2024年 第46卷 第6期
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2024, 46(6): 1-13.
doi: 10.12284/hyxb2024063
摘要:
海洋中尺度涡旋与其边缘的次中尺度锋面之间存在强烈的物质和能量交换以及复杂的动力过程。目前，对中尺度涡旋的调查研究已经日趋成熟，但由于次中尺度锋面的空间尺度小、时间变化快，对其三维结构的调查存在较大挑战。本文提出一种海洋中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的调查方法。首先利用多源卫星遥感数据对中尺度涡旋及其边缘的次中尺度锋面进行识别，然后使用多型船载调查设备进行多学科综合调查。利用该方法对2023年8月21日至8月25日黑潮延伸体海域一个典型涡旋边缘次中尺度锋面进行调查方案设计。本文提出的调查方法可以有效地实现对中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的识别、追踪与调查。
海洋中尺度涡旋与其边缘的次中尺度锋面之间存在强烈的物质和能量交换以及复杂的动力过程。目前，对中尺度涡旋的调查研究已经日趋成熟，但由于次中尺度锋面的空间尺度小、时间变化快，对其三维结构的调查存在较大挑战。本文提出一种海洋中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的调查方法。首先利用多源卫星遥感数据对中尺度涡旋及其边缘的次中尺度锋面进行识别，然后使用多型船载调查设备进行多学科综合调查。利用该方法对2023年8月21日至8月25日黑潮延伸体海域一个典型涡旋边缘次中尺度锋面进行调查方案设计。本文提出的调查方法可以有效地实现对中尺度涡旋边缘次中尺度锋面的识别、追踪与调查。
2024, 46(6): 14-25.
doi: 10.12284/hyxb2024049
摘要:
本文以2019年1月1日至2021年12月31日舟山群岛南部外海观测点所涵盖的气象、海洋、地形等多种物理量数据为数据基础，使用长短时记忆（Long Short Term Memory，LSTM）神经网络搭建深度学习海浪预报模型，探讨输入输出序列比和输入要素数量对模型预测性能的影响，在舟山海域实现波浪三要素，即有效波高、有效波周期、传播方向的短时预报，并用2022年台风“轩岚诺”和“梅花”期间的数据检验模型对极端海况的预测能力。研究结果表明，根据实测数据所训练的多要素海浪预报模型具有较好的预测准确度和稳定性，能较好地实现对极端海况的预测，当输入输出序列比为1∶1时模型准确度较高，预报时长为1 h的三要素模型对于日常海况中有效波高、有效波周期和波向的预测均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）分别为0.116 m、0.569 s和24.583°，对于极端海况中有效波高的预测RMSE为0.191 m，输入要素数量的增加可进一步提升模型准确度，但在预测时长较长时也会增加训练成本。
本文以2019年1月1日至2021年12月31日舟山群岛南部外海观测点所涵盖的气象、海洋、地形等多种物理量数据为数据基础，使用长短时记忆（Long Short Term Memory，LSTM）神经网络搭建深度学习海浪预报模型，探讨输入输出序列比和输入要素数量对模型预测性能的影响，在舟山海域实现波浪三要素，即有效波高、有效波周期、传播方向的短时预报，并用2022年台风“轩岚诺”和“梅花”期间的数据检验模型对极端海况的预测能力。研究结果表明，根据实测数据所训练的多要素海浪预报模型具有较好的预测准确度和稳定性，能较好地实现对极端海况的预测，当输入输出序列比为1∶1时模型准确度较高，预报时长为1 h的三要素模型对于日常海况中有效波高、有效波周期和波向的预测均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）分别为0.116 m、0.569 s和24.583°，对于极端海况中有效波高的预测RMSE为0.191 m，输入要素数量的增加可进一步提升模型准确度，但在预测时长较长时也会增加训练成本。
2024, 46(6): 26-39.
