【基金標書】2011CB403500-南海海氣相互作用與海洋環(huán)流和渦旋演變規(guī)律

項目名稱： 南海海氣相互作用與海洋環(huán)流和渦旋演變規(guī)律首席科學家： 王東曉 中國科學院南海海洋研究所起止年限： 2011.1至 2015.8依托部門： 國家海洋局 中國科學院二、預期目標本項目的總體目標： 通過對南海海氣相互作用動力和熱力過程的研究，深入了解南海與鄰近海域的關聯(lián)，揭示南海上層海洋對季風和熱帶天氣系統(tǒng)變化的快速調(diào)整規(guī)律，并闡明南海上層環(huán)流和渦旋對海氣通量的反饋、區(qū)域海氣耦合對南海熱帶天氣系統(tǒng)的影響，提出南海海氣耦合預測模型發(fā)展方向，為提升南海海洋物理環(huán)境預測水平和增強我國防洪抗旱和海洋氣象災害保障系統(tǒng)提供科學依據(jù)，同時為我國培養(yǎng)一批從事海洋與大氣交叉學科研究的高水平科技人才。 對國家需求貢獻體現(xiàn)在：通過對南海海氣相互作用動力和熱力過程的研究，深入了解南海與鄰近海域的關聯(lián)，揭示南海上層海洋對季風和熱帶天氣系統(tǒng)變化的調(diào)整規(guī)律，并闡明南海上層環(huán)流和渦旋對海氣通量的調(diào)制、區(qū)域海氣耦合對南海熱帶天氣系統(tǒng)的影響，發(fā)展南海海氣耦合預測模型技術，為提升南海海洋物理環(huán)境預測水平和增強我國防洪抗旱和海洋氣象災害保障系統(tǒng)提供科學依據(jù)，同時為我國培養(yǎng)一批從事海洋與大氣交叉學科研究的高水平科技人才。 理論和方法進展主要體現(xiàn)在：不同天氣條件下的海氣通量觀測技術及高精度通量產(chǎn)品獲??；南海海洋中尺度物理環(huán)境的地震學觀測；冷暖中尺度渦旋與海氣邊界層的耦合機制探討；混合層/溫躍層/障礙層相互影響下的南海上層熱力學機制揭示；區(qū)域海氣多尺度耦合模型技術發(fā)展與完善。 在項目參加部門建設海氣相互作用創(chuàng)新研究基地，并開展深入的合作研究；形成一批從事海洋與大氣交叉學科研究的中青年學術骨干，8-10 名為在該領域具有國際水平的科技人才; 培養(yǎng)研究生 40 名以上; 發(fā)表論文 80-120 篇以上;召開國際學術會議 2-3 次。 五年預期目標: 將完成以下研究內(nèi)容：揭示影響南海海氣邊界層結構和海氣通量交換的關鍵動力和熱力過程，明確南海海氣耦合的主要機制和不同天氣背景和海況下的海氣動量、熱量和水汽交換規(guī)律；揭示海-氣通量對南海日變化和天氣尺度調(diào)整的響應和影響；基于南海高分辨率海洋數(shù)值模式，揭示南海環(huán)流在季節(jié)內(nèi)、季節(jié)、年際時間尺度上的變化特征，及其空間結構特征；確定黑潮對南海多時空尺度環(huán)流的影響作用；通過實測資料和數(shù)值模式診斷南海西邊界流的熱鹽輸運、南海南部與印尼海水體與熱鹽交換通量；深入認識南海中尺度渦的空間分布形態(tài)，時間演變規(guī)律，季風風應力場與中尺度渦生消過程的關系；闡明中尺度渦的溫、鹽、流垂向結構、及其正壓和斜壓特性；量化評估南海西邊界海域的平均流渦動相互作用過程，闡明各個季節(jié)和不同年份平均流和渦旋之間動量、渦度以及能量交換過程，從而認識渦旋在南海環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換過程中所扮演的重要角色，以及西邊界流和渦旋相互作用過程的年際變化特征；揭示在南海海氣相互作用背景下，南海上層海洋熱力結構（包括海溫、暖水、上層海洋熱含量、海洋垂直層結、海氣界面的熱量及水汽交換等）的季節(jié)與年際時空演變特征及規(guī)律，闡明南海上層海洋的熱力狀況對熱帶天氣系尤其是南海地區(qū)獲得迅速發(fā)展的熱帶擾動的規(guī)律和機理。達到以下具體指標：1. 得到整個南海尺度的湍流通量數(shù)據(jù)集。2. 獲取南海西邊界流關鍵海域和南海南部海峽水交換通道的定點連續(xù)海流和溫鹽觀測資料。3. 建立南海區(qū)域高分辨率、多重嵌套的海氣耦合模式4. 建立南海資料同化系統(tǒng)可能取得的理論突破：提出適用于南海的海-氣邊界層參數(shù)化方案，即提出適合南海的海氣湍流熱通量估算的新方法。三、研究方案1）學術思路： 以歷史資料分析為基礎，以海洋氣象資料聯(lián)合調(diào)查為重要手段，針對低緯度半封閉邊緣海海氣相互作用的特點，通過多種先進觀測與模擬技術研究三個關鍵內(nèi)容：1), 不同天氣背景條件下南海海氣相互作用過程研究；2） ，南海上層海洋環(huán)流和渦旋演變規(guī)律及其動力熱力效應；3） ，南海上層海洋熱狀況對熱帶天氣系統(tǒng)的反饋。從而建立合理的區(qū)域耦合模式，提升我國南海海洋物理環(huán)境及鄰近區(qū)域天氣氣候預測能力。本項目擬把三大研究內(nèi)容作為整體緊密結合，其基本學術思路可用圖 1 描述。2）技術途徑： 為了實現(xiàn)項目的總體目標，擬采用歷史資料分析、遙感資料、現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬相結合的技術路線和多學科綜合的研究方法，主要的技術途徑如下： 1 海上觀測實驗的設計 總體設計思路： 觀測實驗將采取面上觀測與定點觀測、強化觀測與連續(xù)觀測相結合方式進行。并依托國際上正在開展的相關聯(lián)合觀測計劃，以取得南海及周邊海域上的海洋和大氣資料。 