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厄尔尼诺-南方涛动研究的海气耦合模式:物理驱动与数据驱动模型的融合建模及示范案例 认领 引用 被引量：2
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作者 张荣华 李殷楠 +10 位作者 杜双盈 高川 周路 朱聿超 于洋 陶灵江 智海 冯立成 陈林 徐邦琪 陆波 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2026年第1期1-19,共19页
厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Oscillation,ENSO)作为地球气候系统中最强的年际变率模态,其演变对全球气候及社会经济具有深远影响,实现ENSO的精确模拟与预测一直是气候科学的核心挑战。目前ENSO模拟与预测主要依赖两类模型:一... 厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Oscillation,ENSO)作为地球气候系统中最强的年际变率模态,其演变对全球气候及社会经济具有深远影响,实现ENSO的精确模拟与预测一直是气候科学的核心挑战。目前ENSO模拟与预测主要依赖两类模型:一类是基于物理驱动的海洋-大气动力模式,它们能够显式描述与ENSO相关的海气耦合过程,但受参数化方案和分辨率等限制,在模拟和预测精度、计算效率及实时预报方面仍存在较大误差与不确定性,且在构建过程中未充分利用历史观测数据。另一类为基于人工智能(artificial intelligence,AI)的数据驱动模型,如卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)、U-Net及物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN)等,该类模型善于从历史数据中挖掘海气变量间复杂的非线性时空关系,在提升预测技巧方面优势显著,但也存在物理约束缺失、泛化能力弱等问题。近年来,物理驱动与数据驱动相结合的融合建模方法逐渐成为研究热点。其融合方式主要包括两种:一是在物理模式中引入AI技术以优化物理过程的表征等;二是在AI架构中嵌入物理约束以增强过程和机制的一致性,从而在保持物理合理性的同时,提升对ENSO非线性特征的刻画能力,有效整合了两类方法的优势。本文重点回顾作者团队在利用AI技术开展海洋-大气相互作用融合建模方面的近期研究,结合具体案例阐述融合方法实现路径与应用成效,包括:基于观测数据与PINN构建了改进的上层海洋垂向扩散参数化方案;利用U-Net构建了热带太平洋海表风应力模型及与不同复杂程度的海洋动力模式的耦合,率先实现了AI大气模型与动力海洋模式的融合建模。文中进一步分析了当前融合建模面临的关键问题与挑战,展望了其在海气相互作用过程表征与模拟方面的发展前景。本研究展示了海气相互作用融合建模的新范式与创新路径,旨在为海气耦合融合建模领域未来发展提供科学依据,推动其在实际ENSO和气候模拟及预测中的更深入应用。 展开更多
关键词 海气耦合 ENSO 物理驱动模式 数据驱动模型 融合建模 示范案例
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用于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的海气耦合模式:纯数据驱动的人工智能(AI)模型的最新进展与挑战 认领 引用 被引量：1
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作者 张荣华 周路 +6 位作者 高川 陶灵江 智海 冯立成 杜双盈 徐邦琪 陆波 《海洋与湖沼》 CAS CSCD 北大核心 2026年第1期1-21,共21页
基于物理驱动的海气耦合模式在过去几十年中经历了长期发展与应用的过程,极大地推动了对厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)现象的表征、理论体系的建立以及实时预测的实现。目前,学术界已经开发了复杂程度各... 基于物理驱动的海气耦合模式在过去几十年中经历了长期发展与应用的过程,极大地推动了对厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)现象的表征、理论体系的建立以及实时预测的实现。目前,学术界已经开发了复杂程度各异的海气耦合模式,用于ENSO的模拟和预测,包括简化的中间型海气耦合模式(Intermediate Coupled Models,ICMs)、混合型耦合模式(Hybrid Coupled Models,HCMs)以及更加复杂的耦合环流模式(Coupled General Circulation Models,CGCMs)等。尽管这些模式在ENSO研究中取得了显著进展,其在ENSO预测中的表现仍存在明显的误差和不确定性,亟需开发更为有效的实时预测方法,以提高对ENSO预测的准确性和时效性。近年来,基于数据驱动的人工智能(artificial intelligence,AI)技术在地球科学领域取得了广泛而成功的应用。ENSO作为一个涉及复杂海气变量场时空演变及其高度相关性的耦合系统,已成为AI技术的重要研究和应用领域。特别地,AI技术在非线性表征能力上的优势与ENSO所涉及的复杂而高度非线性海气相互作用等特征高度匹配,能够直接从历史数据中学习并表征与ENSO相关的海洋-大气年际异常场的时空演变规律,从而构建出对未来变化的预测模型。尤其是,Transformer架构展示了其在捕捉海气年际异常场间复杂时空相互关联和长时间依赖等方面的强大能力,成为当前ENSO预测中的有效工具。本文以作者研发的基于Transformer架构的3D-Geoformer模型为例,重点阐述其在ENSO表征与预测中的独特优势与应用价值,包括从初始场角度利用3D-Geoformer开展关于ENSO实时预测和可预报性等研究,强调这一纯数据驱动的AI模型能够完成传统物理驱动模式所无法实现的任务。同时,也探讨了当前AI技术在ENSO研究中的应用问题与挑战,并进一步阐明AI模型在ENSO实时预测和长期预测中的潜力,为该领域的未来发展方向提供科学指导。 展开更多
关键词 厄尔尼诺-南方涛动(ENSO) 海气相互作用 人工智能技术 纯数据驱动 Transformer架构 3D-Geoformer模型
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Prediction of sea surface pCO2in the South China Sea using Spatiotemporal Convolutional LSTM model 认领 引用
3
作者 Shuang LI Yu GAO +4 位作者 Jiannan GAO Yaqi ZHAO Peng HAO Jinbao SONG Chengcheng YU 《Journal of Oceanology and Limnology》 SCIE CAS CSCD 2026年第1期19-35,共17页
