【基金标书】2011CB403500-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 1.5 m/s 和 14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(Weather Research Forecast)和 ROMS（ Regional Ocean Modeling System）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 2004）和亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响 (2006-2010)，以及一系列与南海水文、气象有关的国家重点基金项目和中国科学院创新项目的立项和实施，在南海海洋与大气的动力、热力过程与海气相互作用等领域取得了新的成果，提出了新的理论，获得了南海环流、涡旋基本结构特征及其演变规律，揭示了海气相互作用影响我国短期气候预测的可能机制，为本项目的研究提供了知识积累，使得在研究南海上层海洋动力和热力影响下，天气尺度海气相互作用特征及其对我国气候影响方面取得突破成为可能。 (2) 自上世纪七十年代中期以来，在南海及其周边近邻海域实施的观测计划：“南海断面调查” （科技部基础性工作） 、 “南沙综合科学考察” （国家南沙专项） 、 “南海北部开放航次” （南海所开放航次计划）等连续观测计划，以及“南海季风试验” 、 “南海海洋环境补充调查及评价” 、 “我国近海海洋综合调查与评价” （908）和重大项目补充观测等，不仅为本项目积累了大气和海洋领域相互协作调查研究的经验，而且为优化本项目方案设计及组织实施打下了坚实的基础。大量的观测资料积累，使得本项目通过观测资料分析揭示南海上层海洋动力热力结构与南海海气相互作用的内在联系，及其对我国天气尺度气候变化的可能影响机制成为可能。(3) 本项目主要成员的研究领域涵盖了海洋水文和气象动力和热力过程、海气相互作用、区域和全球模式模拟和同化系统、海气耦合模式发展、海洋水文气象观测技术与研究等领域，使得我们综合使用观测分析、数值模拟和理论研究多种手段，开展南海海气相互作用及其影响等相关研究成为可能。 (4) 承担本项目补充观测任务的主要成员单位具有丰富的观测试验经验、齐全先进的海洋观测设备和科学考察船，他们都是前期 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和亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响补充观测任务的实施单位。项目依托单位中国科学院南海海洋研究所及各参加单位均拥有完整的常规再分析资料，拥有一批较大容量和运算速度较快的服务器和计算机群进行实验室资料分析和模拟研究。这些都为本项目的成功实施提供了有力的保障。 (5) 良好的国际合作基础。 项目主要成员大部分都有国外求学和访问经历，与国内外众多大学和研究机构建立了密切的交流合作渠道，通过双边学术交流与互访合作等国际交流形式，可以获得国外部分最新全球高分辨率的模式运行结果，有助于我们对国内外相关海气耦合系统进行比较评估，缩短与国际领先研究水平的差距。课题设置 各课题间相互关系 围绕拟提高我国海洋物理环境预报水平、增强我国海洋气象保障能力和培养一批海洋气象交叉的高科技人才等预期目标，强调南海海区的独特性，以南海海洋相互作用为研究核心。课题设臵总思路如下：在季风环境中，南海海洋既和大气相互作用（课题 1） ，又受到大气直接或间接的驱动（课题 2） ，通过课题 1-2 来深入了解南海大尺度海气交换和海峡交换的动力和热力过程。海洋大尺度过程又影响到中尺度涡（课题 3） ，其热力过程对包括台风在内的热带天气系统产生重要的影响（课题 4） 。在此基础上，拟建立一个合适的能模拟海洋物理环境和区域天气气候的高分辨率耦合模式（课题 5） ，并最终提高我国海洋物理环境预测以及增强我国防洪抗旱、防灾减灾的能力，为我国国家安全和社会可持续性发展服务。