南海海气相互作用与海洋环流和涡旋演变规律

项目名称：南海海气相互作用与海洋环流和涡旋演变规律首席科学家：王东晓中国科学院南海海洋研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：国家海洋局中国科学院二、预期目标本项目的总体目标：通过对南海海气相互作用动力和热力过程的研究，深入了解南海与邻近海域的关联，揭示南海上层海洋对季风和热带天气系统变化的快速调整规律，并阐明南海上层环流和涡旋对海气通量的反馈、区域海气耦合对南海热带天气系统的影响，提出南海海气耦合预测模型发展方向，为提升南海海洋物理环境预测水平和增强我国防洪抗旱和海洋气象灾害保障系统提供科学依据，同时为我国培养一批从事海洋与大气交叉学科研究的高水平科技人才。对国家需求贡献体现在：通过对南海海气相互作用动力和热力过程的研究，深入了解南海与邻近海域的关联，揭示南海上层海洋对季风和热带天气系统变化的调整规律，并阐明南海上层环流和涡旋对海气通量的调制、区域海气耦合对南海热带天气系统的影响，发展南海海气耦合预测模型技术，为提升南海海洋物理环境预测水平和增强我国防洪抗旱和海洋气象灾害保障系统提供科学依据，同时为我国培养一批从事海洋与大气交叉学科研究的高水平科技人才。理论和方法进展主要体现在：不同天气条件下的海气通量观测技术及高精度通量产品获取；南海海洋中尺度物理环境的地震学观测；冷暖中尺度涡旋与海气边界层的耦合机制探讨；混合层/温跃层/障碍层相互影响下的南海上层热力学机制揭示；区域海气多尺度耦合模型技术发展与完善。在项目参加部门建设海气相互作用创新研究基地，并开展深入的合作研究；形成一批从事海洋与大气交叉学科研究的中青年学术骨干，8-10名为在该领域具有国际水平的科技人才;培养研究生40名以上;发表论文80-120篇以上;召开国际学术会议2-3次。五年预期目标:将完成以下研究内容：揭示影响南海海气边界层结构和海气通量交换的关键动力和热力过程，明确南海海气耦合的主要机制和不同天气背景和海况下的海气动量、热量和水汽交换规律；揭示海-气通量对南海日变化和天气尺度调整的响应和影响；基于南海高分辨率海洋数值模式，揭示南海环流在季节内、季节、年际时间尺度上的变化特征，及其空间结构特征；确定黑潮对南海多时空尺度环流的影响作用；通过实测资料和数值模式诊断南海西边界流的热盐输运、南海南部与印尼海水体与热盐交换通量；深入认识南海中尺度涡的空间分布形态，时间演变规律，季风风应力场与中尺度涡生消过程的关系；阐明中尺度涡的温、盐、流垂向结构、及其正压和斜压特性；量化评估南海西边界海域的平均流－涡动相互作用过程，阐明各个季节和不同年份平均流和涡旋之间动量、涡度以及能量交换过程，从而认识涡旋在南海环流季节转换过程中所扮演的重要角色，以及西边界流和涡旋相互作用过程的年际变化特征；揭示在南海海气相互作用背景下，南海上层海洋热力结构（包括海温、暖水、上层海洋热含量、海洋垂直层结、海气界面的热量及水汽交换等）的季节与年际时空演变特征及规律，阐明南海上层海洋的热力状况对热带天气系尤其是南海地区获得迅速发展的热带扰动的规律和机理。达到以下具体指标：1.得到整个南海尺度的湍流通量数据集。2.获取南海西边界流关键海域和南海南部海峡水交换通道的定点连续海流和温盐观测资料。3.建立南海区域高分辨率、多重嵌套的海气耦合模式4.建立南海资料同化系统可能取得的理论突破：提出适用于南海的海-气边界层参数化方案，即提出适合南海的海气湍流热通量估算的新方法。三、研究方案1）学术思路：以历史资料分析为基础，以海洋气象资料联合调查为重要手段，针对低纬度半封闭边缘海海气相互作用的特点，通过多种先进观测与模拟技术研究三个关键内容：1),不同天气背景条件下南海海气相互作用过程研究；2），南海上层海洋环流和涡旋演变规律及其动力热力效应；3），南海上层海洋热状况对热带天气系统的反馈。从而建立合理的区域耦合模式，提升我国南海海洋物理环境及邻近区域天气气候预测能力。本项目拟把三大研究内容作为整体紧密结合，其基本学术思路可用图1描述。