doi: 10.12284/hyxb2024065
摘要:
北极气候研究多学科漂流观测计划（Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate, MOSAiC）于2019年10月至2020年9月开展，期间获得了变量完整的大气、海洋、海冰厚度及积雪厚度观测，为海冰模式的发展提供了新的契机。本研究利用两个完整观测时段（2019年11月1日至2020年5月7日、2020年6月26日至7月27日）的大气和海洋强迫场，驱动一维海冰柱模式ICEPACK，模拟了MOSAiC期间海冰厚度的季节演变，同海冰厚度观测进行了对比，并诊断分析了海冰厚度模拟误差的原因。结果表明，在冬春季节，模式可以再现海冰厚度增长过程，但由于模式在春季高估了积雪向海冰的转化及对海冰物质平衡的贡献，模拟的春季海冰厚度偏厚。在夏季期间，2种热力学方案及3种融池方案的组合都表明模式高估了海冰表层的消融过程，导致模拟结束阶段的海冰厚度偏薄。我们的研究表明，使用变量完整的MOSAiC大气和海洋强迫场可以诊断目前海冰模式中的问题，为海冰模式的改进奠定基础。
北极气候研究多学科漂流观测计划（Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate, MOSAiC）于2019年10月至2020年9月开展，期间获得了变量完整的大气、海洋、海冰厚度及积雪厚度观测，为海冰模式的发展提供了新的契机。本研究利用两个完整观测时段（2019年11月1日至2020年5月7日、2020年6月26日至7月27日）的大气和海洋强迫场，驱动一维海冰柱模式ICEPACK，模拟了MOSAiC期间海冰厚度的季节演变，同海冰厚度观测进行了对比，并诊断分析了海冰厚度模拟误差的原因。结果表明，在冬春季节，模式可以再现海冰厚度增长过程，但由于模式在春季高估了积雪向海冰的转化及对海冰物质平衡的贡献，模拟的春季海冰厚度偏厚。在夏季期间，2种热力学方案及3种融池方案的组合都表明模式高估了海冰表层的消融过程，导致模拟结束阶段的海冰厚度偏薄。我们的研究表明，使用变量完整的MOSAiC大气和海洋强迫场可以诊断目前海冰模式中的问题，为海冰模式的改进奠定基础。
2024, 46(6): 40-50.
doi: 10.12284/hyxb2024047
摘要:
强度是影响海冰与结构物相互作用关系的关键性质之一。海冰内部的卤水胞和气泡等孔隙结构对海冰的强度有重要影响。为从细观角度探究冰内孔隙含量、形状和尺寸等海冰结构参数对海冰力学性质的影响，基于离散元方法，建立了包含孔隙的数值海冰模型，模拟粒状冰在平行和垂直冰面方向加载脆性破坏的单轴压缩过程。孔隙尺寸设置为符合均匀分布、标准正态分布和Gamma分布等不同随机分布类型。数值模拟试验结果表明孔隙率是影响海冰强度的主要因素，海冰单轴压缩强度和弹性模量均随孔隙的增加而减小。当压缩应力达到极值时，冰内裂缝迅速扩展。对于圆形孔隙，裂缝主要沿荷载施加方向开展，因此平行冰面方向试样破坏时多表现为大裂缝；对于椭圆形孔隙，裂缝易扩展形成裂缝带。当孔隙率相同时，孔隙尺寸随机分布类型和位置对单轴压缩强度和弹性模量影响不大，但影响冰内裂缝的扩展方式。
强度是影响海冰与结构物相互作用关系的关键性质之一。海冰内部的卤水胞和气泡等孔隙结构对海冰的强度有重要影响。为从细观角度探究冰内孔隙含量、形状和尺寸等海冰结构参数对海冰力学性质的影响，基于离散元方法，建立了包含孔隙的数值海冰模型，模拟粒状冰在平行和垂直冰面方向加载脆性破坏的单轴压缩过程。孔隙尺寸设置为符合均匀分布、标准正态分布和Gamma分布等不同随机分布类型。数值模拟试验结果表明孔隙率是影响海冰强度的主要因素，海冰单轴压缩强度和弹性模量均随孔隙的增加而减小。当压缩应力达到极值时，冰内裂缝迅速扩展。对于圆形孔隙，裂缝主要沿荷载施加方向开展，因此平行冰面方向试样破坏时多表现为大裂缝；对于椭圆形孔隙，裂缝易扩展形成裂缝带。当孔隙率相同时，孔隙尺寸随机分布类型和位置对单轴压缩强度和弹性模量影响不大，但影响冰内裂缝的扩展方式。
2024, 46(6): 51-65.