因此，本项目设 5 个课题，课题之间的关系如下图：课题 1 ： 南海海气相互作用的通量和界面过程 研究目标： 揭示南海海-气耦合特征机制，阐明海-气动量和能量交换规律，优化南海海-气边界层及海-气交换参数化方案。 研究内容： 1) 课题设置思路 南海海区海-气相互作用具有高风速、高蒸发、强对流及强降水等特点，目前对南海海区的海-气通量的估算仍存在系统性偏差。本课题拟通过岛基的海-气参数系统的全过程观测研究小尺度海-气相互作用机制及其升尺度效应 (upscaling)，揭示海 -气通量对大气边界层及海洋上层动力和热力过程的响应和影响，优化海-气边界层结构和通量参数化方案，为项目其它课题相关研究及海-气耦合模式发展提供支撑。 2）研究内容 南海海-气界面物理过程、边界层结构及其参数化 日变化和天气尺度的海洋调整过程 南海海面通量交换对海- 气相互作用的升尺度研究 南海海-气通量交换在季风变异下的长时间尺度调整 3) 与其它课题之间的关系 海-气（物质和能量）交换（本课题）直接影响着海洋的热、盐收支及热带天气系统的演变（课题 4） ，而海洋的热、盐收支及热带天气系统的演变对海盆尺度的环流（课题 2）及中尺度涡的演变（课题 3）有重要的调制作用；同时，该课题还为海洋数值模式的海气通量交换和参数化（课题 5）提供可靠的量化依据。 经费比例： 17.86% 承担单位： 中国科学院海洋研究所、中国科学院大气物理研究所、国家卫星海洋应用中心、中国科学院南海海洋研究所 课题负责人： 宋金宝 学术骨干： 孙群、高志球、宋清涛、林万涛、曾丽丽 课题 2 ： 南海环流和海峡水交换对海气相互作用的影响 研究目标： 深入认识南海多时空尺度环流的形成与结构，阐明南海海盆环流演变规律和季节特征，重点揭示南海西边界流的热、盐输运及其对南海海盆热力结构形成与分布的影响。阐明南海域际环流的季节和年际变化特征，深化对南海南部与印度尼西亚海的水体与热、盐交换的理解。 研究内容： 1) 课题设置思路 南海海盆尺度环流对南海内部的能量和物质输送起到关键的作用，同时直接影响到南海海-气交换，从而影响南海及邻近区域的气候。南海与外海之间的域际环流连接了西北太平洋等邻近海域。季风驱动的南海海盆内部环流和域际环流存在相互调制的关系。研究南海多时空尺度环流的形成、演变以及域际环流的季节和年际变化极为重要。 2) 研究内容 南海内部环流和域际环流的变异及其相互作用 南海西边界流的观测及形成与演变机制研究 南海南部海峡与印度尼西亚海的水交换及其影响 南海多时空尺度环流的数值研究 3) 与其它课题之间的关系 南海海盆尺度环流（本课题）影响着南海海洋的热、盐结构特征（课题 4）和中尺度涡的演变（课题 3） ，进而对海气相互作用（课题 1）和热带天气系统变化（课题 4）有着重要的作用。此外，该课题还为海洋模式的发展（课题 5）提供理论依据。 经费比例： 19.9% 承担单位： 国家海洋局第一海洋研究所、国家海洋局第三海洋研究所、中国海洋大学 课题负责人： 方国洪 学术骨干： 王刚、靖春生、邱 云、罗德海、兰健课题 3 ： 南海中尺度涡旋影响海气相互作用的机制 研究目标： 深入认识南海中尺度涡的时空分布及季风风应力场与中尺度涡生消过程的关系，揭示南海中尺度涡生成动力学的区域特征，阐明南海海域的涡旋-海盆尺度环流相互作用机理，从而认识南海环流季节转换、热带天气过程对涡旋演变的作用，为南海涡旋预报提供理论基础。研究内容： 1) 课题设置思路 南海环流与中尺度涡具有鲜明的季节模态和显著的季节转换特征。中尺度涡演变对环流过程起重要的调制作用，进而对南海热含量和大气边界层产生重要影响。因此研究中尺度涡旋与海盆尺度海洋动力过程的相互作用机制是本项目的核心研究内容之一。 2) 研究内容 南海中尺度涡旋的时空分布与演变 南海海盆尺度过程影响下的中尺度结构及其斜压调整 中尺度涡旋对南海西边界流的扰动 南海海洋混合与次涡旋过程（sub-mesoscale）对环流与涡旋的作用 3）与其它课题之间的关系 南海海洋中尺度涡的生消过程以海盆尺度环流为背景（课题 2） ，其时空演变及斜压调整受海气相互作用制约（课题 1） ，冷暖涡及其涡致输运过程对南海热含量又有重要影响，进而影响热带天气系统（课题 4） 。