by a boundary condition at a position, real and unreal, respectively. The model experiments show that the warm pool, which is insensitive to the longitudinal width of the wind band in middle ocean, results mainly from the accumulation o the eastly-drifted warm water in the equatorial western Pacific. It is the dominant factor for the formation of the warm pool that, at a very low latitude, the Papua New Guinea coast intersects the longitudinally lined Philippine Islands at an obtuse angle. In contrast, the western Atlantic boundary, which inclines poleward from the equator at some 135 degrees, could guide the warm water there moving to a higher latitude. On the other hand, the equatorial warm pool in the western equatorial Pacific is very sensitive to the assignment of th Mindanao Current at 7.5°N and displaces southward, with a stronger southern branch than the northern one. We attribute this asymmetry to the combined effect of the western boundary and the MC upon the equatorial warm away from the equator. A by-product of our solutions is the possible mechanism of the "secondary warm pool" in the eastern Pacific north of the equator. It is suggested that, mainly or partly, the "secondary warm pool" results from the cooperation of the southeast monsoon in eastern Pacific and the eastern boundary hindering the propagation of the Kelvin wave poleward alongshore.

西太平洋—印度洋—青藏高原气候系统在南海夏季风爆发过程中的作用

本文利用美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR—National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)的位势高度、气温、风速等大气资料、欧洲中期天气预报中心 （ECMWF—European Centre for Medium-Range Weather Forecasts—ERA-40）的雪深资料、美国国家海洋大气管理局（NOAA—National Oceanic and Atmospheric Administration）的海表温度（SST）资料、美国Scripps海洋研究所的上层海洋热含量资料等，采取相关分析、合成分析、经验正交函数分析、小波分析和小波交叉谱分析等统计分析方法，系统深入地讨论了西太平洋—印度洋—青藏高原气候系统在南海夏季风爆发过程中的作用。得到的主要结论如下： 1. 