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太平洋作为全球最大的大洋通过海洋环流将冷、暖水向赤道、极地输送以实现热能纬向的重新分配,并对区域海水温度分布产生重要影响,从而进一步影响沿岸地区的气候特征。因此位于太平洋西侧从低纬向高纬流动的西边界流(北太平洋的黑潮和南太平洋的东澳大利亚海流)的形成机制和变化规律对海上运输、海洋渔业、海洋资源开发、环境保护以及国防建设等都具有重要意义。随着卫星遥感观测技术的发展,利用遥感资料反演海流受到极大的关注。相对于传统的测量方法,卫星高度计测量具有全天候、全天时、大面积和同步观测的优点,获取的信息丰富,为计算得到高精度、长时序全球海面流场提供了数据支撑。
本文从卫星高度计计算地转流的方法入手,利用近20年多颗高度计卫星的绝对动力高度测量数据分别使用轨道交点法和网格插值法计算太平洋西边界流表层流场,通过与现场实测数据的比对,分析方法的适用性和优缺点。论文后半部分使用网格插值方法对南北半球太平洋西边界流系表层流场及典型断面进行系统的分析讨论。文章主要研究内容如下:
(1)研究了利用卫星高度计数据计算表层地转流的两种方法,包括轨道交点法和网格插值法。对轨道交点法进行了详细的误差分析,给出了其适用范围。结合同步现场实测数据,建立了适于太平洋西边界流反演的经验公式。
(2)利用长时序、大范围的验证数据,对比了目前高度计卫星配置状况下轨道交点法和网格插值法在反演海表地转流时的精度,并分析各自的优缺点。给出适合太平洋西边界流的计算方法。
(3)使用20年卫星高度计ADT数据计算得到的表层流场数据集对南北半球西边界流系及11条典型断面的季节变化、年际变化特征进行了分析研究,系统的揭示了整个太平洋西边界流的时空变化规律。研究结果表明:黑潮和东澳流流系均存在明显的季节变化特征;断面处流场的流速、流幅、幅宽以及15m水深流量受涡旋、地形影响严重,季节和年际变化存在差异;日本以南黑潮受到黑潮大弯曲影响显著;黑潮延续体与东澳流延续体以及塔斯曼锋面为涡旋多发区域,流场结构复杂;北半球的东海黑潮中段(PN断面附近)以及南半球的东澳流初始段是南北太平洋西边界流流系中最为稳定的区域。
(4)分别计算黑潮流系6条典型断面、东澳流流系5条典型断面月均流幅、平均流速以及15m水深流量等特征参量与月均最大流速的相关系数,除特殊断面外,在南北半球参量间表现出较好的相关性(黑潮>0.4;东澳流>0.6)。对于特殊断面,通过流场结构、地形、特殊事件分析以及p值检验,认为月均最大流速仍是具有代表性的参量。因此,确定断面表层流场的月均最大流速可以作为指示性参量,并用于表征南北半球西边界流的季节/年际变化特征。
(5)对南北半球流系中流场最为稳定的PN断面以及东澳流初始段断面的月均最大流速参量进行相关性处理,得到两者直接相关系数为-0.24;经1年周期的带通滤波处理后,相关系数为-0.83,负相关性较高;低通滤波处理2年及以上周期数据的相关系数为0.52,P值<0.01,正相关性较好;因此在复杂地形、季风及洋流的影响下,南北半球的西边界流流场之间仍然存在非常显著的相关性。