本课题的研究结果可以为模式的涡旋可预报性研究（课题5）提供理论基础。 经费比例： 17.86% 承担单位： 国家海洋局第二海洋研究所、国家海洋环境预报中心、中国科学院南海海洋研究所、中国科学院地质与地球物理研究所 课题负责人： 朱小华 学术骨干： 许东峰、廖光洪、刘钦政、谢 强、宋海斌 课题 4 ： 南海上层热力过程对热带天气系统的影响 研究目标： 通过对南海热力时空变化特征及其对南海热带天气系统演变的影响规律和机理的深入探讨，从海气相互作用的角度出发揭示南海地区与我国密切相关的天气系统的演变规律，为我国南方灾害性天气的预测提供依据。 研究内容： 1) 课题设置思路 南海热带天气系统十分活跃，南海高压、热带东风波、中层气旋、MCS、TC 等系统对我国南方天气有重要影响，这些天气系统在海洋上发生、发展及演变，必然和其下垫面的热力状况有关。已有的一些研究已经表明了南海夏季风活动、南海热带气旋等的演变和南海地区海气间的热力交换有关，但是，迄今为止对南海热力异常与南海地区天气系统的演变之间的联系规律及机理还缺乏系统和深入的探讨。南海地区洋物理环境区域特征鲜明：海洋环流及其热结构受季风活动影响，风生海洋中尺度涡频发，热力变化十分显著，因此研究南海热力过程对热带天气系统影响，是认识南海地区天气系统科学问题必不可少的环节，将有助于提高对南方灾害性天气过程形成机理的理解。 2）研究内容 南海上层热含量变化特征及其机制 南海海气反馈对 ISO（MJO）演变的调制 南海海气热交换与区域热带天气过程的演变规律 3）与其它课题之间的关系 本课题研究的是南海热力过程对热带天气系统的影响，它首先要在弄清南海海气相互作用的界面过程（课题 1） 、南海热力变化和南海海盆尺度环流（课题 2）的关系、南海中尺度涡旋活动特征（课题 3）等科学问题的前提下进行，还需要利用海气耦合模式进行数值模拟（课题 5） 。研究南海海气相互作用问题的主要目的之一是为我国南方的天气预报提供新的有用依据，是本项目申请的重要出口之一。 经费比例： 31.64% 承担单位： 中国科学院南海海洋研究所、国家海洋局第三海洋研究所、中山大学 课题负责人： 王东晓 学术骨干： 薛惠洁、严幼芳、潘爱军、俎婷婷、黎伟标 课题 5 ： 南海海气耦合模式 研究目标： 揭示南海中尺度涡与环流非线性作用的可预报性规律，建立南海区域海-气耦合模式及资料同化系统,提高我国对南海海洋环流、中尺度涡及热带天气过程的模拟和预报水平。 研究内容： 1) 课题设置思路 区域大气、海洋数值模式及其耦合系统是研究大气、海洋和海气相互作用重要的手段之一。目前南海区域天气、气候预报存在很大误差。因此迫切需要利用动力框架、参数化方案、同化技术方面的完善提高南海海域海洋状况及热带天气过程的预报能力，有效提高我国热带海洋气象学科的科研水平，是事关整个项目研究水平的关键。 2）研究内容 建立高分辨率、多重嵌套的区域海气耦合模式 验证区域海洋大气模式，基于区域耦合模式和条件非线性最优扰动理论 基于集合卡曼滤波等技术建立南海资料同化系统 优化模式中海气通量的参数化方案，提高模式性能 3）与其它课题之间的关系 本课题是连接其它课题的技术纽带（课题 1） ，把各课题整合成一个有机整体。 （课题 2）它既是其他课题成果转化成生产力的出口和目标， （课题 3）和（课题 4）反过来为其他课题提供必要的研究手段和验证工具。 经费比例： 12.74% 承担单位： 中国科学院大气物理研究所、中国科学院南海海洋研究所、国家海洋局第一海洋研究所、国家海洋环境预报中心、国家气候中心 课题负责人： 毛江玉 学术骨干： 彭世球、方越、卢著敏、肖贤俊、万莉颖四、年度计划年度 研究内容 预期目标第一年项目和课题启动，收集相关历史资料，进行质量控制。对南海海气边界层结构、海气通量及南海的快速调整过程的时空分布规律进行初步分析；研究南海西边界流的季节特征，分析南海上层海洋热力状况的季节、年际、年代际时空演变规律；揭示南海地区迅速发展和不发展扰动的时空分布规律。