The prediction of sea surface partial pressure of carbon dioxide(pCO2)in the South China Sea is crucial for understanding the region’s contribution to the global carbon budget and its interactions with climate cha... The prediction of sea surface partial pressure of carbon dioxide(pCO2)in the South China Sea is crucial for understanding the region’s contribution to the global carbon budget and its interactions with climate change.We applied the Spatiotemporal Convolutional Long Short-Term Memory(STConvLSTM)model,integrating key environmental factors including sea surface temperature(SST),sea surface salinity(SSS),and chlorophyll a(Chl a),to predict and analyze sea surface pCO2in the South China Sea.The model demonstrated high accuracy in short-term predictions(1 month),with a mean absolute error(MAE)of 0.394,a root mean square error(RMSE)of 0.659,and a coefficient of determination(R2)of 0.998.For long-term predictions(12 months),the model maintained its predictive capability,with an MAE of 0.667,RMSE of 1.255,and R2of 0.994.Feature importance analysis revealed that sea surface pCO2and SST were the main drivers of the model’s predictions,whereas Chl a and SSS had relatively minor impacts.The model’s generalization ability was further validated in the northwest Pacific Ocean and tropical Pacific Ocean,where it successfully captured the spatiotemporal variation in pCO2with small prediction errors.The ST-ConvLSTM model provides an efficient and accurate tool for forecasting and analyzing sea surface pCO2in the South China Sea,offering new insights into global carbon cycling and climate change.This study demonstrates the potential of deep learning in marine science and provides a significant technical support for global changes and marine ecosystem research. 展开更多
关键词 sea surface carbon dioxide South China Sea Spatiotemporal Convolutional Long Short-Term Memory(ST-ConvLSTM) deep learning
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海表面温度对西南印度洋夏季准双周振荡的反馈分析 认领 引用
4
作者 杨洋 李奎平 +2 位作者 祖永灿 刘琳 于卫东 《海洋科学进展》 CAS CSCD 北大核心 2026年第1期17-29,共13页
大气准双周振荡(Quasi-Biweekly Oscillation, QBWO)是热带和副热带大气的重要季节内变化模态,是提高10~20天延伸期极端天气预报水平的重要依据。目前,关于QBWO的分析主要集中在北半球夏季的西北太平洋和北印度洋海域。相比之下,针对西... 大气准双周振荡(Quasi-Biweekly Oscillation, QBWO)是热带和副热带大气的重要季节内变化模态,是提高10~20天延伸期极端天气预报水平的重要依据。目前,关于QBWO的分析主要集中在北半球夏季的西北太平洋和北印度洋海域。相比之下,针对西南印度洋夏季QBWO的研究却相对较少,对于海表面温度(Sea Surface Temperature, SST)扰动对QBWO的海洋反馈过程的研究尤其匮乏。本文利用1981—2022年大气再分析资料和观测SST资料进行湿静力能(Moist Static Energy, MSE)诊断和敏感性试验,定量评估了SST扰动对QBWO的关键海洋反馈过程。结果表明,西南印度洋夏季QBWO事件按其传播路径可以分为南传和东传两种模态,两种模态的发展演化都与MSE的演化联系密切,即QBWO对流的增强(减弱)伴随着MSE的显著充(放)电过程,这种显著位相对应现象主要是由水平平流项控制。SST扰动对海表面湍流热通量的反馈在QBWO南传模态中较为显著,其引起的海表潜热(感热)通量变化可占MSE时间变化率的12.5%(3.5%),合计占16%。相较于南传模态,东传模态中SST扰动引起的湍流热通量只占其MSE时间变化率的2.6%。 展开更多
关键词 大气准双周振荡 海表面温度 西南印度洋 湿静力能
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考虑海气耦合的海洋风环境中-微尺度数值模拟 认领 引用
5
作者 孙钰锟 马献东 +2 位作者 王同光 王珑 王美霖 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2026年第6期123-132,共10页
独立中尺度数值天气研究与预报(weather research and forecasting,WRF)模式在输出风速特征时,忽略了波浪传播和海流演变引起的海表变形对三维风场湍流结构的调制作用,无法输出秒级分辨率的脉动风速。针对这一问题,本文构建了一种基于WR... 独立中尺度数值天气研究与预报(weather research and forecasting,WRF)模式在输出风速特征时,忽略了波浪传播和海流演变引起的海表变形对三维风场湍流结构的调制作用,无法输出秒级分辨率的脉动风速。针对这一问题,本文构建了一种基于WRF模式、近岸波浪模拟(simulating waves nearshore,SWAN)模型、区域海洋模式系统(regional ocean modeling system,ROMS)和大涡模拟(large eddy simulation,LES)耦合的中-微尺度多层嵌套风-浪-流数值模拟方法(WRF-SWAN-ROMS-LES),并开发了中尺度强迫源驱动的中-微尺度耦合软件框架Marine_CFD。利用该方法,对比分析了中尺度海气耦合的大气模式(coupled ocean-atmosphere-wave-sediment transport,COAWST)与独立大气模式(WRF和WRF_SST)在风速模拟上的差异,并验证了微尺度大涡模拟在再现湍流脉动方面的有效性。结果表明,风-浪-流耦合模型对海上风速演变过程的刻画具有更高的精度:在38 m高度处,COAWST模式的皮尔逊相关系数为0.789,高于WRF的0.733和WRF_SST模式的0.735,说明COAWST模式对海洋风速演变模拟更具优势。在微尺度模拟中,通过引入中尺度大气场的速度和位温等三维时空分布信息,驱动微尺度大涡模拟,其输出风速序列整体位于LES脉动风速曲线的中间区域,并且能够有效保持秒级的高频脉动特征。 展开更多