圍繞項目設計的需要，海上觀測計劃集中在呂宋海峽、南海北部陸架陸坡區(qū)、南海西部越南沿岸、南海南部這四個海區(qū)進行。 （1）呂宋海峽是太平洋與南海水和熱量交換的重要海區(qū)，對南海北部的環(huán)流和熱狀況有重要影響，同時其西側(cè)也是渦旋活動頻繁的海區(qū)，因此是項目的一個重點觀測海區(qū)。 （2）南海北部陸架陸坡區(qū)是受季風影響最強烈的海區(qū)，也是熱帶氣旋登陸華南必經(jīng)的海區(qū)，同時是南海冬季西邊界流的上游，渦旋活動頻繁，是課題的一個重點觀測海區(qū)。該海區(qū)的觀測將并特別關注冬、夏季季風盛行時期的海氣相互作用。 （3）南海西部越南沿岸是南海海盆尺度環(huán)流季節(jié)性反轉(zhuǎn)特征最明顯的海區(qū)，夏季該區(qū)有上升流、東向離岸強流及伴生的渦對，是海氣相互作用的一個關鍵區(qū)，也是項目的一個重點觀測海區(qū)。該海區(qū)觀測將特別關注春、秋季季風轉(zhuǎn)換時期環(huán)流的調(diào)整過程。 （4）南海南部是重點觀測的海區(qū)之一。最南端的巽他海峽是南海貫穿流的主要出口之一，對于南海熱量和淡水輸出至關重要；另外海盆南端萬安灘附近冬季風期間持續(xù)存在的氣旋渦也值得關注。 針對項目關鍵科學問題，擬進行四次常規(guī)、兩次強化航次觀測，獲取海氣邊界層各物理量和海洋環(huán)流與渦旋的點、線、面資料。四次常規(guī)航次觀測主要研究季風盛行和轉(zhuǎn)季期間南海的動力、熱力過程。在此基礎上，針對特定的物理現(xiàn)象進行兩次強化觀測。項目還計劃利用南海所在西沙永興島的觀測臺站研究單點海氣界面的通量。用島上的自動氣象站收集氣象要素；用西沙、南沙島嶼外緣坐底式觀測單元觀測剖面流速與流向、剖面溫度、鹽度。觀測重點為上層海流、底層海流以及溫、鹽躍層附近的溫度、鹽度剖面；通過定時探空觀測獲得風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓等大氣邊界層要素；用上層海洋環(huán)境觀測單元觀測表層水溫、鹽度、波高、波周期。 2 多種現(xiàn)代觀測技術的運用 采用的海洋觀測設備包括錨碇潛標觀測系統(tǒng)、ARGOS 衛(wèi)星跟蹤表層漂流浮標、CTD 觀測系統(tǒng)、ADCP 剖面測流儀、 L-ADCP 剖面測流儀、Turbo-Map 湍流微結構剖面儀、顛倒式回聲探測儀(IES) 以及海氣通量觀測系統(tǒng)。 除了以上先進的觀測手段外，計劃用正在發(fā)展的最新的地震海洋學手段進行南海中尺度渦旋/邊界流的觀測研究。地震海洋學利用有較高橫向分辨率的反射地震方法研究物理海洋學問題。近期，地震海洋學迅猛發(fā)展，獲得了揭示海水層結構的高分辨幾何圖像，對深入認識渦旋、內(nèi)波、海洋鋒等物理海洋現(xiàn)象起到了重要作用。 本項目計劃利用上述南海重點海區(qū)的地震數(shù)據(jù)與水文數(shù)據(jù)，通過正演模擬與實際地震資料的處理分析 ，研究南海中尺度渦旋與邊界流的垂向結構及其分布特征，深化南海邊界流與渦旋分布規(guī)律的認識。在此基礎上，在關鍵區(qū)域，特別是南海中尺度渦旋活躍的地區(qū)，布設多道反射地震與物理海洋的聯(lián)合調(diào)查航次，獲得南海首次地震海洋學聯(lián)合調(diào)查數(shù)據(jù)集，通過資料處理，正演和反演手段揭示南海中尺度渦旋/邊界流的高分辨率溫鹽細結構特征，探討中尺度渦旋在南海海水運動中的作用。 配合傳統(tǒng)的現(xiàn)場觀測手段，在海上觀測試驗設計方面充分利用海洋衛(wèi)星遙感技術，采用立體觀測手段獲取對南海海洋參數(shù)。其中，海面高度由 Jason-1 和 Jason-2 衛(wèi)星提供，并結合精確地海面動力高度計劃（GRACE） ，提供大范圍的海面流場的遙感信息。海面風場由MetOP-A 衛(wèi)星的微波散射計 ASCAT 提供，其測風精度為風速 1.5 m/s 和 14º風向。結合美國海洋大氣局（NOAA）紅外遙感衛(wèi)星 AVHRR 和微波輻射計 AMSR 并采用融合技術，對南海海區(qū)海面溫度（SST）進行準實時觀測。本項目并計劃采用歐洲空間局（ESA）最新的SMOS 衛(wèi)星在微波頻段觀測的海面鹽度資料。最后，我國計劃 2011 年的發(fā)射的海洋二號衛(wèi)星（HY-2A）將為南海海區(qū)提供海溫、海面風場和海面高度觀測。 3 高分辨數(shù)值模式模擬和同化 南海是具有海盆尺度的熱帶亞熱帶半封閉邊緣海，處與東亞季風的控制之下，具有獨特的季節(jié)環(huán)流、中尺度渦及海氣交換特征，因此其海氣通量交換的參數(shù)化過程以及模式的初始化應該有別于其他大洋或海域，而目前國內(nèi)外還沒有一個針對南海區(qū)域發(fā)展起來的海氣耦合模式。根據(jù)數(shù)值模式發(fā)展的趨勢和南海區(qū)域的特點，決定采用 WRF(Weather Research Forecast)和 ROMS（ Regional Ocean Modeling System）作為南海區(qū)域海氣耦合模式的大氣與海洋分量模式。采用集合卡門濾波方法，建立與南海耦合模式相適應的資料同化系統(tǒng)，通過同化各種實測和遙感資料去優(yōu)化模式的初值、邊值及參數(shù)值，改進海氣動力和熱力通量參數(shù)化方案及初始化過程使之適合于南海海域，建立具有自主產(chǎn)權的包含南海海域的高空間分辨率的區(qū)域海氣耦合物理過程模塊，并進行數(shù)值模擬和數(shù)值預報試驗，以揭示南海海氣相互作用和環(huán)流的關鍵物理過程和機理。 