doi: 10.12284/hyxb2024051
摘要:
本文基于深度学习U-Net网络构建了CMA-GFS数值模式风场订正模型，并以此订正模型订正后的风场为背景场（CMA-GFS_Unet），以HY-2B/2C/2D以及MetOp-B 4颗卫星的散射计海面风资料为观测资料，采用插补法快速完成准实时海面风场的构建。此智能算法可实现滞后3 h准实时生成空间分辨率为0.25°、时间分辨率为6 h的全球海面融合风场(Fusion_QRT)。分别使用CCMP融合风场数据和中国近海浮标10 m风矢量数据对CMA-GFS、CMA-GFS_Unet和Fusion_QRT 3组风场资料进行了评估，结果表明，CMA-GFS_Unet风场质量得到显著提升，Fusion_QRT风场风速质量得到进一步改善，但风向质量略有降低：相较于CCMP，3组风场的风速平均绝对误差（MAE）分别为1.13 m/s、0.89 m/s和0.84 m/s，CMA-GFS_Unet和Fusion_QRT相较于CMA-GFS分别提升了21.3%和25.7%；风向MAE分别为17.5°、15.5°和16°，分别提升了11.3%和8.6%；而相较于浮标，风速MAE分别为1.50 m/s、1.36 m/s和1.28 m/s，分别提升了9.3%和14.7%；风向MAE分别为23.3°、22.7°和24.0°，分别提升了3.0%和−3.9%。
本文基于深度学习U-Net网络构建了CMA-GFS数值模式风场订正模型，并以此订正模型订正后的风场为背景场（CMA-GFS_Unet），以HY-2B/2C/2D以及MetOp-B 4颗卫星的散射计海面风资料为观测资料，采用插补法快速完成准实时海面风场的构建。此智能算法可实现滞后3 h准实时生成空间分辨率为0.25°、时间分辨率为6 h的全球海面融合风场(Fusion_QRT)。分别使用CCMP融合风场数据和中国近海浮标10 m风矢量数据对CMA-GFS、CMA-GFS_Unet和Fusion_QRT 3组风场资料进行了评估，结果表明，CMA-GFS_Unet风场质量得到显著提升，Fusion_QRT风场风速质量得到进一步改善，但风向质量略有降低：相较于CCMP，3组风场的风速平均绝对误差（MAE）分别为1.13 m/s、0.89 m/s和0.84 m/s，CMA-GFS_Unet和Fusion_QRT相较于CMA-GFS分别提升了21.3%和25.7%；风向MAE分别为17.5°、15.5°和16°，分别提升了11.3%和8.6%；而相较于浮标，风速MAE分别为1.50 m/s、1.36 m/s和1.28 m/s，分别提升了9.3%和14.7%；风向MAE分别为23.3°、22.7°和24.0°，分别提升了3.0%和−3.9%。
2024, 46(6): 66-83.