关键词 海洋风环境 中-微尺度耦合 海气耦合 风-浪-流耦合 大涡模拟
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Comparative Analysis of the Climate in the Barents Sea and Greenland Sea for a Perturbation of the Sea-to-Air Flux of Dimethylsulfide 认领 引用
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作者 ZHONG Guangsheng QU Bo 《Journal of Ocean University of China》 SCIE CAS CSCD 2026年第1期217-227,共11页
An atmospheric general circulation model(AGCM)is used to analyze the different impact on the Barents Sea(BS)and Greenland Sea(GS)for a perturbation of sea-to-air DMS flux.We compare contemporary anthropogenic S and co... An atmospheric general circulation model(AGCM)is used to analyze the different impact on the Barents Sea(BS)and Greenland Sea(GS)for a perturbation of sea-to-air DMS flux.We compare contemporary anthropogenic S and contemporary DMS sea-to-air flux(as baseline,B00)sulfur emissions,with contemporary anthropogenic S and a perturbed DMS flux(as modified,B01)sulfur emissions.Results show that the global mean surface DMS and DMS vertically integrated concentration all peaked in June and increases more than 63%in BS and increases about 58%in GS.The concentrations of atmospheric sulfur dioxide vertical integral(SO2)and sulfate vertical integral(SO4)only increase less than 12%in both regions.Sulfur emission(SEM)peaked in June and increased about 67%and 41%in GS and BS,respectively.Aerosol optical depth(AOD)increases less than 4%in GS and in BS.Surface temperature(TSC)peaked in July and reduces 0.25 K and 0.8 K in GS and BS,respectively.Satellite data from 2003 to 2023show that chlorophyll(CHL)concentration in BS exceeds that of GS by 51%.The AOD in GS is only 0.6%higher than in BS.The recent increased rate of DMS surface concentration in BS(from 6%during 1981–2002 to 18.8%in 2003–2023)is mainly caused by elevated CHL concentrations in BS.Finally,the perturbation on DMS flux leads to increase rate of DMS and related sulfur emissions especially in the BS,this tendency will have an offsetting effect on regional warming. 展开更多
关键词 AGCM dimethylsulfide sea-to-air flux Barents Sea Greenland Sea
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基于OAFlux的CORA2.0西北太平洋夏季海表潜热通量的气候态与多尺度评估 认领 引用
7
作者 蒙泽 李保生 +2 位作者 秦箭煌 付红丽 周磊 《海洋信息技术与应用》 2026年第3期146-158,共13页
本文基于OAFlux海气通量观测融合数据,对国产高分辨率海洋再分析产品CORA2.0中西北太平洋夏季海表潜热通量(Latent Heat Flux,LHF)的气候态结构和多尺度振荡特征进行了对比评估,并在此基础上进一步分析了其主要偏差特征及可能的物理来... 本文基于OAFlux海气通量观测融合数据,对国产高分辨率海洋再分析产品CORA2.0中西北太平洋夏季海表潜热通量(Latent Heat Flux,LHF)的气候态结构和多尺度振荡特征进行了对比评估,并在此基础上进一步分析了其主要偏差特征及可能的物理来源。研究发现,CORA2.0在黑潮、北赤道流及南海等关键海气相互作用区域能够较好地再现LHF的气候态高值带,表明其在这些区域具备稳定的能量收支约束;在天气尺度、季节尺度、年循环等时间尺度上,CORA2.0的振荡强度和能量谱结构与OAFlux具有良好的一致性,相比上一代CORA1.0改进显著。然而,CORA2.0在赤道海域的气候态表现偏弱,其主要原因在于大气驱动场再分析数据JRA的底层风速偏低;在多尺度振荡方面,季节内(20~100 d)振荡明显偏强,直接原因是与LHF有关的热力过程和动力过程的反向协同性较差,其根源是JRA数据中大气季节内湿化过程缺失,致使LHF季节内能量约束较弱。总体而言,CORA2.0已具备应用于关键海域海洋过程诊断及中高时间尺度研究的潜力,但其低层大气边界层驱动场仍需进一步改进。本研究可以为国产海洋再分析产品的评估与优化提供科学依据,也可以为我国邻近海域的海气耦合研究、台风能量诊断及相关业务化应用提供参考。 展开更多
关键词 海表潜热通量 CORA2.0海洋再分析资料 西北太平洋 季节内振荡 海气相互作用
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Tropical instability waves and their relationships with large-scale oceanic thermal conditions,revealed in ROMS-based hybrid coupled model of the tropical Pacific 认领 引用 被引量：1