3) 創(chuàng)新點與特色： （1 ）項目特色 區(qū)域特色鮮明。即將完成的 973 項目亞印太交匯區(qū)海氣相互作用及其對我國短期氣候的影響 ，主要圍繞亞印太交匯區(qū)海氣相互作用的特征、規(guī)律和成因及其影響我國短期氣候異常的機制這一核心主題開展研究，其主要目的是獲取提升我國季節(jié)到年際尺度的氣候預測能力的理論和方法。其側(cè)重點主要是研究海氣相互作用過程對大氣圈層的影響，主要服務對象是大尺度預測（如亞洲季風系統(tǒng)） 。與其相比，本項目研究重點集中在影響南海海氣相互作用的上層海洋動力和熱力機制研究以及相關的海氣耦合模式發(fā)展方面，主要側(cè)重解決的是天氣與季節(jié)尺度南海大氣與海洋之間的相互反饋，主要服務對象是資源開發(fā)和海洋工程建設有關的工程水文氣象分析、防災減災和海上軍事活動水文氣象要素保障。 學科交叉明顯。由 WWRP-THORPEX 和世界氣候研究計劃（WCRP）聯(lián)合發(fā)起的熱帶對流年計（YOTC ） ，其主要的目標是解決如何真實 反映大氣數(shù)值模型中的熱帶對流這一長期困擾數(shù)值天氣預報和全球氣候預測的科學問題，以期能夠改進多尺度對流和動力學相互作用的現(xiàn)象描述、診斷研究、數(shù)值模擬、參數(shù)化以及預報/預測。其研究的重點主要集中在大氣圈層，其主要服務對象是提高熱帶天氣系統(tǒng)的模擬和預報能力。與其相比，本項目主要研究海氣界面過程和上層海洋動力和熱力過程對的海氣相互作用過程的影響，為提高我國海洋災害預測預警能力提供理論基礎。 觀測手段和方法先進。海洋長期觀測始終是一個難度大的技術問題。本項目計劃采用目前國際最先進的海洋觀測設備顛倒式回聲探測儀(PIES)并與錨碇測流系統(tǒng)、CTD 大面站與CTD 拖體觀測系統(tǒng)結合，并利用大氣的現(xiàn)代化觀測儀器以及海氣通量觀測系統(tǒng)，為今后建立立體的南海海洋大氣觀測網(wǎng)提供示范個例。 （2 ）項目創(chuàng)新 南海環(huán)流新觀點：明確提出了南海總環(huán)流是由內(nèi)部環(huán)流和域際環(huán)流所組成的季節(jié)性環(huán)流系統(tǒng)的觀點。其中內(nèi)部環(huán)流主要由南海季節(jié)性海面強迫所驅(qū)動，域際環(huán)流主要由熱帶太平洋風場和流場所驅(qū)動。 南海海氣耦合模式創(chuàng)新：基于島基海-氣參數(shù)的全過程觀測，研究在多因素影響下小尺度海- 氣相互作用機制及其升尺度效應，提出適用于南海的海-氣邊界層及海-氣交換參數(shù)化方案，建立南海區(qū)域高分辨率、多重嵌套的具有自主知識產(chǎn)權的海氣耦合模塊的資料同化系統(tǒng)。南海多尺度海氣相互作用觀點創(chuàng)新：基于區(qū)域基海-氣過程若干觀測事實，將從小尺度海-氣相互作用、中尺度海- 氣相互作用和大尺度海- 氣相互作用多方面探討南海與熱帶天氣系統(tǒng)的耦合機制，系統(tǒng)認識南海海面湍流熱交換、冷暖渦旋與海氣邊界層耦合以及季風南海暖水的相互反饋。4）可行性分析： 本項目的研究方案切實可行，其理由如下：(1) 20 世紀 80 年代以來，我國開展了一系列的重大、重點和專項海洋和氣象研究項目，在海氣相互作用、海洋和大氣環(huán)流等領域，取得了若干創(chuàng)新性成果，培養(yǎng)了一批中青年研究骨干。先后啟動的國家 973 計劃項目中國近海環(huán)流形成變異機理、數(shù)值預測方法及對環(huán)境影響的研究（1999 2004）和亞印太交匯區(qū)海氣相互作用及其對我國短期氣候的影響 (2006-2010)，以及一系列與南海水文、氣象有關的國家重點基金項目和中國科學院創(chuàng)新項目的立項和實施，在南海海洋與大氣的動力、熱力過程與海氣相互作用等領域取得了新的成果，提出了新的理論，獲得了南海環(huán)流、渦旋基本結構特征及其演變規(guī)律，揭示了海氣相互作用影響我國短期氣候預測的可能機制，為本項目的研究提供了知識積累，使得在研究南海上層海洋動力和熱力影響下，天氣尺度海氣相互作用特征及其對我國氣候影響方面取得突破成為可能。 (2) 自上世紀七十年代中期以來，在南海及其周邊近鄰海域?qū)嵤┑挠^測計劃：“南海斷面調(diào)查” （科技部基礎性工作） 、 “南沙綜合科學考察” （國家南沙專項） 、 “南海北部開放航次” （南海所開放航次計劃）等連續(xù)觀測計劃，以及“南海季風試驗” 、 “南海海洋環(huán)境補充調(diào)查及評價” 、 “我國近海海洋綜合調(diào)查與評價” （908）和重大項目補充觀測等，不僅為本項目積累了大氣和海洋領域相互協(xié)作調(diào)查研究的經(jīng)驗，而且為優(yōu)化本項目方案設計及組織實施打下了堅實的基礎。大量的觀測資料積累，使得本項目通過觀測資料分析揭示南海上層海洋動力熱力結構與南海海氣相互作用的內(nèi)在聯(lián)系，及其對我國天氣尺度氣候變化的可能影響機制成為可能。