doi: 10.12284/hyxb2024069
摘要:
本文利用中尺度模式WRF-ARW（Weather Research and Forecasting Model-Advanced Research WRF）（Version 4.0）对海南岛不同天气条件下的典型海风锋个例进行了高分辨率数值模拟，通过设计局地城镇化的敏感性试验, 重点分析了海南岛沿海城镇化对海风锋推进的影响及其可能机制。研究结果表明：海南岛沿海城镇化造成的海风锋结构差异是热力作用和动力作用共同影响的结果；城镇下垫面的摩擦效应与城市热岛的增强阻碍海风向内陆推进, 减弱了海风锋途经地区的降温增湿效应, 造成海风锋位置相对滞后；而城镇化所引起的高海陆热力差异增强了海风风速及海风辐合, 同时导致海风锋前的垂直上升气流和海风环流厚度也明显增强。海风锋发展不同时期，城镇化对海风锋的推进影响有所不同。海风锋发展初期, 海陆热力差异引起的推动作用与摩擦效应的阻碍作用相抵消, 导致海风锋的推进无明显影响；海风锋发展强盛阶段, 城镇化条件下内陆城市与非城市之间的热力差异有所增强, 阻碍了海风锋向内陆推进，导致海风锋内陆渗透距离减小。不同天气条件下城市化对海风锋推进的影响有所不同，相比于晴空天气, 多云天气下城市与非城市的热力差异稍强，加强了城市热岛效应对海风推进的阻碍作用，导致海风锋滞后距离稍远。此外，当土地利用类型更换为城镇后, 净辐射与陆气间交换能量减少, 导致其潜热通量显著减小, 感热通量值变大，从而升高了下垫面温度, 增强了海风的垂直上升运动, 进而造成边界层高度的升高。
本文利用中尺度模式WRF-ARW（Weather Research and Forecasting Model-Advanced Research WRF）（Version 4.0）对海南岛不同天气条件下的典型海风锋个例进行了高分辨率数值模拟，通过设计局地城镇化的敏感性试验, 重点分析了海南岛沿海城镇化对海风锋推进的影响及其可能机制。研究结果表明：海南岛沿海城镇化造成的海风锋结构差异是热力作用和动力作用共同影响的结果；城镇下垫面的摩擦效应与城市热岛的增强阻碍海风向内陆推进, 减弱了海风锋途经地区的降温增湿效应, 造成海风锋位置相对滞后；而城镇化所引起的高海陆热力差异增强了海风风速及海风辐合, 同时导致海风锋前的垂直上升气流和海风环流厚度也明显增强。海风锋发展不同时期，城镇化对海风锋的推进影响有所不同。海风锋发展初期, 海陆热力差异引起的推动作用与摩擦效应的阻碍作用相抵消, 导致海风锋的推进无明显影响；海风锋发展强盛阶段, 城镇化条件下内陆城市与非城市之间的热力差异有所增强, 阻碍了海风锋向内陆推进，导致海风锋内陆渗透距离减小。不同天气条件下城市化对海风锋推进的影响有所不同，相比于晴空天气, 多云天气下城市与非城市的热力差异稍强，加强了城市热岛效应对海风推进的阻碍作用，导致海风锋滞后距离稍远。此外，当土地利用类型更换为城镇后, 净辐射与陆气间交换能量减少, 导致其潜热通量显著减小, 感热通量值变大，从而升高了下垫面温度, 增强了海风的垂直上升运动, 进而造成边界层高度的升高。
2024, 46(6): 84-97.
doi: 10.12284/hyxb2024067
摘要:
细颗粒泥沙絮凝是影响河口泥沙输移扩散的关键过程，受控于河口复杂动力结构，其中河口水体层化环境下絮凝体空间分布规律亟待探究。针对该问题，本文基于2020年珠江磨刀门河口枯季大面积走航原型观测数据，分析磨刀门河口絮凝体时空分布特征，探究不同动力对其影响作用，揭示水体层化下絮凝体分布规律。结果表明，观测期间磨刀门河口絮凝体中值粒径介于1.87～395.53 μm，体积浓度介于20.29～1495.67 μL/L；垂向上，中表层水体中值粒径多大于底层，平面上最大值多位于中心拦门沙和西侧。采用多峰分解方法可将磨刀门河口絮凝体分解为基本颗粒和絮凝核（统称微絮团）、小絮团、大絮团等组分，大絮团占比最大；总体来讲，中表层水体微絮团和小絮团体积浓度小于底层，底层大絮团体积浓度小于中表层。这与盐水楔河口动力结构密切相关，强盐度层化抑制絮凝体在各水层间的交换，导致表层水体大絮团占比远高于中底层，而底层絮凝体受湍流剪切强度影响，以解絮为主，小絮团和微絮团占比高。本研究不仅有助阐明复杂动力结构下细颗粒泥沙絮凝机制，也能为磨刀门河口拦门沙治理、水沙调控及航道疏浚等提供技术支撑。
细颗粒泥沙絮凝是影响河口泥沙输移扩散的关键过程，受控于河口复杂动力结构，其中河口水体层化环境下絮凝体空间分布规律亟待探究。针对该问题，本文基于2020年珠江磨刀门河口枯季大面积走航原型观测数据，分析磨刀门河口絮凝体时空分布特征，探究不同动力对其影响作用，揭示水体层化下絮凝体分布规律。结果表明，观测期间磨刀门河口絮凝体中值粒径介于1.87～395.53 μm，体积浓度介于20.29～
2024, 46(6): 98-113.