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作者 Yinnan LI Yang YU +2 位作者 Chuan GAO Hongna WANG Rong-Hua ZHANG 《Journal of Oceanology and Limnology》 SCIE CAS CSCD 2026年第2期461-476,共16页
This study evaluates the performance of a Regional Ocean Modeling System-based Hybrid Coupled Model(HCMROMS)in simulating tropical instability waves(TIWs),their modulation by the El Niño-Southern Oscillation(E... This study evaluates the performance of a Regional Ocean Modeling System-based Hybrid Coupled Model(HCMROMS)in simulating tropical instability waves(TIWs),their modulation by the El Niño-Southern Oscillation(ENSO)in the tropical Pacific Ocean,and their impacts on the mean state thermal conditions of the ocean.HCMROMSintegrates the Regional Ocean Modeling System(ROMS)with a statistical atmospheric model for surface wind stress anomalies based on Singular Value Decomposition(SVD),aiming to accurately represent air-sea coupling interactions and TIWs-related ocean mesoscale processes.The model successfully reproduces the climatological state and seasonal variability of sea surface temperature(SST)in the tropical Pacific.In simulating ENSO,HCMROMScaptures the quasi-three year oscillation characteristic of ENSO.Regarding TIWs,the model accurately reproduces their main features and periods.Additionally,HCMROMSshows a significantly negative correlation between the strength of TIWs and the Niño 3.4 index,being consistent with empirical analyses from observations.The model’s ability to simulate the interaction between TIWs and ENSO allows us to analyze the TIWs related energy and heat budgets.The model’s energy budget reveals that the strength of TIWs is strongly modulated by ENSO phases.The study also examines the feedback effects of TIWs on the mean state through a heat budget analysis.These results indicate that TIWs play a crucial role in the climatological heat balance,with the amplitude being comparable to sea surface heat flux.These findings underscore the importance of accurately simulating TIWs to better represent and understand their role in the tropical Pacific climate system.Overall,HCMROMSdemonstrated robust performance in representing both ENSO and TIWs,offering a reliable tool for future studies on their interactions and the broader dynamics of the tropical Pacific Ocean.The model’s precise representations of TIWs and their relationship with ENSO highlight its potential in advancing our understanding of ocean-atmosphere interactions and improving climate predictions. 展开更多
关键词 Regional Ocean Modeling System(ROMS) statistical atmospheric model tropical Pacific tropical instability wave(TIW)
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Evaporation ducts modulated by the coupling of atmospheric cyclones(anticyclones)and oceanic submesoscale fronts:an observational case 认领 引用
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作者 Yuan GAO Yongchui ZHANG +7 位作者 Xinyue XIA Hongcheng LOU Xiaofeng ZHAO Mei HONG Yang WANG Shiyao CHEN Zhijin QIU Juli DING 《Journal of Oceanology and Limnology》 SCIE CAS CSCD 2026年第3期936-949,共14页