筹备海洋观测，购买设备仪器；并开展地震海洋观测预研究选择合适的区域海气耦合模式，并将之应用于南海区域，完成各分量模式的调试工作。建立理论分析、观测和数值模式模拟海气边界层和海气通量变化特征。细化并落实研究和现场观测方案。形成用于本课题研究的多源数据集。阐明南海西边界流各重要参数的季节演变特征和南海中尺度涡传播特性，预研地震海洋学在南海中尺度涡研究中的应用。揭示南海区域海洋涡旋及天气系统活动规律和海气界面能量交换的基本特征；研究南海上层海洋热力状况的季节、年际时空演变规律以及南海地区迅速发展和不发展扰动的时空分布规律。调试南海区域大气和海洋分量模式使其正常运行；在学术刊物上发表论文 511 篇，其中SCI(E)论文 5 篇。第二年设备购置及组装，开展海洋观测，初步得到中尺度涡的温、盐、流垂向结构及其动力学结构。初步揭示影响南海海气边界层和海气通量交换的主要动力和热力过程。发展新的湍流通量参数化方案，并用南海观测资料进行验证。初步开发基于南海历史温盐资料的 PIES传播时间反演海洋动力学参数的 GEM 模式。基于 WRF 和 ROMS 分量模式进行典型个例模拟试验，完善南海区域海模式的设置。对南海地区的日变化和天气尺度的调整过程的时空分布规律进行初步探讨，并揭示南海内部环流和域际环流的基本特征。开展资料同化研究，进行后报试验。结合第一年度整理的多源资料，研究南海中尺度涡与环流的演变规律；黑潮入侵南海的具体途径及季节变化特点；定性分析西边界海域涡旋的季节特征，并通过一些典型个例探讨不同季节涡旋的生消机制。完成设备购置及组装，开展海洋观测；初步构建南海环流数值模式；初步完成南海GEM 模式。初步提高分量模式性能和改进资料同化方法。初步揭示影响南海海气边界层结构和海气通量交换的主要动力和热力过程及其参数化方案，提出南海地区日变化和天气尺度的调整过程的主要机制。对南海上层海洋热力状况及南海迅速发展和不发展热带扰动的时空演变特征和规律有一个较为清晰的认识；初步揭示中尺度涡存在海域、强度、空间尺度、持续时间等特征；重点阐明南海西边界海域中尺度涡生消和运动的季节特征，及其对西边界流的影响。在学术刊物上发表论文 1319 篇，其中SCI(E)论文 7 12 篇，培养研究生 3-4 名。年度 研究内容 预期目标第三年继续组织实施海洋观测航次。开展CTD/LADCP 和走航大面观测，布放定点海流观测锚系/海床基；在南海海洋锋面区域进行 1-2 次现场观测。对所得观测资料进行整编和分析；阐明南海日变化规律与机理。结合地震数据与 CTD 观测数据，反演中尺度涡的温、盐结构剖面，进一步得到南海环流和中尺度涡的热、动力学结构。实现海洋大气模式耦合；针对南海区域海气相互作用的关键物理过程进行敏感性试验；将各种观测资料同化进模式中，确定集合尺度并与集合预报相结合。进行南海环流和中尺度涡同化模式研究，继续完善 GEM 模式。进一步研究影响南海海气边界层和海气通量交换的动力和行热力过程及其参数化方案，并用南海观测资料进验证。通过数值模式研究南海与外海的水交换过程。对动量方程、涡度方程、涡动能量收支方程进行量纲分析，确定在不同季节主要流系的影响因子，重点分析涡旋在西边界流季节转换中的作用，分析中尺度涡年际变化特征；分析地形，风场等对于黑潮入侵南海的影响。在全球变暖背景下，南海热带天气系统及南海夏季风爆发时间、强度及其演变规律，特别是近 20 年来南海热带天气系统，南海夏季风的爆发与南海上层海洋热力结构变异之间的联系；揭示南海地区发展迅速的热带扰动所对应的海洋、大气以及海气相互作用背景条件。继续实施海洋观测；深化中尺度涡的垂向结构及其边界混合过程的认识；用地震海洋学手段揭示南海中尺度涡垂向结构与分布特征。通过大面观测资料，阐明观测期间南海环流和中尺度涡的时空特征；了解南海环流和中尺度涡相互作用的动力学特征。阐明中尺度涡年际变化特征,定性揭示中尺度涡在西边界流季节转换中的作用。建立南海区域海气耦合模式。初步建立适用于南海的海洋大气边界层和海气通量参数化方案。