(3) 本項目主要成員的研究領域涵蓋了海洋水文和氣象動力和熱力過程、海氣相互作用、區(qū)域和全球模式模擬和同化系統(tǒng)、海氣耦合模式發(fā)展、海洋水文氣象觀測技術與研究等領域，使得我們綜合使用觀測分析、數(shù)值模擬和理論研究多種手段，開展南海海氣相互作用及其影響等相關研究成為可能。 (4) 承擔本項目補充觀測任務的主要成員單位具有豐富的觀測試驗經(jīng)驗、齊全先進的海洋觀測設備和科學考察船，他們都是前期 973 計劃項目中國近海環(huán)流形成變異機理、數(shù)值預測方法及對環(huán)境影響的研究和亞印太交匯區(qū)海氣相互作用及其對我國短期氣候的影響補充觀測任務的實施單位。項目依托單位中國科學院南海海洋研究所及各參加單位均擁有完整的常規(guī)再分析資料，擁有一批較大容量和運算速度較快的服務器和計算機群進行實驗室資料分析和模擬研究。這些都為本項目的成功實施提供了有力的保障。 (5) 良好的國際合作基礎。 項目主要成員大部分都有國外求學和訪問經(jīng)歷，與國內(nèi)外眾多大學和研究機構建立了密切的交流合作渠道，通過雙邊學術交流與互訪合作等國際交流形式，可以獲得國外部分最新全球高分辨率的模式運行結果，有助于我們對國內(nèi)外相關海氣耦合系統(tǒng)進行比較評估，縮短與國際領先研究水平的差距。課題設置 各課題間相互關系 圍繞擬提高我國海洋物理環(huán)境預報水平、增強我國海洋氣象保障能力和培養(yǎng)一批海洋氣象交叉的高科技人才等預期目標，強調(diào)南海海區(qū)的獨特性，以南海海洋相互作用為研究核心。課題設臵總思路如下：在季風環(huán)境中，南海海洋既和大氣相互作用（課題 1） ，又受到大氣直接或間接的驅(qū)動（課題 2） ，通過課題 1-2 來深入了解南海大尺度海氣交換和海峽交換的動力和熱力過程。海洋大尺度過程又影響到中尺度渦（課題 3） ，其熱力過程對包括臺風在內(nèi)的熱帶天氣系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響（課題 4） 。在此基礎上，擬建立一個合適的能模擬海洋物理環(huán)境和區(qū)域天氣氣候的高分辨率耦合模式（課題 5） ，并最終提高我國海洋物理環(huán)境預測以及增強我國防洪抗旱、防災減災的能力，為我國國家安全和社會可持續(xù)性發(fā)展服務。因此，本項目設 5 個課題，課題之間的關系如下圖：課題 1 ： 南海海氣相互作用的通量和界面過程 研究目標： 揭示南海海-氣耦合特征機制，闡明海-氣動量和能量交換規(guī)律，優(yōu)化南海海-氣邊界層及海-氣交換參數(shù)化方案。 研究內(nèi)容： 1) 課題設置思路 南海海區(qū)海-氣相互作用具有高風速、高蒸發(fā)、強對流及強降水等特點，目前對南海海區(qū)的海-氣通量的估算仍存在系統(tǒng)性偏差。本課題擬通過島基的海-氣參數(shù)系統(tǒng)的全過程觀測研究小尺度海-氣相互作用機制及其升尺度效應 (upscaling)，揭示海 -氣通量對大氣邊界層及海洋上層動力和熱力過程的響應和影響，優(yōu)化海-氣邊界層結構和通量參數(shù)化方案，為項目其它課題相關研究及海-氣耦合模式發(fā)展提供支撐。 2）研究內(nèi)容 南海海-氣界面物理過程、邊界層結構及其參數(shù)化 日變化和天氣尺度的海洋調(diào)整過程 南海海面通量交換對海- 氣相互作用的升尺度研究 南海海-氣通量交換在季風變異下的長時間尺度調(diào)整 3) 與其它課題之間的關系 海-氣（物質(zhì)和能量）交換（本課題）直接影響著海洋的熱、鹽收支及熱帶天氣系統(tǒng)的演變（課題 4） ，而海洋的熱、鹽收支及熱帶天氣系統(tǒng)的演變對海盆尺度的環(huán)流（課題 2）及中尺度渦的演變（課題 3）有重要的調(diào)制作用；同時，該課題還為海洋數(shù)值模式的海氣通量交換和參數(shù)化（課題 5）提供可靠的量化依據(jù)。 經(jīng)費比例： 17.86% 承擔單位： 中國科學院海洋研究所、中國科學院大氣物理研究所、國家衛(wèi)星海洋應用中心、中國科學院南海海洋研究所 課題負責人： 宋金寶 學術骨干： 孫群、高志球、宋清濤、林萬濤、曾麗麗 課題 2 ： 南海環(huán)流和海峽水交換對海氣相互作用的影響 研究目標： 深入認識南海多時空尺度環(huán)流的形成與結構，闡明南海海盆環(huán)流演變規(guī)律和季節(jié)特征，重點揭示南海西邊界流的熱、鹽輸運及其對南海海盆熱力結構形成與分布的影響。闡明南海域際環(huán)流的季節(jié)和年際變化特征，深化對南海南部與印度尼西亞海的水體與熱、鹽交換的理解。 研究內(nèi)容： 1) 課題設置思路 南海海盆尺度環(huán)流對南海內(nèi)部的能量和物質(zhì)輸送起到關鍵的作用，同時直接影響到南海海-氣交換，從而影響南海及鄰近區(qū)域的氣候。南海與外海之間的域際環(huán)流連接了西北太平洋等鄰近海域。季風驅(qū)動的南海海盆內(nèi)部環(huán)流和域際環(huán)流存在相互調(diào)制的關系。研究南海多時空尺度環(huán)流的形成、演變以及域際環(huán)流的季節(jié)和年際變化極為重要。 2) 研究內(nèi)容 南海內(nèi)部環(huán)流和域際環(huán)流的變異及其相互作用 南海西邊界流的觀測及形成與演變機制研究 南海南部海峽與印度尼西亞海的水交換及其影響 南海多時空尺度環(huán)流的數(shù)值研究 3) 與其它課題之間的關系 南海海盆尺度環(huán)流（本課題）影響著南海海洋的熱、鹽結構特征（課題 4）和中尺度渦的演變（課題 3） ，進而對海氣相互作用（課題 1）和熱帶天氣系統(tǒng)變化（課題 4）有著重要的作用。