西太平洋和印度洋在南海夏季风爆发过程中起着关键作用 利用1951－1998年多种大气海洋资料，分析研究结果表明，西太平洋（暖池热含量）、印度洋（纬向风）在南海夏季风爆发中起关键的调控作用：以1970年为界，1970年之前，印度洋起主要作用，1970年之后西太平洋起主要作用，这主要是1970前后北极涛动有明显跃变的原因，这种跃变决定了印度洋在南海夏季风爆发中是否起决定作用（西风异常或东风异常），进而，决定了有利于或不利于南海夏季风的爆发。 1970年之前，北极涛动指数为负值，海陆温差（海上气温减大陆气温）是负值，大陆气温偏高，印度洋气温相对偏低，印度洋出现西风异常，有利于南海夏季风早爆发。在此期间，与印度洋SST密切相关的南印度洋偶极子的变化也与南海夏季风的爆发紧密相联。当南印度洋为正偶极子（西南印度洋SST为正异常，印度洋其他区域的SST为负异常）时，北印度洋为西风异常，南海夏季风爆发偏早；南印度洋为负偶极子（西南印度洋SST为负异常，印度洋其他地区的SST为正异常）时，北印度洋为东风异常，南海夏季风爆发偏晚。 1970年之后，北极涛动指数为正值，海陆气温差为正值，印度洋的状态不利于南海季风爆发；在这种情况下，西太平洋暖池的热含量则成为控制南海夏季风爆发的主要原因：暖池变暖的年份，即 La Niña 年，南海夏季风爆发早（强），反之，当暖池变冷的年份，即El Niño年，南海季风爆发晚（弱），即，南海夏季风爆发的早（强）晚（弱）与ENSO事件密切相关。 2.青藏高原春季积雪对南海夏季风爆发有重要的影响 1958-2003年青藏高原3月积雪厚度与南海夏季风爆发时间存在着很好的正相关。青藏高原3月积雪厚度偏厚时，其500毫巴以上的气温偏低，上层海陆之间的气温差是正值，南亚高压向西北方向的移动速度变慢，上层东风偏弱，西太平洋地区的上层辐散和下层辐合变弱，西太平洋暖池热含量偏少，南海夏季风爆发偏晚（弱）。同时，下层850毫巴东印度洋异常大气是东风和跨赤道反气旋对，南海被东风异常所控制，这种大气环流形势不利于南海夏季风的爆发；青藏高原3月积雪厚度偏薄时，其500毫巴以上的气温偏高，上层海陆之间的气温差是负值，上层南亚高压在南亚地区建立较早，上层东风偏强，西太平洋地区的上层辐散和下层辐合偏强，西太平洋暖池热含量偏多，南海夏季风爆发偏早（强）。同时，下层850毫巴东印度洋低层大气是西风异常和跨赤道气旋对，南海被西南风异常所控制，有利于南海夏季风的爆发。 研究结果还表明，青藏高原春季的积雪与厄尔尼诺事件存在着密切的关系。在厄尔尼诺鼎盛期的冬季，各种条件都有利于青藏高原的降雪，从而，来年春天的积雪则变厚，不利于南海季风的爆发。 3. 南海夏季风爆发的预测 1970年之后，西太平洋暖池的热含量与南海夏季风的爆发早晚有非常好的负相关。据此，我们可以通过西太平洋暖池热含量的变化来预测南海夏季风的爆发。通过暖池区海洋上层400米热含量的分析研究，我们找到了西太平洋暖池热含量变化的代表站点（以3N，138E为中心的1°×1°范围），其热含量变化能很好代表整个西太平洋暖池热含量的变化（相关系数大于0.85）。在此基础上，文章用1993-2007年热带大气海洋浮标列阵（TAO-Tropical Atmosphere Ocean-array）中最靠近该站点的浮标（2N, 137E）资料验证了上述选择站点的代表性和相应的预测能力。1993-2004年TAO浮标（2N, 137E）3月上层400米和500米海洋热含量与南海夏季风爆发时间的相关系数分别是-0.75，-0.73，置信度均超过99%；用1993-2007年4月份TAO浮标（2N, 137E）上层400米和500米海洋热含量与南海夏季风爆发时间作相关则相关系数均为-0.83，置信度超过99%。因此，我们可以通过3月或者4月份该TAO浮标（2N, 137E）的热含量来预测当年南海夏季风爆发的早（强）晚（弱）。 总之，南海夏季风爆发以1970年为界存在明显的年代际变化，1970年之前，主要受印度洋控制，1970年之后，南海夏季风爆发主要受控于太平洋（西太平洋暖池），这种变化是由北极涛动年代际变化引起的，。青藏高原春季积雪也对南海夏季风有重要影响，但主要受ENSO控制。因此，我们认为西太平洋—印度洋—青藏高原气候系统在南海夏季风爆发中起着重要的调控作用：西太平洋的作用当属第一位，印度洋的作用居第二，青藏高原的作用最弱。