Evaporation ducts,which originate at the air-sea boundary,significantly influence electromagnetic propagation,ship communication,radar ranging,and other related fields.However,the current understanding of the variabil... Evaporation ducts,which originate at the air-sea boundary,significantly influence electromagnetic propagation,ship communication,radar ranging,and other related fields.However,the current understanding of the variability in evaporation ducts under the combined effect of atmospheric and oceanic processes remains unclear.Via shipboard observations,the changes in evaporation ducts at paired oceanic submesoscale fronts(OSFs)during and after successive passage of an atmospheric cyclone and anticyclone in the northwestern Pacific Ocean were investigated.The observations indicated that under the dominant influence of sea surface temperature,air temperature,and specific humidity changes,the average evaporation duct height above the OSFs during cyclone passage reached 9.76 m,which is 446% of the 2.19 m during the period when only OSFs occurred.During the anticyclone period,the evaporation duct height ranged from 2 to 3 m.Specific humidity variation was influenced by mainly evaporation,followed by advection and divergence flow.Differences in the influence mechanisms of sea surface temperature and wind speed on evaporation during different periods were explored. 展开更多
关键词 evaporation duct atmospheric cyclone(AC) atmospheric anticyclone(AA) oceanic submesoscale front(OSF)
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西北太平洋中尺度涡上的海气参数异常特征分析 认领 引用
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作者 龙逢鑫 高郭平 +1 位作者 苗侨龙 卞思进 《上海海洋大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2026年第1期305-323,共19页
海洋中尺度涡在物质输运、能量交换和气候变率调节等方面有至关重要的作用。为了理解西北太平洋海域活跃的中尺度涡过程,认识该海域中尺度涡对其上部海气参数的影响。本文基于卫星高度计和散射计资料,利用涡旋识别追踪和复合分析方法,对... 海洋中尺度涡在物质输运、能量交换和气候变率调节等方面有至关重要的作用。为了理解西北太平洋海域活跃的中尺度涡过程,认识该海域中尺度涡对其上部海气参数的影响。本文基于卫星高度计和散射计资料,利用涡旋识别追踪和复合分析方法,对2006—2009年西北太平洋30000+中尺度暖涡和冷涡上的海气参数异常特征进行研究。结果表明,暖涡(冷涡)上分别存在正(负)海温、海表风速、感热通量和潜热通量异常,正(负)异常极值分别为1.64(-1.58)℃、0.72(-0.58)m/s、19.60(-39.25)W/m2和40.98(-55.03)W/m2;暖涡(冷涡)引起的海表风速、感热通量和潜热通量异常与海温异常存在显著的线性耦合,最大线性耦合系数分别为0.49(0.50)m/(s·℃)、19.57(20.04)W/(m2·℃)和33.61(32.96)W/(m2·℃);暖涡(冷涡)上的海气参数异常及耦合特征存在区域性和季节性差异,主要受背景海温梯度和风速影响,通过调制垂向热输运效率,改变海表面粗糙度进而影响海气参数的异常。此外,Ekman抽吸、混合层调节及边界层稳定性等多个过程协同作用也是可能的影响机制,未来需通过高精度区域耦合模型量化各种影响机制的相对贡献。本研究可为中尺度涡海气耦合以及中尺度涡影响下的海气参数预报提供科学依据和参考。 展开更多
关键词 中尺度涡 海气耦合 复合分析 西北太平洋
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基于GDCSM_Argo的西北太平洋中上层海洋热含量与台风的调控与响应关系初探 认领 引用
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作者 束波 张春玲 +1 位作者 苏涵 胡松 《热带海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2026年第2期81-95,共15页
作为全球气候变化的关键指标,海洋热含量能够准确反映地球系统的净能量收支,其时空变化对台风的产生和发展具有重要影响。文章基于一套长时间序列、多参数的全球温盐再分析数据集(gradient dependent correlation scale method Argo,GDC... 作为全球气候变化的关键指标,海洋热含量能够准确反映地球系统的净能量收支,其时空变化对台风的产生和发展具有重要影响。文章基于一套长时间序列、多参数的全球温盐再分析数据集(gradient dependent correlation scale method Argo,GDCSM_Argo),通过滞后回归、相关分析等方法,初步探讨了中上层海洋热含量对台风的调控与响应作用。结果表明,近表层海洋热含量直接影响台风发生频率,而中、下层热含量通过垂直混合为台风提供持续能量,且各水层热含量对台风的响应均存在1~6个月的时间滞后。台风搅拌引发的“冷尾流”效应显著降低了台风路径上的海洋层结稳定性,尤其在台风增强海域(10°—25°N,120°—145°E),混合层以下的理查森数低值区与台风最大风速位置高度吻合。热含量和台风的响应关系受异常气候条件影响明显:厄尔尼诺期间,台风东移作用于温跃层较深的区域,风搅拌更易穿透至次表层,将热量向下输送,暂时削弱层结;拉尼娜期间,台风数相对增加,路径西移,台风在高热含量的西太平洋活动。 展开更多
关键词 海洋热含量 台风 调控与响应 理查森数 气候变化
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基于涡相关法的海-气界面动量通量计算的倾斜校正及其特征 认领 引用
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作者 沈雨薇 李墨馨 赵栋梁 《中国海洋大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2026年第4期1-14,共14页