此外，該課題還為海洋模式的發(fā)展（課題 5）提供理論依據(jù)。 經(jīng)費比例： 19.9% 承擔單位： 國家海洋局第一海洋研究所、國家海洋局第三海洋研究所、中國海洋大學 課題負責人： 方國洪 學術骨干： 王剛、靖春生、邱 云、羅德海、蘭健課題 3 ： 南海中尺度渦旋影響海氣相互作用的機制 研究目標： 深入認識南海中尺度渦的時空分布及季風風應力場與中尺度渦生消過程的關系，揭示南海中尺度渦生成動力學的區(qū)域特征，闡明南海海域的渦旋-海盆尺度環(huán)流相互作用機理，從而認識南海環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換、熱帶天氣過程對渦旋演變的作用，為南海渦旋預報提供理論基礎。研究內(nèi)容： 1) 課題設置思路 南海環(huán)流與中尺度渦具有鮮明的季節(jié)模態(tài)和顯著的季節(jié)轉(zhuǎn)換特征。中尺度渦演變對環(huán)流過程起重要的調(diào)制作用，進而對南海熱含量和大氣邊界層產(chǎn)生重要影響。因此研究中尺度渦旋與海盆尺度海洋動力過程的相互作用機制是本項目的核心研究內(nèi)容之一。 2) 研究內(nèi)容 南海中尺度渦旋的時空分布與演變 南海海盆尺度過程影響下的中尺度結構及其斜壓調(diào)整 中尺度渦旋對南海西邊界流的擾動 南海海洋混合與次渦旋過程（sub-mesoscale）對環(huán)流與渦旋的作用 3）與其它課題之間的關系 南海海洋中尺度渦的生消過程以海盆尺度環(huán)流為背景（課題 2） ，其時空演變及斜壓調(diào)整受海氣相互作用制約（課題 1） ，冷暖渦及其渦致輸運過程對南海熱含量又有重要影響，進而影響熱帶天氣系統(tǒng)（課題 4） 。本課題的研究結果可以為模式的渦旋可預報性研究（課題5）提供理論基礎。 經(jīng)費比例： 17.86% 承擔單位： 國家海洋局第二海洋研究所、國家海洋環(huán)境預報中心、中國科學院南海海洋研究所、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 課題負責人： 朱小華 學術骨干： 許東峰、廖光洪、劉欽政、謝 強、宋海斌 課題 4 ： 南海上層熱力過程對熱帶天氣系統(tǒng)的影響 研究目標： 通過對南海熱力時空變化特征及其對南海熱帶天氣系統(tǒng)演變的影響規(guī)律和機理的深入探討，從海氣相互作用的角度出發(fā)揭示南海地區(qū)與我國密切相關的天氣系統(tǒng)的演變規(guī)律，為我國南方災害性天氣的預測提供依據(jù)。 研究內(nèi)容： 1) 課題設置思路 南海熱帶天氣系統(tǒng)十分活躍，南海高壓、熱帶東風波、中層氣旋、MCS、TC 等系統(tǒng)對我國南方天氣有重要影響，這些天氣系統(tǒng)在海洋上發(fā)生、發(fā)展及演變，必然和其下墊面的熱力狀況有關。已有的一些研究已經(jīng)表明了南海夏季風活動、南海熱帶氣旋等的演變和南海地區(qū)海氣間的熱力交換有關，但是，迄今為止對南海熱力異常與南海地區(qū)天氣系統(tǒng)的演變之間的聯(lián)系規(guī)律及機理還缺乏系統(tǒng)和深入的探討。南海地區(qū)洋物理環(huán)境區(qū)域特征鮮明：海洋環(huán)流及其熱結構受季風活動影響，風生海洋中尺度渦頻發(fā)，熱力變化十分顯著，因此研究南海熱力過程對熱帶天氣系統(tǒng)影響，是認識南海地區(qū)天氣系統(tǒng)科學問題必不可少的環(huán)節(jié)，將有助于提高對南方災害性天氣過程形成機理的理解。 2）研究內(nèi)容 南海上層熱含量變化特征及其機制 南海海氣反饋對 ISO（MJO）演變的調(diào)制 南海海氣熱交換與區(qū)域熱帶天氣過程的演變規(guī)律 3）與其它課題之間的關系 本課題研究的是南海熱力過程對熱帶天氣系統(tǒng)的影響，它首先要在弄清南海海氣相互作用的界面過程（課題 1） 、南海熱力變化和南海海盆尺度環(huán)流（課題 2）的關系、南海中尺度渦旋活動特征（課題 3）等科學問題的前提下進行，還需要利用海氣耦合模式進行數(shù)值模擬（課題 5） 。研究南海海氣相互作用問題的主要目的之一是為我國南方的天氣預報提供新的有用依據(jù)，是本項目申請的重要出口之一。 經(jīng)費比例： 31.64% 承擔單位： 中國科學院南海海洋研究所、國家海洋局第三海洋研究所、中山大學 課題負責人： 王東曉 學術骨干： 薛惠潔、嚴幼芳、潘愛軍、俎婷婷、黎偉標 課題 5 ： 南海海氣耦合模式 研究目標： 揭示南海中尺度渦與環(huán)流非線性作用的可預報性規(guī)律，建立南海區(qū)域海-氣耦合模式及資料同化系統(tǒng),提高我國對南海海洋環(huán)流、中尺度渦及熱帶天氣過程的模擬和預報水平。 研究內(nèi)容： 1) 課題設置思路 區(qū)域大氣、海洋數(shù)值模式及其耦合系統(tǒng)是研究大氣、海洋和海氣相互作用重要的手段之一。目前南海區(qū)域天氣、氣候預報存在很大誤差。因此迫切需要利用動力框架、參數(shù)化方案、同化技術方面的完善提高南海海域海洋狀況及熱帶天氣過程的預報能力，有效提高我國熱帶海洋氣象學科的科研水平，是事關整個項目研究水平的關鍵。 