伴随法在潮汐和海温数值计算中的应用研究

变分数据同化中的伴随法可实现数值模型与观测数据的拟合。随着物理海洋数值计算和数值预报业务的不断发展，其具有广阔的应用前景。本文主要研究关于伴随数据同化的有关理论及其在物理海洋数值模型中的应用。本文介绍了变分伴随数据同化的基本原理，从模型方程的连续和离散形式出发讨论采用两种不同的方法推导伴随方程，一是拉格朗日乘子（Lagrange multiplier）法；二是基于泛函的Gateaux微分概念的方法，这里简称Gateaux微分法。文中讨论了导出离散伴随模型方程和目标函数梯度的两种不同途径，其中一种途径是由连续的正模型得到连续的伴随模型及连续的目标函数梯度表达式，然后再对伴随模型和目标函数梯度进行差分离散（简称“伴随的差分”）；另外一种途径是由离散的正模型直接导出离散的伴随模型及梯度表达式（简称“差分的伴随”）。目前尽管人们比较一致的看法是应该采用后一种途径，即建立伴随模型系统应该采用“差分的伴随”，但对由这两种途径建立的伴随系统的相互关系，人们探讨的并不多。本文利用了简单的模型对该问题进行了研究。另外，对有关初始猜测和伴随优化系统的多解性问题进行了探讨。本文着重研究并实现了利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件。其中采用的二维非线性浅水模型既考虑非线性底磨擦和侧向粘性涡动混合，又包括非线性平流项；离散伴随模型的建立是基于ADI格式（不受CFL条件限制），改善了变分伴随数据同化过程中计算量和计算存储问题，使之减小若干倍（约5～7倍），从而使得模式适于业务化的需求，具有实用价值；同化过程中使用的观测数据既包括常规验潮站水位观测资料，又包括TOPEX/POSEIDON卫星测高数据。实测数据同化数值试验表明，开边界条件的最优控制对数值计算结果有一定程度的改进。本文还探讨了将伴随法应用于海表面温度（SST）的数值预报中。其中采用的SST数值预报模型是基于国家“七五”期间科技攻关项目《中国近海海表面温度短期数值预报模式》。文中利用船舶报SST观测数据进行伴随数据同化试验，以优化初始场，其结果是比较满意的，表明变分数据同化对改进SST数值预报的效果是比较明显的，将伴随法引入中国海域SST数值预报业务化中是可行的。本文最后讨论了伴随数据同化中尚待深入研究的问题，着重指出了在物理海洋学领域开展二阶伴随模式应用研究的内容和必要性。

南海环流数值模拟和南海及邻近海域对南海季风爆发的影响

该文分两部分,第一部分主要探讨了南海及邻近海域对南海夏季风爆发的影响,第二部分用较高分辨率的POM模式模拟了南海月平均环流.在第一部分里,利用历史海洋和大气资料分析了南海季风建立的大尺度背景场和南海季风爆发前后的大气环流演变特征、探讨了南海季风爆发的年际变化与热带海洋海温异常的关系;利用1998年南海季风试验中的现场观测资料,分析了南海季风爆发前后南海的一个测站(6°15′N,110°E)的海面热通量和SST的变化特征和变化机制;并用区域气候模式对南海海洋在南海季风爆发中的作用作了数值实验研究.在第二部分里,利用较高分辨率的POM模式模拟了南海的月平均环流较好地模拟出了南海环流的基本特征.