doi: 10.12284/hyxb2024061
摘要:
在人类活动和快速气候变化的影响下，南海周边河流入海沉积物通量发生巨大变化。本文基于2001−2020年间南海周边河流数据及海表悬浮沉积物浓度数据，探究南海周边河流入海沉积物通量的时空变化特征。研究结果表明：2001−2020年南海周边河流入海沉积物通量超过345 Mt/a，人类活动导致珠江、红河、湄公河入海沉积物通量减少约300 Mt/a。南海周边河流入海沉积物通量还受台风和气候变化的影响：台风是影响南海周边河流入海沉积物通量的重要因素，尤其是台风期间台湾地区的高屏溪入海沉积物通量可达全年总量的89%。在东亚季风系统影响下，南海周边河流入海沉积物通量表现出雨季高、旱季低的变化特征，雨季期间入海沉积物通量占全年总量的80%以上，相应地，河流表层羽流在雨季具有浓度高和扩散范围大的典型特征。受厄尔尼诺−南方涛动的影响，南海周边河流流量和入海沉积物通量也存在不同周期变化，南海周边大型河流入海沉积物通量表现出2.5～3.0 a的变化周期，并与NIÑO3.4指数存在相关性。本文利用20 年的河流数据系统论证了台风、气候变化和大坝建设对21世纪以来南海周边河流入海沉积物通量的影响，在源汇过程研究及流域治理方面具有重要意义。
在人类活动和快速气候变化的影响下，南海周边河流入海沉积物通量发生巨大变化。本文基于2001−2020年间南海周边河流数据及海表悬浮沉积物浓度数据，探究南海周边河流入海沉积物通量的时空变化特征。研究结果表明：2001−2020年南海周边河流入海沉积物通量超过345 Mt/a，人类活动导致珠江、红河、湄公河入海沉积物通量减少约300 Mt/a。南海周边河流入海沉积物通量还受台风和气候变化的影响：台风是影响南海周边河流入海沉积物通量的重要因素，尤其是台风期间台湾地区的高屏溪入海沉积物通量可达全年总量的89%。在东亚季风系统影响下，南海周边河流入海沉积物通量表现出雨季高、旱季低的变化特征，雨季期间入海沉积物通量占全年总量的80%以上，相应地，河流表层羽流在雨季具有浓度高和扩散范围大的典型特征。受厄尔尼诺−南方涛动的影响，南海周边河流流量和入海沉积物通量也存在不同周期变化，南海周边大型河流入海沉积物通量表现出2.5～3.0 a的变化周期，并与NIÑO3.4指数存在相关性。本文利用20 年的河流数据系统论证了台风、气候变化和大坝建设对21世纪以来南海周边河流入海沉积物通量的影响，在源汇过程研究及流域治理方面具有重要意义。
2024, 46(6): 114-129.