2）研究內(nèi)容 建立高分辨率、多重嵌套的區(qū)域海氣耦合模式 驗證區(qū)域海洋大氣模式，基于區(qū)域耦合模式和條件非線性最優(yōu)擾動理論 基于集合卡曼濾波等技術建立南海資料同化系統(tǒng) 優(yōu)化模式中海氣通量的參數(shù)化方案，提高模式性能 3）與其它課題之間的關系 本課題是連接其它課題的技術紐帶（課題 1） ，把各課題整合成一個有機整體。 （課題 2）它既是其他課題成果轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力的出口和目標， （課題 3）和（課題 4）反過來為其他課題提供必要的研究手段和驗證工具。 經(jīng)費比例： 12.74% 承擔單位： 中國科學院大氣物理研究所、中國科學院南海海洋研究所、國家海洋局第一海洋研究所、國家海洋環(huán)境預報中心、國家氣候中心 課題負責人： 毛江玉 學術骨干： 彭世球、方越、盧著敏、肖賢俊、萬莉穎四、年度計劃年度 研究內(nèi)容 預期目標第一年項目和課題啟動，收集相關歷史資料，進行質(zhì)量控制。對南海海氣邊界層結構、海氣通量及南海的快速調(diào)整過程的時空分布規(guī)律進行初步分析；研究南海西邊界流的季節(jié)特征，分析南海上層海洋熱力狀況的季節(jié)、年際、年代際時空演變規(guī)律；揭示南海地區(qū)迅速發(fā)展和不發(fā)展擾動的時空分布規(guī)律?；I備海洋觀測，購買設備儀器；并開展地震海洋觀測預研究選擇合適的區(qū)域海氣耦合模式，并將之應用于南海區(qū)域，完成各分量模式的調(diào)試工作。建立理論分析、觀測和數(shù)值模式模擬海氣邊界層和海氣通量變化特征。細化并落實研究和現(xiàn)場觀測方案。形成用于本課題研究的多源數(shù)據(jù)集。闡明南海西邊界流各重要參數(shù)的季節(jié)演變特征和南海中尺度渦傳播特性，預研地震海洋學在南海中尺度渦研究中的應用。揭示南海區(qū)域海洋渦旋及天氣系統(tǒng)活動規(guī)律和海氣界面能量交換的基本特征；研究南海上層海洋熱力狀況的季節(jié)、年際時空演變規(guī)律以及南海地區(qū)迅速發(fā)展和不發(fā)展擾動的時空分布規(guī)律。調(diào)試南海區(qū)域大氣和海洋分量模式使其正常運行；在學術刊物上發(fā)表論文 511 篇，其中SCI(E)論文 5 篇。第二年設備購置及組裝，開展海洋觀測，初步得到中尺度渦的溫、鹽、流垂向結構及其動力學結構。初步揭示影響南海海氣邊界層和海氣通量交換的主要動力和熱力過程。發(fā)展新的湍流通量參數(shù)化方案，并用南海觀測資料進行驗證。初步開發(fā)基于南海歷史溫鹽資料的 PIES傳播時間反演海洋動力學參數(shù)的 GEM 模式?；?WRF 和 ROMS 分量模式進行典型個例模擬試驗，完善南海區(qū)域海模式的設置。對南海地區(qū)的日變化和天氣尺度的調(diào)整過程的時空分布規(guī)律進行初步探討，并揭示南海內(nèi)部環(huán)流和域際環(huán)流的基本特征。開展資料同化研究，進行后報試驗。結合第一年度整理的多源資料，研究南海中尺度渦與環(huán)流的演變規(guī)律；黑潮入侵南海的具體途徑及季節(jié)變化特點；定性分析西邊界海域渦旋的季節(jié)特征，并通過一些典型個例探討不同季節(jié)渦旋的生消機制。完成設備購置及組裝，開展海洋觀測；初步構建南海環(huán)流數(shù)值模式；初步完成南海GEM 模式。初步提高分量模式性能和改進資料同化方法。初步揭示影響南海海氣邊界層結構和海氣通量交換的主要動力和熱力過程及其參數(shù)化方案，提出南海地區(qū)日變化和天氣尺度的調(diào)整過程的主要機制。對南海上層海洋熱力狀況及南海迅速發(fā)展和不發(fā)展熱帶擾動的時空演變特征和規(guī)律有一個較為清晰的認識；初步揭示中尺度渦存在海域、強度、空間尺度、持續(xù)時間等特征；重點闡明南海西邊界海域中尺度渦生消和運動的季節(jié)特征，及其對西邊界流的影響。在學術刊物上發(fā)表論文 1319 篇，其中SCI(E)論文 7 12 篇，培養(yǎng)研究生 3-4 名。年度 研究內(nèi)容 預期目標第三年繼續(xù)組織實施海洋觀測航次。開展CTD/LADCP 和走航大面觀測，布放定點海流觀測錨系/海床基；在南海海洋鋒面區(qū)域進行 1-2 次現(xiàn)場觀測。對所得觀測資料進行整編和分析；闡明南海日變化規(guī)律與機理。結合地震數(shù)據(jù)與 CTD 觀測數(shù)據(jù)，反演中尺度渦的溫、鹽結構剖面，進一步得到南海環(huán)流和中尺度渦的熱、動力學結構。實現(xiàn)海洋大氣模式耦合；針對南海區(qū)域海氣相互作用的關鍵物理過程進行敏感性試驗；將各種觀測資料同化進模式中，確定集合尺度并與集合預報相結合。進行南海環(huán)流和中尺度渦同化模式研究，繼續(xù)完善 GEM 模式。進一步研究影響南海海氣邊界層和海氣通量交換的動力和行熱力過程及其參數(shù)化方案，并用南海觀測資料進驗證。通過數(shù)值模式研究南海與外海的水交換過程。對動量方程、渦度方程、渦動能量收支方程進行量綱分析，確定在不同季節(jié)主要流系的影響因子，重點分析渦旋在西邊界流季節(jié)轉(zhuǎn)換中的作用，分析中尺度渦年際變化特征；分析地形，風場等對于黑潮入侵南海的影響。