2）技术途径：为了实现项目的总体目标，拟采用历史资料分析、遥感资料、现场调查和数值模拟相结合的技术路线和多学科综合的研究方法，主要的技术途径如下：1海上观测实验的设计总体设计思路：观测实验将采取面上观测与定点观测、强化观测与连续观测相结合方式进行。并依托国际上正在开展的相关联合观测计划，以取得南海及周边海域上的海洋和大气资料。围绕项目设计的需要，海上观测计划集中在吕宋海峡、南海北部陆架陆坡区、南海西部越南沿岸、南海南部这四个海区进行。（1）吕宋海峡是太平洋与南海水和热量交换的重要海区，对南海北部的环流和热状况有重要影响，同时其西侧也是涡旋活动频繁的海区，因此是项目的一个重点观测海区。（2）南海北部陆架陆坡区是受季风影响最强烈的海区，也是热带气旋登陆华南必经的海区，同时是南海冬季西边界流的上游，涡旋活动频繁，是课题的一个重点观测海区。该海区的观测将并特别关注冬、夏季季风盛行时期的海气相互作用。（3）南海西部越南沿岸是南海海盆尺度环流季节性反转特征最明显的海区，夏季该区有上升流、东向离岸强流及伴生的涡对，是海气相互作用的一个关键区，也是项目的一个重点观测海区。该海区观测将特别关注春、秋季季风转换时期环流的调整过程。（4）南海南部是重点观测的海区之一。最南端的巽他海峡是南海贯穿流的主要出口之一，对于南海热量和淡水输出至关重要；另外海盆南端万安滩附近冬季风期间持续存在的气旋涡也值得关注。针对项目关键科学问题，拟进行四次常规、两次强化航次观测，获取海气边界层各物理量和海洋环流与涡旋的点、线、面资料。四次常规航次观测主要研究季风盛行和转季期间南海的动力、热力过程。在此基础上，针对特定的物理现象进行两次强化观测。项目还计划利用南海所在西沙永兴岛的观测台站研究单点海气界面的通量。用岛上的自动气象站收集气象要素；用西沙、南沙岛屿外缘坐底式观测单元观测剖面流速与流向、剖面温度、盐度。观测重点为上层海流、底层海流以及温、盐跃层附近的温度、盐度剖面；通过定时探空观测获得风速、风向、气温、相对湿度、气压等大气边界层要素；用上层海洋环境观测单元观测表层水温、盐度、波高、波周期。2多种现代观测技术的运用采用的海洋观测设备包括锚碇潜标观测系统、ARGOS卫星跟踪表层漂流浮标、CTD观测系统、ADCP剖面测流仪、L-ADCP剖面测流仪、Turbo-Map湍流微结构剖面仪、颠倒式回声探测仪(IES)以及海气通量观测系统。除了以上先进的观测手段外，计划用正在发展的最新的地震海洋学手段进行南海中尺度涡旋/边界流的观测研究。地震海洋学利用有较高横向分辨率的反射地震方法研究物理海洋学问题。近期，地震海洋学迅猛发展，获得了揭示海水层结构的高分辨几何图像，对深入认识涡旋、内波、海洋锋等物理海洋现象起到了重要作用。本项目计划利用上述南海重点海区的地震数据与水文数据，通过正演模拟与实际地震资料的处理分析，研究南海中尺度涡旋与边界流的垂向结构及其分布特征，深化南海边界流与涡旋分布规律的认识。在此基础上，在关键区域，特别是南海中尺度涡旋活跃的地区，布设多道反射地震与物理海洋的联合调查航次，获得南海首次地震海洋学联合调查数据集，通过资料处理，正演和反演手段揭示南海中尺度涡旋/边界流的高分辨率温盐细结构特征，探讨中尺度涡旋在南海海水运动中的作用。配合传统的现场观测手段，在海上观测试验设计方面充分利用海洋卫星遥感技术，采用立体观测手段获取对南海海洋参数。其中，海面高度由Jason-1和Jason-2卫星提供，并结合精确地海面动力高度计划（GRACE），提供大范围的海面流场的遥感信息。海面风场由MetOP-A卫星的微波散射计ASCAT提供，其测风精度为风速1.5m/s和14º风向。结合美国海洋大气局（NOAA）红外遥感卫星AVHRR和微波辐射计AMSR并采用融合技术，对南海海区海面温度（SST）进行准实时观测。本项目并计划采用欧洲空间局（ESA）最新的SMOS卫星在微波频段观测的海面盐度资料。最后，我国计划2011年的发射的海洋二号卫星（HY-2A）将为南海海区提供海温、海面风场和海面高度观测。