初步阐明南海小尺度海气耦合的动力机制。分析总结南海日变化过程的特征与机理。揭示南海海峡水交换与南海西边界流之间的相互作用关系；通过数值模式研究南海与外海的水交换过程。分析南海热带天气系统及南海夏季风爆发时间、强度及其演变规律，阐明南海热力结构对南海热带天气系统及南海夏季风爆发的反馈特征与机理，同时揭示南海地区热带扰动得以迅速发展的所对应的海洋、大气以及海气相互作用背景条件。在学术刊物上发表论文 1220 篇，其中SCI（包括 SCIE）论文 613 篇，培养博士生 12 名、硕士生 1 名。第四年持续海洋与岛屿观测资料分析，优化海气边界层结构和海气通量参数化方案；继续进行西边界流和南部海峡观测；回收 PIES 定点锚系，继续开展 CTD/LADCP和走行观测。进行 PIES 资料处理，反演温度、比容密度、动力高度及地转流等剖面的连续资料，反演观测区域温跃层深度和上层海洋热含量的连续资料，分析南海中尺度涡/边界流的高分辨率温盐细结构特征，探讨中尺度涡与南海环流取得海流长期连续观测资料；通过 PIES定点连续观测资料阐明中尺度涡的温、盐、流垂向微细结构、及其正压和斜压等动力学特性；阐明观测区域上层海洋热含量的变化特性及其与南海环流、中尺度涡和海气相互作用的关联。了解中尺度涡生成、演变与消亡过程和机制，阐明西边界海域季节平均流与涡旋之间的动量、涡度和能量交换机制。揭示南海典型垂直层结的形成及其维持的机理，阐明南海独特的季节年度 研究内容 预期目标的相互作用。利用多重嵌套技术提高模式分辨率，针对研究问题进行敏感性试验；通过动力诊断和敏感性实验，进一步分析西边界流季节演变和中尺度涡活动的关系。使用模式输出结果，分析海气通量，探讨季风变异情况下南海区域的海气通量的长期变化。利用变分和集合卡曼滤波技术，建立与模式相适应的资料同化系统；进一步研究南海日变化和天气尺度的调整过程的相关机制及南海海-气通量交换在季风变异下的长时间尺度调整过程。分析研究南海内部与域际环流的相互作用。基于多源数据研究南海的中尺度涡生成、演变与消亡，南海的季风特征及其转换规律。探讨海洋、大气以及海气相互作用与南海地区获得迅速发展的热带扰动相关联的机理；揭示南海独特的季节性层结现象（过程）在海洋上层热量重新分配中的作用；阐明南海海气反馈对 ISO（MJO ）演变的调制作用。性层结在海洋上层热量分配及南海季风的季节内振荡（ISO、MJO）的调制作用。提出内部及域际环流及变异机制的新观点。对海气边界层结构、南海日变化和天气尺度的调整过程及南海海-气通量交换在季风变异下的长时间尺度调整过程有一个较为清晰的认识。进一步提高模式性能；建立资料同化系统。在学术刊物上发表论文 2333 篇，其中SCI(E)论文 1321 篇，培养博士生约 2-3名、硕士生约 3 名。第五年继续参加项目补充观测航次，回收观测设备，整理观测资料；综合观测数据和模式结果，研究南海西边界流涡旋相互作用的年际特征及其影响因素，进一步探讨南海中尺度涡的频发机制，充分认识南海环流和涡旋在南海环流季节转换过程中的作用及其对热带天气过程的作用。测试新研发的参数化模块对模式改进效果，对中小尺度海气耦合机制进行分析，确定其对天气和气候的影响。优化海气耦合模式及其同化系统，完成所有数值模拟试验的结果分析；完善基于高分辨模式及同化系统输出的南海海洋再分析数据；对前期工作进行总结，提出南海日变化和天气尺度的调整过程的物理机制。提出南海上层海洋热力结构对南海局域热带天气系统尤其是对迅速发展的热带扰动相关联的机理及海洋-大气反馈的物理完成观测资料分析；总结给出海气通量交换机制及对海洋与大气的影响机理。一定程度上揭示南海海气相互作用背景下，南海热力状况对热带天气系统，尤其对该海域获得迅速发展的热带扰动相关联的规律和机理为预报我国南方灾害性天气提供理论依据。揭示南海中尺度涡生成动力学的区域特征，阐明南海海域的涡旋-海盆尺度环流相互作用机理，从而认识南海环流季节转换、热带天气过程对涡旋演变的作用，为南海涡旋预报提供理论基础。