在使用涡相关法计算通量时,为确保测量平面与水平面平行,需要对观测数据进行倾斜校正。常用的倾斜校正方法有二次旋转、三次旋转和平面拟合法。本文利用南海海上平台的观测数据,探讨了倾斜校正方法对海-气界面动量通量计算结果的影响。... 在使用涡相关法计算通量时,为确保测量平面与水平面平行,需要对观测数据进行倾斜校正。常用的倾斜校正方法有二次旋转、三次旋转和平面拟合法。本文利用南海海上平台的观测数据,探讨了倾斜校正方法对海-气界面动量通量计算结果的影响。研究发现,当大气层结处于中性稳定情形时,二次旋转方法与平面拟合法下动量通量计算结果基本一致,但当大气层结趋于稳定时,平面拟合法展现出了更好的适应性。而三次旋转方法并未在二次旋转的基础上有效改进通量计算。进一步研究表明,不同倾斜校正方法对湍动能谱、风应力方向以及风应力方向和风向夹角的影响差异可以忽略。在稳定情形下,风应力方向偏向风向左侧;在中性稳定情形下,偏向角接近0;在不稳定情形下,偏向角分布则较为分散。此外,在稳定情形下,拖曳系数会减小。本文得到的拖曳系数与风速的关系与前人的研究结果基本一致。 展开更多
关键词 动量通量 倾斜校正 拖曳系数 平面拟合法 二次旋转
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台湾海峡海面风场对海温锋面响应的季节差异性研究 认领 引用
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作者 王虹 孙天霆 王登婷 《海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2026年第6期39-57,共19页
台湾海峡海面风场精细结构对区域气候及海上风能开发具有重要意义。受观测资料限制,复杂地形影响下台湾海峡海温锋面强度与海面风场响应之间的季节差异仍有待进一步认识。本文利用2004-2022年高分辨率天气研究与预报(Weather Research a... 台湾海峡海面风场精细结构对区域气候及海上风能开发具有重要意义。受观测资料限制,复杂地形影响下台湾海峡海温锋面强度与海面风场响应之间的季节差异仍有待进一步认识。本文利用2004-2022年高分辨率天气研究与预报(Weather Research and Forcasting,WRF)模式数值模拟结果与多源观测资料,分析海温锋面与海面风场的季节变化特征,并通过改变海温锋面强度的敏感性试验评估局地风速响应。奇异值分解(singular value decomposition,SVD)结果表明,夏季海表温度(sea surface temperature,SST)异常与风场异常的时间协同变化最为突出,第一模态平方协方差贡献率为82.09%,两者第一模态时间系数相关系数为0.69。海温锋面强度与风场异常时间系数在夏季表现为同相变化,在冬季表现为反相变化,说明台湾海峡海温锋面与海面风场异常耦合具有季节差异,夏季局地热力作用更明显,冬季背景动力调制更突出。敏感性试验表明,相较于仅削弱海温锋面强度,完全去除海温锋面引起的局地风速响应更明显。去除海温锋面后,冬、夏季风速响应中位数分别约为0.45 m/s和0.26 m/s,且夏季风速响应主要集中在海温锋面附近,集中度约为冬季的1.5倍。结果揭示了台湾海峡海温锋面对海面风场影响的季节依赖性,可为复杂海峡区域精细化风场模拟和海上风能资源评估提供参考。 展开更多
关键词 台湾海峡 海面风场 海温锋面 季节差异 海气相互作用
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基于U-Net模型重构热带不稳定波引发的海表风应力的响应 认领 引用
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作者 刘奕 张荣华 +1 位作者 周宇晟 周路 《海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2026年第6期58-78,共21页
热带不稳定波(tropical instability waves,TIWs)是出现在赤道中东太平洋冷舌区域的西传波动现象,反映在海表温度(sea surface temperature,SST)锋面活动及对大气的强迫作用。其对气候平均态和厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern ... 热带不稳定波(tropical instability waves,TIWs)是出现在赤道中东太平洋冷舌区域的西传波动现象,反映在海表温度(sea surface temperature,SST)锋面活动及对大气的强迫作用。其对气候平均态和厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)有调制作用,能否合理地表征与TIWs相关的大气海表风场对SST的响应及反馈过程,对于准确模拟和预测ENSO至关重要。以往统计大气模式中常采用奇异值分解(singular value decomposition,SVD)等线性方法描述风应力对TIWs引起的海温扰动的响应,但存在振幅低估问题。本研究基于U-Net深度学习模型,构建了热带东太平洋TIWs相关的海温扰动(SSTTIW)与风应力响应(τTIW)之间的非线性关系模型。研究表明,U-Net模型重构结果的相关系数普遍大于0.8,非线性决定系数(R2)比SVD方法平均提升0.45,这说明U-Net模型不仅能准确再现TIWs事件的时空分布特征,且重构的风应力振幅更接近于观测值。研究结果证实了U-Net模型能够表征由TIWs引发的大气海表风应力对海温响应的非线性耦合关系,在一定程度上解决了线性方法存在的振幅低估问题,从而更真实地模拟由TIWs引发的中小尺度海气相互作用强度。本研究提出的基于深度学习方法有效重构海表风应力对SSTTIW的响应模型,为表征热带东太平洋海区TIWs本身的海气相互作用过程及其与大尺度海气相互作用过程提供了一个模拟工具,对于更好地表征调制ENSO影响因子,进而提高对ENSO多样性和复杂性的模拟与预测具有重要的指导意义。 展开更多
关键词 热带不稳定波 U-Net模型 海表风应力响应
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江淮地区两次罕见冻雨过程与热带海-气系统和平流层极涡异常的联系 认领 引用
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作者 黄宗慈 刘梅 +3 位作者 耿新 王啸华 刘美辰 陈圣劼 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2026年第3期500-517,共18页
基于1981—2024年ERA5再分析大气环流资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气候预测中心(CPC)逐日降水资料和NOAA拓展重建的全球月平均海表温度资料,对比分析了江淮地区2010和2024年初两次罕见冻雨过程(简称过程1和过程2)的实况、环流... 基于1981—2024年ERA5再分析大气环流资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气候预测中心(CPC)逐日降水资料和NOAA拓展重建的全球月平均海表温度资料,对比分析了江淮地区2010和2024年初两次罕见冻雨过程(简称过程1和过程2)的实况、环流形势和温度层结差异,并探究了热带海-气信号和平流层极涡异常的可能影响和机制。结果表明:(1)过程2冻雨影响范围和持续时间强于过程1,过程1中冻雨出现在2010年2月10日白天,主要分布在淮北地区,而过程2中冻雨则主要出现在2024年2月20—21日,范围南扩至沿江一带。两次冻雨过程高低层系统配置具有一定的相似性,均发生在北方冷空气南下与南支槽前和西太平洋副热带高压外围西南气流输送的暖湿空气相互对峙的环流形势下,稳定而持续的暖湿水汽输送是两次过程中融化层和逆温层建立并维持的关键。(2)同期热带太平洋厄尔尼诺事件有利于江淮地区上空出现中层冷、低层暖的垂直温度配置,同时低层西北太平洋反气旋性环流可增强水汽输送,为两次冻雨过程提供有利的大尺度气候背景条件。(3)与此同时,西太平洋地区上空活跃的MJO(Madden-Julian Oscillation)相关深对流在西北太平洋地区激发出强大的反气旋性环流,为江淮地区冻雨过程的发生提供了充沛的水汽,使得低层融化层和逆温层建立并维持。(4)两次冻雨过程前期,平流层爆发性增温(SSW)事件引起的平流层极涡形变和向亚洲地区偏移,通过调控中高纬度地区对流层环流演变引导冷空气爆发南下,与暖湿气流强烈交汇于江淮地区,由此形成稳定持续的逆温结构、强烈低层水平风场辐合及上升运动,两次冻雨过程得以发生。总体而言,在江淮地区两次历史罕见的冻雨过程中,热带海-气信号和平流层极涡形变的相互配合对这两次冻雨过程的发生起着重要作用。因此,在江淮地区冻雨过程的短期预报中需考虑MJO活动和SSW事件的影响。 展开更多