在全球變暖背景下，南海熱帶天氣系統(tǒng)及南海夏季風爆發(fā)時間、強度及其演變規(guī)律，特別是近 20 年來南海熱帶天氣系統(tǒng)，南海夏季風的爆發(fā)與南海上層海洋熱力結構變異之間的聯(lián)系；揭示南海地區(qū)發(fā)展迅速的熱帶擾動所對應的海洋、大氣以及海氣相互作用背景條件。繼續(xù)實施海洋觀測；深化中尺度渦的垂向結構及其邊界混合過程的認識；用地震海洋學手段揭示南海中尺度渦垂向結構與分布特征。通過大面觀測資料，闡明觀測期間南海環(huán)流和中尺度渦的時空特征；了解南海環(huán)流和中尺度渦相互作用的動力學特征。闡明中尺度渦年際變化特征,定性揭示中尺度渦在西邊界流季節(jié)轉(zhuǎn)換中的作用。建立南海區(qū)域海氣耦合模式。初步建立適用于南海的海洋大氣邊界層和海氣通量參數(shù)化方案。初步闡明南海小尺度海氣耦合的動力機制。分析總結南海日變化過程的特征與機理。揭示南海海峽水交換與南海西邊界流之間的相互作用關系；通過數(shù)值模式研究南海與外海的水交換過程。分析南海熱帶天氣系統(tǒng)及南海夏季風爆發(fā)時間、強度及其演變規(guī)律，闡明南海熱力結構對南海熱帶天氣系統(tǒng)及南海夏季風爆發(fā)的反饋特征與機理，同時揭示南海地區(qū)熱帶擾動得以迅速發(fā)展的所對應的海洋、大氣以及海氣相互作用背景條件。在學術刊物上發(fā)表論文 1220 篇，其中SCI（包括 SCIE）論文 613 篇，培養(yǎng)博士生 12 名、碩士生 1 名。第四年持續(xù)海洋與島嶼觀測資料分析，優(yōu)化海氣邊界層結構和海氣通量參數(shù)化方案；繼續(xù)進行西邊界流和南部海峽觀測；回收 PIES 定點錨系，繼續(xù)開展 CTD/LADCP和走行觀測。進行 PIES 資料處理，反演溫度、比容密度、動力高度及地轉(zhuǎn)流等剖面的連續(xù)資料，反演觀測區(qū)域溫躍層深度和上層海洋熱含量的連續(xù)資料，分析南海中尺度渦/邊界流的高分辨率溫鹽細結構特征，探討中尺度渦與南海環(huán)流取得海流長期連續(xù)觀測資料；通過 PIES定點連續(xù)觀測資料闡明中尺度渦的溫、鹽、流垂向微細結構、及其正壓和斜壓等動力學特性；闡明觀測區(qū)域上層海洋熱含量的變化特性及其與南海環(huán)流、中尺度渦和海氣相互作用的關聯(lián)。了解中尺度渦生成、演變與消亡過程和機制，闡明西邊界海域季節(jié)平均流與渦旋之間的動量、渦度和能量交換機制。揭示南海典型垂直層結的形成及其維持的機理，闡明南海獨特的季節(jié)年度 研究內(nèi)容 預期目標的相互作用。利用多重嵌套技術提高模式分辨率，針對研究問題進行敏感性試驗；通過動力診斷和敏感性實驗，進一步分析西邊界流季節(jié)演變和中尺度渦活動的關系。使用模式輸出結果，分析海氣通量，探討季風變異情況下南海區(qū)域的海氣通量的長期變化。利用變分和集合卡曼濾波技術，建立與模式相適應的資料同化系統(tǒng)；進一步研究南海日變化和天氣尺度的調(diào)整過程的相關機制及南海海-氣通量交換在季風變異下的長時間尺度調(diào)整過程。分析研究南海內(nèi)部與域際環(huán)流的相互作用。基于多源數(shù)據(jù)研究南海的中尺度渦生成、演變與消亡，南海的季風特征及其轉(zhuǎn)換規(guī)律。探討海洋、大氣以及海氣相互作用與南海地區(qū)獲得迅速發(fā)展的熱帶擾動相關聯(lián)的機理；揭示南海獨特的季節(jié)性層結現(xiàn)象（過程）在海洋上層熱量重新分配中的作用；闡明南海海氣反饋對 ISO（MJO ）演變的調(diào)制作用。性層結在海洋上層熱量分配及南海季風的季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO、MJO）的調(diào)制作用。提出內(nèi)部及域際環(huán)流及變異機制的新觀點。對海氣邊界層結構、南海日變化和天氣尺度的調(diào)整過程及南海海-氣通量交換在季風變異下的長時間尺度調(diào)整過程有一個較為清晰的認識。進一步提高模式性能；建立資料同化系統(tǒng)。在學術刊物上發(fā)表論文 2333 篇，其中SCI(E)論文 1321 篇，培養(yǎng)博士生約 2-3名、碩士生約 3 名。第五年繼續(xù)參加項目補充觀測航次，回收觀測設備，整理觀測資料；綜合觀測數(shù)據(jù)和模式結果，研究南海西邊界流渦旋相互作用的年際特征及其影響因素，進一步探討南海中尺度渦的頻發(fā)機制，充分認識南海環(huán)流和渦旋在南海環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換過程中的作用及其對熱帶天氣過程的作用。測試新研發(fā)的參數(shù)化模塊對模式改進效果，對中小尺度海氣耦合機制進行分析，確定其對天氣和氣候的影響。優(yōu)化海氣耦合模式及其同化系統(tǒng)，完成所有數(shù)值模擬試驗的結果分析；完善基于高分辨模式及同化系統(tǒng)輸出的南海海洋再分析數(shù)據(jù)；對前期工作進行總結，提出南海日變化和天氣尺度的調(diào)整過程的物理機制。提出南海上層海洋熱力結構對南海局域熱帶天氣系統(tǒng)尤其是對迅速發(fā)展的熱帶擾動相關聯(lián)的機理及海洋-大氣反饋的物理完成觀測資料分析；總結給出海氣通量交換機制及對海洋與大氣的影響機理。一定程度上揭示南海海氣相互作用背景下，南海熱力狀況對熱帶天氣系統(tǒng)，尤其對該海域獲得迅速發(fā)展的熱帶擾動相關聯(lián)的規(guī)律和機理為預報我國南方災害性天氣提供理論依據(jù)。