形成南海区域海洋环境与天气预报系统；形成高质量、高分辨率的南海海洋再分析资料集；完成课题总结报告和项目结题验收；在学术刊物上发表论文 2333 篇，其中SCI(E)论文 1120 篇，培养博士生 24名、硕士生约 4 名。年度 研究内容 预期目标框架，整合、归纳、升华整个课题的成果。完成课题总结验收的相关材料。一、研究内容拟解决的关键科学问题包括：南海是热带西北太平洋最大的半封闭、深海盆边缘海；通过关键通道南海又与邻近的太平洋、印度洋有着水交换；同时，南海的上层热含量通过海气相互作用又影响着热带天气系统发展和中期变化。在南海海洋领域的国家需求可以大致归纳为四个方面：与季风活动有关的涝预测，与热带天气系统的减灾防灾以及与工程应用水文气象有关的海上军事活动与油气资源开发的保障。为了满足前述国家需求，必须深入开展南海海洋学与海气相互作用的研究。通过调研分析，其关键之处在如何深入研究南海海气通量、大尺度环流与中尺度涡旋、上层热力过程等重要对象。通过深入系统研究，可以形成高精度的南海通量等产品，为军事活动和环境资源开发提供水文气象数据库；同时可以揭示季风和海峡水交换驱动下的南海动力热力过程，并阐明南海海洋在热带天气系统变化中所起的作用，从而为减灾防涝提供科学指导，为热带天气系统预测预报提供预测模型和理念。为此，为深入研究南海海气相互作用和环流涡旋演变规律，需要解决以下两个关键科学问题： 1. 南海海气相互作用的动力和热力过程及其对热带天气系统的影响； 南海海气相互作用涉及到天气尺度上热带气旋与海洋中尺度涡、季节尺度上季风与海洋、年际尺度上南海海气耦合等多尺度物理过程的相互影响、相互调制。这些动力和热力过程体现了上层海洋和大气边界层动力、热力和能量的交换。对其耦合演变机制的理解将决定如何以及能否在耦合模式中再现热带天气系统的发展和演变，是研究南海海气相互作用的基础科学问题。 2. 季风和邻近海洋强迫对南海海洋环流和中尺度涡的影响。 海洋环流特征影响南海上层海洋中热量和动量的重新分配，是南海海气相互作用的重要一环。南海是西北太平洋最大边缘海，季风盛行，台风活动多，南海又通过多个通道与周边海区发生水和热量交换。在大气环流和外海这两个主要外力驱动下，海盆尺度环流快速调整、中尺度涡频发等许多海洋现象极具区域特色。南海上层海洋热量变化很大程度受这些多尺度环流的影响，同时有影响天气气候的快速调整。主要研究内容包括：为实现对以上两个关键科学问题的研究，项目设臵了以下三个研究内容：1. 不同天气背景条件下南海海气相互作用过程研究大气环流通过海气边界层影响海洋环境的变化，反之亦然，需要研究的内容有：南海海气通量交换的时空变化特点和海气交换机制，特别是大风条件下的海气通量交换；南海的大气边界层特征分布及其演变规律，南海不同云系对海气耦合过程的影响和大气边界层结构；风浪对海气边界层的影响及参数化方案；台风对上层海洋的作用。2. 南海上层海洋环流和涡旋演变规律及其动力热力效应 大尺度环流、中尺度涡以及温跃层过程是南海上层海洋环境的重要组成部分，需要研究的内容有：在进一步认识冬季和夏季风盛行期间上层海洋的基本流型的基础上，研究上层海洋环流、上混合层、温跃层和中尺度涡在季风季节内变化，特别是季风转季期间的调整过程和响应特征；南海暖水季节变化形成机制；季节和年际尺度上季风变化对南海海洋环境变化的影响；南海温跃层过程的通风作用。除大气强迫外，南海上层海洋又深受与西太平洋水和热量交换的影响。需要研究的内容有：研究吕宋海峡及其附近海域环流以及水文特性的时空变异；揭示吕宋海峡流量和热量交换及其季节变化，并阐明其动力原因；阐明吕宋海峡两侧水和热量交换对南海海洋环流、水文特征及中尺度涡等变化的影响；探讨吕宋海峡海域两侧在上、中和深层水交换的差异、变化及其动力原因。3. 南海上层海洋热状况对热带天气系统的反馈南海上层海洋通过热力过程对大气环流产生影响,南海海洋对热带天气系统的影响是十分重要的。需要研究的内容有：南海对流活动形成和发展的规律及其在海气通量交换与大气加热中的作用；海气能量交换对季风变化和南海台风形成和发展的影响；热带天气系统形成和活动的规律及其与大气季节内变化之间的联系。