关键词 冻雨 逆温层 厄尔尼诺 MJO 平流层爆发性增温
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A hybrid coupled model for the tropical Pacific constructed by integrating ROMS with a statistical atmospheric model 认领 引用 被引量：5
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作者 Rong-Hua ZHANG Wenzhe ZHANG +4 位作者 Yang YU Yinnan LI Feng TIAN Chuan GAO Hongna WANG 《Journal of Oceanology and Limnology》 SCIE CAS CSCD 2025年第4期1037-1055,共19页
Numerical models are crucial for quantifying the ocean-atmosphere interactions associated with the El Niño-Southern Oscillation(ENSO)phenomenon in the tropical Pacific.Current coupled models often exhibit signifi... Numerical models are crucial for quantifying the ocean-atmosphere interactions associated with the El Niño-Southern Oscillation(ENSO)phenomenon in the tropical Pacific.Current coupled models often exhibit significant biases and inter-model differences in simulating ENSO,underscoring the need for alternative modeling approaches.The Regional Ocean Modeling System(ROMS)is a sophisticated ocean model widely used for regional studies and has been coupled with various atmospheric models.However,its application in simulating ENSO processes on a basin scale in the tropical Pacific has not been explored.For the first time,this study presents the development of a basin-scale hybrid coupled model(HCM)for the tropical Pacific,integrating ROMS with a statistical atmospheric model that captures the interannual relationships between sea surface temperature(SST)and wind stress anomalies.The HCM is evaluated for its capability to simulate the annual mean,seasonal,and interannual variations of the oceanic state in the tropical Pacific.Results demonstrate that the model effectively reproduces the ENSO cycle,with a dominant oscillation period of approximately two years.The ROMS-based HCM developed here offers an efficient and robust tool for investigating climate variability in the tropical Pacific. 展开更多
关键词 Regional Ocean Modeling System(ROMS) statistical atmospheric model hybrid coupled model El Niño-Southern Oscillation(ENSO) model evaluation tropical Pacific
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海-气界面二氧化碳通量研究进展——基于CiteSpace和VOSviewer的知识图谱分析 认领 引用
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作者 梁中耀 李冰菲 李勇 《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2026年第3期637-651,共15页
为深入了解海–气界面CO2通量的国际研究动态,基于Web of Science数据库,运用CiteSpace和VOS-viewer软件,对1980—2023年相关文献进行可视化分析。结果表明,发文量总体上呈上升趋势,可分为萌芽期、快速增长期和稳定增长期3个阶段;美... 为深入了解海–气界面CO2通量的国际研究动态,基于Web of Science数据库,运用CiteSpace和VOS-viewer软件,对1980—2023年相关文献进行可视化分析。结果表明,发文量总体上呈上升趋势,可分为萌芽期、快速增长期和稳定增长期3个阶段;美国、德国、英国、法国和中国为主要研究力量;研究方向从单因素对通量的影响向多因素耦合影响转变,从局部研究向全球视角扩展,从基础理论向应用研究深化;研究热点集中在海–气界面CO2通量的空间分布特征、动态变化的关键过程和驱动因子及其对全球气候变化与人类活动的响应。研究前沿多围绕多源遥感数据融合与机器学习算法展开,用于模拟海表CO2分压、估算通量及定量分析气候变化响应。未来的研究应聚焦高分辨率观测、多源数据融合、机器学习与大数据分析、区域和近海环境研究以及气候变化与海洋碳循环的反馈机制,同时加强跨学科协作和国际合作。研究结果可为理解全球碳循环、预测气候变化趋势及制定碳减排策略提供参考。 展开更多