热带印度洋低频Rossby波及其对上层热结构的影响

Rossby波是地球物理流体动力学中非常重要的一种波动，海洋斜压长Rossby波在海洋动力过程中起着相当重要的作用。它维持并影响强西边界流，是海盆内能量传播的主要机制，它所携带的变异信号从大洋的东边界传播到内部，对海气耦合系统起到很重要的作用。热带印度洋是季风爆发的源地，对季风的年际变化具有重要影响。研究热带印度洋对理解季风变率和提高季风预测水平有重要的科学和应用价值。 本文利用TOPEX/Poseidon等高度计资料、美国国家海洋数据中心（NODC）的世界海洋图集（WOA05）长期气候态水文资料、美国Scripps海洋研究所的上层海温资料、中国Argo资料中心提供的Argo资料、美国国家环境预测中心（NCEP）的海表面温度、FSU（Florida State University）月平均风场和海气界面热通量等观测数据，全面分析了热带印度洋低频Rossby波的基本特征，并深入研究了低频Rossby波的生成机制及其对上层海洋热结构的影响。 采用相关分析等统计方法，结合1.5层约化重力模式，研究了热带南印度洋低频Rossby波的生成机制。结果表明： （1）热带南印度洋低频Rossby波分为东边界扰动产生的Rossby波和南印度洋中部风强迫Rossby波；东边界激发的为自由Rossby波，沿12°S波速大约13 cm/s，向西最远传播到80°E左右，之后被局地变量调整；强迫Rossby波在西传的过程中不断加强，波速较快，沿12°S能超过20 cm/s； （2）东边界扰动由印度尼西亚贯通流（ITF）导致的地转调整过程引起；内区风强迫Rossby波生成和加强的关键区为（70°E–95°E，15°S–5°S）；显著的西传Rossby波同太平洋上的厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）事件紧密相连，ENSO通过大气的遥驱动机制激发热带南印度洋低频Rossby波； （3）作为东边界低频变量扰动的一个重要因子，ITF的变化与ENSO事件密切相关，总的来讲，El Niño年ITF偏弱，La Niña年ITF偏强，这与前人的研究结果一致；但它在ENSO的不同位相时期，存在一定差异，并具有夏季锁相特征：El Niño事件发生年的春季到秋季，ITF偏强，夏季最强；从El Niño盛期（冬季）到次年秋季，ITF持续偏弱，夏季最弱。上述夏季锁相特征与夏季风的强弱变化相对应。La Niña期间情况相反。 西南印度洋（SWIO）（50°E–75°E，15°S–5°S）以及苏门答腊-爪哇沿岸地区是海表面高度异常（SSHA）和海表面温度异常（SSTA）相关显著的区域，表明内部海洋动力过程在次表层和表层变量的相互关系中起重要作用。本文以2006–2008年期间三个连续的同El Niño或者La Niña同时发生的正印度洋偶极子（IOD）事件为背景，基于Argo观测资料研究了表层和次表层IOD的演变以及二者的区别和联系，并首次采用垂直模态分解方法探讨了Rossby波对上层海洋热力结构影响的动力学特征，得到如下主要结论： （1）在热带印度洋，海洋动力过程一般主要由第一和第二低阶垂直斜压模态控制，而第一斜压模态处于主导地位——在SWIO海区，第一斜压模态运动的方差解释率为第二模态的2–3倍，在赤道和东南印度洋也达到2倍左右；另外，赤道印度洋地区高阶斜压模态运动对该地区的海洋动力过程也具有一定的贡献； （2）低频斜压Rossby波能影响海洋的垂直层结，尤其是强暖Rossby波使同第二斜压模态运动紧密相连的海洋上层层结减弱，加强第二斜压模态的贡献量，导致上层各等压线向下垂直位移增大，最终通过垂直混合过程调整上层海洋的热力结构；而低频斜压冷Rossby波会加强上层垂直层结，抑制该层内变量变化，因此第二斜压模态的贡献依然很小； （3）表层IOD和次表层IOD分布形态不同：表层东部冷异常主要集中在东南印度洋Sumatra-Java沿岸，次表层冷异常基本关于赤道对称；表层西部暖异常基本关于赤道对称，而在次表层赤道以南海温扰动强度远远大于赤道以北； （4）正IOD事件中，东南印度洋冷SSTA首先出现于Java沿岸，沿岸东南风引起的潜热释放增加以及沿岸上升流是该初始冷异常建立的主要机制，与之相关的SSTA东西梯度加强大气环流变化，并进一步强迫随后的海洋运动；1–2个月后，SST冷异常中心北跳到Sumatra沿岸并向西扩展，同时不断增强，其中Sumatra沿岸上升流、来自赤道印度洋的冷Kelvin波及其反射的西传冷Rossby波是这一演变过程的动力机制，而沿岸上升流起决定作用。