3高分辨数值模式模拟和同化南海是具有海盆尺度的热带亚热带半封闭边缘海，处与东亚季风的控制之下，具有独特的季节环流、中尺度涡及海气交换特征，因此其海气通量交换的参数化过程以及模式的初始化应该有别于其他大洋或海域，而目前国内外还没有一个针对南海区域发展起来的海气耦合模式。根据数值模式发展的趋势和南海区域的特点，决定采用WRF(WeatherResearchForecast)和ROMS（RegionalOceanModelingSystem）作为南海区域海气耦合模式的大气与海洋分量模式。采用集合卡门滤波方法，建立与南海耦合模式相适应的资料同化系统，通过同化各种实测和遥感资料去优化模式的初值、边值及参数值，改进海气动力和热力通量参数化方案及初始化过程使之适合于南海海域，建立具有自主产权的包含南海海域的高空间分辨率的区域海气耦合物理过程模块，并进行数值模拟和数值预报试验，以揭示南海海气相互作用和环流的关键物理过程和机理。3)创新点与特色：（1）项目特色区域特色鲜明。即将完成的973项目‚亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响‛，主要围绕‚亚印太交汇区海气相互作用的特征、规律和成因及其影响我国短期气候异常的机制‛这一核心主题开展研究，其主要目的是获取提升我国季节到年际尺度的气候预测能力的理论和方法。其侧重点主要是研究海气相互作用过程对大气圈层的影响，主要服务对象是大尺度预测（如亚洲季风系统）。与其相比，本项目研究重点集中在影响南海海气相互作用的上层海洋动力和热力机制研究以及相关的海气耦合模式发展方面，主要侧重解决的是天气与季节尺度南海大气与海洋之间的相互反馈，主要服务对象是资源开发和海洋工程建设有关的工程水文气象分析、防灾减灾和海上军事活动水文气象要素保障。学科交叉明显。由WWRP-THORPEX和世界气候研究计划（WCRP）联合发起的热带对流年计（YOTC），其主要的目标是解决如何‚真实‛反映大气数值模型中的热带对流这一长期困扰数值天气预报和全球气候预测的科学问题，以期能够改进多尺度对流和动力学相互作用的现象描述、诊断研究、数值模拟、参数化以及预报/预测。其研究的重点主要集中在大气圈层，其主要服务对象是提高热带天气系统的模拟和预报能力。与其相比，本项目主要研究海气界面过程和上层海洋动力和热力过程对的海气相互作用过程的影响，为提高我国海洋灾害预测预警能力提供理论基础。观测手段和方法先进。海洋长期观测始终是一个难度大的技术问题。本项目计划采用目前国际最先进的海洋观测设备颠倒式回声探测仪(PIES)并与锚碇测流系统、CTD大面站与CTD拖体观测系统结合，并利用大气的现代化观测仪器以及海气通量观测系统，为今后建立立体的南海海洋－大气观测网提供示范个例。（2）项目创新南海环流新观点：明确提出了南海总环流是由内部环流和域际环流所组成的季节性环流系统的观点。其中内部环流主要由南海季节性海面强迫所驱动，域际环流主要由热带太平洋风场和流场所驱动。南海海气耦合模式创新：基于岛基海-气参数的全过程观测，研究在多因素影响下小尺度海-气相互作用机制及其升尺度效应，提出适用于南海的海-气边界层及海-气交换参数化方案，建立南海区域高分辨率、多重嵌套的具有自主知识产权的海气耦合模块的资料同化系统。南海多尺度海气相互作用观点创新：基于区域基海-气过程若干观测事实，将从小尺度海-气相互作用、中尺度海-气相互作用和大尺度海-气相互作用多方面探讨南海与热带天气系统的耦合机制，系统认识南海海面湍流热交换、冷暖涡旋与海气边界层耦合以及季风－南海暖水的相互反馈。4）可行性分析：本项目的研究方案切实可行，其理由如下：(1)20世纪80年代以来，我国开展了一系列的重大、重点和专项海洋和气象研究项目，在海气相互作用、海洋和大气环流等领域，取得了若干创新性成果，培养了一批中青年研究骨干。先后启动的国家973计划项目‚中国近海环流形成变异机理、数值预测方法及对环境影响的研究‛（1999