关键词 海–气界面CO2通量 海洋碳汇 研究热点 文献计量 知识图谱
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用于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的海气耦合模式:以对我国三个环流型模式(CGCMs)的评估为例 认领 引用 被引量：3
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作者 张荣华 尹露莹 +9 位作者 高川 王宏娜 刘思颖 智海 陈林 康贤彪 俞永强 宋振亚 吴统文 吴方华 《海洋与湖沼》 CAS CSCD 北大核心 2025年第3期475-501,共27页
基于数理方程的海气耦合模式是研究厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)的有效工具。由于ENSO模拟性能强烈地依赖于模式的构建及海气过程的表征,目前已发展了各类复杂程度不同的海气耦合模式,包括中间型耦合模式... 基于数理方程的海气耦合模式是研究厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)的有效工具。由于ENSO模拟性能强烈地依赖于模式的构建及海气过程的表征,目前已发展了各类复杂程度不同的海气耦合模式,包括中间型耦合模式(Intermediate coupled models,ICMs)、混合型耦合模式(Hybrid coupled models,HCMs)和完整的环流型耦合模式等。其中最为复杂的是基于原始方程组的海气耦合环流模式(Coupled general circulation models,CGCMs),它们均由描述大气和海水运动的大气环流模式(Atmospheric general circulation models,AGCMs)和海洋环流模式(Oceanic general circulation models,OGCMs)所组成,包含了广泛而尽可能详尽的物理过程及参数化方案;采用全变量(一个状态变量可分为气候态部分和年际异常部分)和海气间的完全耦合。早期发展的CGCM常常会出现气候漂移现象,对气候平均态和ENSO模拟等会出现较大的模式误差,为此需要采用通量修正(flux corrections)等方法,以减小平均态模拟的系统性误差;这类模式不仅对计算资源有更高的要求,其调试与优化也面临巨大技术挑战。经过几十年的发展和改进,当前使用的CGCMs已经能够真实地再现与ENSO相关的海气变量年际异常的时空结构及演变,这些在耦合模式国际比较计划第6阶段(Coupled model intercomparison project phase 6,CMIP6)模拟中已得到清晰体现上。目前我国不同科研机构和业务单位已发展了CGCMs,其中较为成熟和广泛应用并有大量成果公开发表的CGCMs包括中国科学院大气物理研究所、自然资源部第一海洋研究所和中国气象局等所研发的CGCM系统。经过长期不懈的努力,目前这些CGCMs无须进行偏差或通量校正已能成功地应用于气候模拟、预测和预估等,展现了其对气候平均态和多尺度气候变率等方面数值模拟的良好性能。例如,这些CGCMs对ENSO现象的表征能力已有极大的改进和提高,已广泛应用于ENSO模拟和预测应用之中。然而,目前基于CGCMs对ENSO的数值模拟和预测仍存在着较大的不确定性和模式间差异性。本文将评估这些CGCMs对ENSO模拟的现状和未来发展方向,指出CGCMs所存在的问题和需要改进之处。这些分析和评估为未来ENSO数值模拟和预测的改进和发展提供了有价值的科学指导。 展开更多
关键词 厄尔尼诺-南方涛动(ENSO) 海气相互作用 耦合环流模式(CGCMs) ENSO模拟性能 模拟偏差和不确定性
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德雷克海峡冰进退-ENSO互馈及气候预测应用 认领 引用
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作者 董昊天 《读报参考》 2026年第5期283-285,共3页
德雷克海峡作为南太平洋高纬度与赤道低纬度物质能量交换的关键通道,其海冰进退(冰进/冰退)通过调控南极绕极流(ACC)通量与秘鲁寒流强度,与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)形成显著互馈关系,构成全球气候系统中典型的高纬-低纬海气耦合过程。... 德雷克海峡作为南太平洋高纬度与赤道低纬度物质能量交换的关键通道,其海冰进退(冰进/冰退)通过调控南极绕极流(ACC)通量与秘鲁寒流强度,与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)形成显著互馈关系,构成全球气候系统中典型的高纬-低纬海气耦合过程。这种“开关效应”通过改变南太平洋环流格局与赤道太平洋海温梯度,成为ENSO年际变率的重要触发与维持因子。然而,单一“开关效应”难以完全解释ENSO的复杂性与极端事件,需与南半球环状模(SAM)、Madden-Julian振荡(MJO)、强潮汐等多尺度因子协同分析,才能提升气候预测的准确性。 展开更多
关键词 海温梯度 ENSO SAM 海气耦合 南极绕极流
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中国陆架边缘海碳源汇的强度与控制因素 认领 引用 被引量：1
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作者 宋金明 袁华茂 +8 位作者 李学刚 曲宝晓 钟国荣 邢建伟 马骏 段丽琴 王启栋 戴佳佳 刘珊珊 《海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2025年第7期1-14,共14页
基于观测和大数据机器学习的研究表明,中国陆架边缘海(渤海、黄海、东海和南海)的年均碳汇强度为(-10.2±4.4)Tg/a。黄海、东海和南海北部全年吸收大气CO2,而渤海、南海南部和长江口沿岸向大气释放CO2。东海碳汇最强,平均通量... 基于观测和大数据机器学习的研究表明,中国陆架边缘海(渤海、黄海、东海和南海)的年均碳汇强度为(-10.2±4.4)Tg/a。黄海、东海和南海北部全年吸收大气CO2,而渤海、南海南部和长江口沿岸向大气释放CO2。东海碳汇最强,平均通量为(-10.5±4.5)Tg/a,黄海碳汇较小,为(-2.1±0.9)Tg/a。面积最小的渤海碳源为(+0.3±0.1)Tg/a,而面积最大的南海其碳源强度为(+2.0±0.9)Tg/a。从季节上看,冬季我国边缘海碳汇强度最大,为(-45.7±19.7)Tg/a,春季较弱,为(-16.9±7.3)Tg/a。而夏季和秋季我国边缘海整体为碳源,平均分别为(+11.9±5.1)Tg/a和(+9.9±4.3)Tg/a。中国陆架边缘海碳源汇强度平均不确定度为±43.0%(±4.4 Tg/a),比以往用局部海域观测数据导致的平均90.5%的不确定度,基于观测数据机器学习构建格点数据的估算结果不确定度降低了47.5%。海-气界面CO2分压差的差异和由风速引起的CO2交换速率差异是导致我国边缘海海-气界面碳源汇时空变化的关键,究其根本是源于水文动力、陆源输入、浮游生物群落及大洋跨陆架输送等多种因素和过程对我国边缘海海-气碳交换的控制作用。 展开更多
关键词 碳源汇强度 海气界面二氧化碳通量 控制因素 中国陆架边缘海
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