末次冰盛期以来黑潮流域的古环境演化

2005年6月，中法国际合作在西太平洋海域执行IMAGES XII-MD147 Micro Polo1航次科学考察时，由法国极地研究所R/V Marine Dufresne极地考察船利用Calypso重力取样器于冲绳海槽南部钻取了34.2米长MD05-2908柱状样。本文利用AMS14C测年数据建立了该孔的年代模型，对该孔的浮游有孔虫动物群落进行了分析，并利用FP-12E浮游有孔虫转换函数和Q型因子分析方法对该孔浮游有孔虫数据进行了研究，对全新世以来的黑潮流系演化和古环境记录进行了讨论。 结果表明，中晚全新世存在着5次洪水爆发期，洪水爆发期与当时温暖气候相对应，而高海平面对洪水的爆发也产生了影响。进入全新世以来的6790～4000a B.P.期间，黑潮流一直有稳步增强的趋势，黑潮流始终位于冲绳海槽内；4000～3000a B.P.期间，黑潮强度减弱或者发生明显东偏，冲淡水影响增强；3000a B.P.以后黑潮强度逐渐增强，1650～0a B.P.为中晚全新世以来黑潮活动最强的时期,在600a B.P.和140a B.P.左右存在低值，黑潮强度短暂减弱。普林虫低值事件在MD05-2908孔中有很好的体现，对该事件进行了进一步定年，其发生时间为3900～2800a B.P.，持续时间为1100a，该事件的发生可能与东亚冬季风加强有关。 冲绳海槽中晚全新世气候变化可以分为四个阶段： 6790～4800a B.P.低温阶段，4800～4100a B.P.高温阶段，4100～2400a B.P.低温阶段，2400～0a B.P.波动高温阶段。通过与中国及世界其它地方对比可以识别出6.3～5.9、5.5、4.6～4.2、3.6～3.0、2.9～2.4、1.3～1.0、0.5～0.1ka B.P.六个降温事件，为全新世气候波动在深海高分辨率沉积记录中的响应提供了有力支持。该孔SST频谱分析结果显示，存在着3008a、1061a这种千年尺度的周期，以及215a、123a、103～107a、81～78a以及73～71a等周期，表明该孔SST变化与太阳活动强度是密切相关的。 中晚全新世以来，黑潮流在冲绳海槽逐步加强，到4000aB.P.左右达到最大，然后4000～3000a B.P.期间，黑潮强度明显减弱或者发生东偏，3000aB.P.以后，黑潮强度持续增强，在近1000aB.P.波动较大。 对冲绳海槽地区14个柱状样氧同位素以及P.obliquiloculata丰度进行研究，发现LGM以来，黑潮流可能仍然在冲绳海槽地区活动，并没有移出海槽外，但是由于其强度减弱，其流径发生了很大变化。