揭示南海中尺度渦生成動力學的區(qū)域特征，闡明南海海域的渦旋-海盆尺度環(huán)流相互作用機理，從而認識南海環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換、熱帶天氣過程對渦旋演變的作用，為南海渦旋預報提供理論基礎。形成南海區(qū)域海洋環(huán)境與天氣預報系統(tǒng)；形成高質(zhì)量、高分辨率的南海海洋再分析資料集；完成課題總結報告和項目結題驗收；在學術刊物上發(fā)表論文 2333 篇，其中SCI(E)論文 1120 篇，培養(yǎng)博士生 24名、碩士生約 4 名。年度 研究內(nèi)容 預期目標框架，整合、歸納、升華整個課題的成果。完成課題總結驗收的相關材料。一、研究內(nèi)容擬解決的關鍵科學問題包括：南海是熱帶西北太平洋最大的半封閉、深海盆邊緣海；通過關鍵通道南海又與鄰近的太平洋、印度洋有著水交換；同時，南海的上層熱含量通過海氣相互作用又影響著熱帶天氣系統(tǒng)發(fā)展和中期變化。在南海海洋領域的國家需求可以大致歸納為四個方面：與季風活動有關的澇預測，與熱帶天氣系統(tǒng)的減災防災以及與工程應用水文氣象有關的海上軍事活動與油氣資源開發(fā)的保障。為了滿足前述國家需求，必須深入開展南海海洋學與海氣相互作用的研究。通過調(diào)研分析，其關鍵之處在如何深入研究南海海氣通量、大尺度環(huán)流與中尺度渦旋、上層熱力過程等重要對象。通過深入系統(tǒng)研究，可以形成高精度的南海通量等產(chǎn)品，為軍事活動和環(huán)境資源開發(fā)提供水文氣象數(shù)據(jù)庫；同時可以揭示季風和海峽水交換驅(qū)動下的南海動力熱力過程，并闡明南海海洋在熱帶天氣系統(tǒng)變化中所起的作用，從而為減災防澇提供科學指導，為熱帶天氣系統(tǒng)預測預報提供預測模型和理念。為此，為深入研究南海海氣相互作用和環(huán)流渦旋演變規(guī)律，需要解決以下兩個關鍵科學問題： 1. 南海海氣相互作用的動力和熱力過程及其對熱帶天氣系統(tǒng)的影響； 南海海氣相互作用涉及到天氣尺度上熱帶氣旋與海洋中尺度渦、季節(jié)尺度上季風與海洋、年際尺度上南海海氣耦合等多尺度物理過程的相互影響、相互調(diào)制。這些動力和熱力過程體現(xiàn)了上層海洋和大氣邊界層動力、熱力和能量的交換。對其耦合演變機制的理解將決定如何以及能否在耦合模式中再現(xiàn)熱帶天氣系統(tǒng)的發(fā)展和演變，是研究南海海氣相互作用的基礎科學問題。 2. 季風和鄰近海洋強迫對南海海洋環(huán)流和中尺度渦的影響。 海洋環(huán)流特征影響南海上層海洋中熱量和動量的重新分配，是南海海氣相互作用的重要一環(huán)。南海是西北太平洋最大邊緣海，季風盛行，臺風活動多，南海又通過多個通道與周邊海區(qū)發(fā)生水和熱量交換。在大氣環(huán)流和外海這兩個主要外力驅(qū)動下，海盆尺度環(huán)流快速調(diào)整、中尺度渦頻發(fā)等許多海洋現(xiàn)象極具區(qū)域特色。南海上層海洋熱量變化很大程度受這些多尺度環(huán)流的影響，同時有影響天氣氣候的快速調(diào)整。主要研究內(nèi)容包括：為實現(xiàn)對以上兩個關鍵科學問題的研究，項目設臵了以下三個研究內(nèi)容：1. 不同天氣背景條件下南海海氣相互作用過程研究大氣環(huán)流通過海氣邊界層影響海洋環(huán)境的變化，反之亦然，需要研究的內(nèi)容有：南海海氣通量交換的時空變化特點和海氣交換機制，特別是大風條件下的海氣通量交換；南海的大氣邊界層特征分布及其演變規(guī)律，南海不同云系對海氣耦合過程的影響和大氣邊界層結構；風浪對海氣邊界層的影響及參數(shù)化方案；臺風對上層海洋的作用。2. 南海上層海洋環(huán)流和渦旋演變規(guī)律及其動力熱力效應 大尺度環(huán)流、中尺度渦以及溫躍層過程是南海上層海洋環(huán)境的重要組成部分，需要研究的內(nèi)容有：在進一步認識冬季和夏季風盛行期間上層海洋的基本流型的基礎上，研究上層海洋環(huán)流、上混合層、溫躍層和中尺度渦在季風季節(jié)內(nèi)變化，特別是季風轉(zhuǎn)季期間的調(diào)整過程和響應特征；南海暖水季節(jié)變化形成機制；季節(jié)和年際尺度上季風變化對南海海洋環(huán)境變化的影響；南海溫躍層過程的通風作用。除大氣強迫外，南海上層海洋又深受與西太平洋水和熱量交換的影響。需要研究的內(nèi)容有：研究呂宋海峽及其附近海域環(huán)流以及水文特性的時空變異；揭示呂宋海峽流量和熱量交換及其季節(jié)變化，并闡明其動力原因；闡明呂宋海峽兩側(cè)水和熱量交換對南海海洋環(huán)流、水文特征及中尺度渦等變化的影響；探討呂宋海峽海域兩側(cè)在上、中和深層水交換的差異、變化及其動力原因。3. 南海上層海洋熱狀況對熱帶天氣系統(tǒng)的反饋南海上層海洋通過熱力過程對大氣環(huán)流產(chǎn)生影響,南海海洋對熱帶天氣系統(tǒng)的影響是十分重要的。需要研究的內(nèi)容有：南海對流活動形成和發(fā)展的規(guī)律及其在海氣通量交換與大氣加熱中的作用；海氣能量交換對季風變化和南海臺風形成和發(fā)展的影響；熱帶天氣系統(tǒng)形成和活動的規(guī)律及其與大氣季節(jié)內(nèi)變化之間的聯(lián)系。