doi: 10.12284/hyxb2024057
摘要:
悬浮颗粒物在“源−汇”沉积体系中扮演着关键角色，而南海常见的动力现象—内孤立波，则被证实是影响悬浮颗粒物分布和沉积过程的重要因素。该项研究于2022年9月在吕宋海峡至东沙群岛海域开展，采用LISST-deep与CTD设备进行同步观测，以研究悬浮颗粒物的粒径及体积浓度分布。通过调查期内的卫星遥感数据，划定了内孤立波的影响范围，并结合海床基观测内孤立波影响悬浮颗粒物分布过程，从动力学的角度揭示了内孤立波对悬浮颗粒物在输运过程中特征变化的影响。研究发现：（1）在内孤立波的振幅深度区间（6～79 m）内，以较小粒径的悬浮颗粒物（15～25 μm）分布为主，且越接近内孤立波的波谷深度，出现较小粒径悬浮颗粒物的频率越高。（2）悬浮颗粒物分布由内孤立波波峰线中心区域扩散到两侧，在中心为体积浓度低值区（≤91 μL/L），而波峰线两侧区域与内孤立波传播路径远端区域为体积浓度高值区（≥500 μL/L）。此外，研究进一步揭示了内孤立波通过改造作用使聚集状态的悬浮颗粒物被分解为粒径较小、组成单一的颗粒，通过控制作用改变悬浮颗粒物在波峰线不同位置、传播路径和振幅深度上的体积浓度分布，为理解南海源−汇沉积体系提供了重要的理论依据。
悬浮颗粒物在“源−汇”沉积体系中扮演着关键角色，而南海常见的动力现象—内孤立波，则被证实是影响悬浮颗粒物分布和沉积过程的重要因素。该项研究于2022年9月在吕宋海峡至东沙群岛海域开展，采用LISST-deep与CTD设备进行同步观测，以研究悬浮颗粒物的粒径及体积浓度分布。通过调查期内的卫星遥感数据，划定了内孤立波的影响范围，并结合海床基观测内孤立波影响悬浮颗粒物分布过程，从动力学的角度揭示了内孤立波对悬浮颗粒物在输运过程中特征变化的影响。研究发现：（1）在内孤立波的振幅深度区间（6～79 m）内，以较小粒径的悬浮颗粒物（15～25 μm）分布为主，且越接近内孤立波的波谷深度，出现较小粒径悬浮颗粒物的频率越高。（2）悬浮颗粒物分布由内孤立波波峰线中心区域扩散到两侧，在中心为体积浓度低值区（≤91 μL/L），而波峰线两侧区域与内孤立波传播路径远端区域为体积浓度高值区（≥500 μL/L）。此外，研究进一步揭示了内孤立波通过改造作用使聚集状态的悬浮颗粒物被分解为粒径较小、组成单一的颗粒，通过控制作用改变悬浮颗粒物在波峰线不同位置、传播路径和振幅深度上的体积浓度分布，为理解南海源−汇沉积体系提供了重要的理论依据。
2024, 46(6): 130-140.
doi: 10.12284/hyxb2024059
摘要:
岸线侵蚀预测是海岸动力地貌学研究的热点问题之一。本文基于长短期神经记忆网络LSTM，采用1985−2023年江苏射阳县附近海域收集到的岸线、水深和潮间带宽度数据，结合ERA5数据反演的波浪和潮流数据，构建海岸侵蚀风险预测模型。该预测模型可以准确反映海岸线的加速侵蚀、稳定侵蚀、淤积的非线性变化或线性变化趋势。预测结果表明，在沙源减少条件下，波浪和潮流增强是近20年来射阳海域海岸侵蚀的主要因素。此外，利用预测模型开展了海岸加固、消浪和弱流对海岸的防护效果试验，试验结果表明，海岸加固防护效果最佳，消浪防护效果较弱流防护效果好。预测模型设置运行过程高效，具有较高的应用价值和开发潜力。
岸线侵蚀预测是海岸动力地貌学研究的热点问题之一。本文基于长短期神经记忆网络LSTM，采用1985−2023年江苏射阳县附近海域收集到的岸线、水深和潮间带宽度数据，结合ERA5数据反演的波浪和潮流数据，构建海岸侵蚀风险预测模型。该预测模型可以准确反映海岸线的加速侵蚀、稳定侵蚀、淤积的非线性变化或线性变化趋势。预测结果表明，在沙源减少条件下，波浪和潮流增强是近20年来射阳海域海岸侵蚀的主要因素。此外，利用预测模型开展了海岸加固、消浪和弱流对海岸的防护效果试验，试验结果表明，海岸加固防护效果最佳，消浪防护效果较弱流防护效果好。预测模型设置运行过程高效，具有较高的应用价值和开发潜力。
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