中国近海和西北太平洋温跃层时空变化分析、模拟及预报

温度跃层是反映海洋温度场的重要物理特性指标，对水下通讯、潜艇活动及渔业养殖、捕捞等有重要影响。本文利用中国科学院海洋研究所“中国海洋科学数据库”在中国近海及西北太平洋（110ºE-140ºE,10ºN-40ºN）的多年历史资料（1930-2002年，510143站次），基于一种改进的温跃层判定方法，分析了该海域温跃层特征量的时空分布状况。同时利用Princeton Ocean Model(POM)，对中国近海，特别是东南沿海的水文结构进行了模拟，研究了海洋水文环境对逆温跃层的影响。最后根据历史海温观测资料，利用EOF分解统计技术，提出了一种适于我国近海及毗邻海域，基于现场有限层实测海温数据，快速重构海洋水温垂直结构的统计预报方法，以达到对现场温跃层的快速估计。 历史资料分析结果表明，受太阳辐射和风应力的影响，20°N以北研究海域，温跃层季节变化明显，夏季温跃层最浅、最强，冬季相反，温跃层厚度的相位明显滞后于其他变量，其在春季最薄、秋季最厚。12月份到翌年3月份，渤、黄及东海西岸，呈无跃层结构，西北太平洋部分海域从1月到3月份，也基本无跃层结构。在黄海西和东岸以及台湾海峡附近的浅滩海域，由于风力搅拌和潮混合作用，温跃层出现概率常年较低。夏季，海水层化现象在近海陆架海域得到了加强，陆架海域温跃层强度季节性变化幅度(0.31°C/m)明显大于深水区(约0.05°C/m)，而前者温跃层深度和厚度的季节性变化幅度小于后者。20°N以南研究海域，温跃层季节变化不明显。逆温跃层主要出现在冬、春季节（10月-翌年5月）。受长江冲淡水和台湾暖流的影响，东南沿海区域逆温跃层持续时间最长，出现概率最大，而在山东半岛北及东沿岸、朝鲜半岛西及北岸，逆温跃层消长过程似乎和黄海暖流有关。多温跃层结构常年出现于北赤道流及对马暖流区。在黑潮入侵黄、东、南海的区域，多温跃层呈现明显不同的季节变化。在黄海中部，春季多温跃层发生概率高于夏季和秋季，在东海西部，多跃层主要出现在夏季，在南海北部，冬季和春季多温跃层发生概率大于夏季和秋季。这些变化可能主要受海表面温度变化和风力驱动的表层流的影响。 利用Princeton Ocean Model(POM)，对中国东南沿海逆温跃层结构进行了模拟，模拟结果显示，长江冲淡水的季节性变化以及夏季转向与实际结果符合较好，基本再现了渤、黄、东海海域主要的环流、温盐场以及逆温跃层的分布特征和季节变化。通过数值实验发现，若无长江、黄河淡水输入，则在整个研究海域基本无逆温跃层出现，因此陆源淡水可能是河口附近逆温跃层出现的基本因素之一。长江以及暖流（黑潮和台湾暖流）流量的增加，均可在不同程度上使逆温跃层出现概率及强度、深度和厚度增加，且暖流的影响更加明显。长江对东南沿海逆温跃层的出现，特别是秋季到冬季初期，有明显的影响，使长江口海域逆温跃层位置偏向东南。暖流对于中国东南沿海的逆温跃层结构，特别是初春时期，有较大影响，使长江口海域的逆温跃层位置向东北偏移。 通过对温跃层长期变化分析得出，黄海冷水团区域，夏季温跃层强度存在3.8年左右的年际变化及18.9年左右的年代际变化，此变化可能主要表现为对当年夏季和前冬东亚地区大气气温的热力响应。东海冷涡区域，夏季温跃层强度存在3.7年的年际变化，在El Nino年为正的强度异常，其可能主要受局地气旋式大气环流变异所影响。谱分析同时表明，该海域夏季温跃层强度还存在33.2年的年代际变化，上世纪70年代中期，温跃层强度由弱转强，而此变化可能与黑潮流量的年代际变化有关。 海洋水温垂直结构的统计预报结果显示，EOF分解的前四个主分量即能够解释原空间点温度距平总方差的95%以上，以海洋表层附近观测资料求解的特征系数推断温度垂直结构分布的结果最稳定。利用东海陆架区、南海深水区和台湾周边海域三个不同区域的实测CTD样本廓线资料，对重构模型的检验结果表明，重构与实测廓线的相关程度超过95%的置信水平。三个区重构与实测温度廓线值的平均误差分别为0.69℃，0.52℃，1.18℃，平均重构廓线误差小于平均气候偏差，统计模式可以很好的估算温度廓线垂直结构。东海陆架海区温度垂直重构廓线与CTD观测廓线获得的温跃层结果对比表明，重构温跃层上界、下界深度和强度的平均绝对误差分别为1.51m、1.36m和0.17℃/m，它们的平均相对误差分别为24.7%、8.9%和22.6%，虽然温跃层深度和强度的平均相对误差较大，但其绝对误差量值较小。而在南海海区，模型重构温跃层上界、下界和强度的平均绝对预报误差分别为4.1m、27.7m和0.007℃/m，它们的平均相对误差分别为16.1%、16.8%和9.5%，重构温跃层各特征值的平均相对误差都在20%以内。虽然南海区温跃层下界深度平均绝对预报误差较大，但相对于温跃层下界深度的空间尺度变化而言（平均温跃层下界深度为168m），平均相对误差仅为16.8%。因此说模型重构的温度廓线可以达到对我国陆架海域、深水区温跃层的较好估算。 基于对历史水文温度廓线观测资料的分析及自主温跃层统计预报模型，研制了实时可利用微机简单、快捷地进行温跃层估算及查询的可视化系统，这是迄今进行大范围海域温跃层统计与实时预报研究的较系统成果。