南海北部粤西、珠江口陆架区锋面的观测与模拟

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目前关于南海北部锋面的研究,主要关注南海东北部台湾海峡海域与闽浙沿岸水南下以及黑潮入侵有关的台湾海峡锋面以及珠江口海域夏季西南季风引起的上升流锋面,对粤西海域的锋面结构特征以及动力机制的研究及了解都相对不足。本文通过大量的观测数据、遥感数据以及数值模拟诊断对南海北部粤西陆架海域锋面结构的季节变化特征、年际变化特征及其影响机制进行详尽的分析研究。具体研究内容如下:  首先利用2006年~2007年夏季和冬季大面观测资料对南海北部陆架海区水文气象的季节变化特征进行了定量的分析,该海域中尺度海洋现象活跃,类型多且复杂,夏季调查海域冲淡水扩展、上升流、中尺度涡等现象在温度、盐度分布中都有很明显的表征,并对锋面结构和跃层分布有显著的影响;在冲淡水扩展的影响下,还形成了双跃层与障碍层现象;冬季海水混合剧烈,沿岸浅水区域跃层现象不明显,但存在显著的锋面特征,且粤西海域锋面较强。  然后结合多年的遥感海表面温度和数值模拟数据对南海北部陆架区锋面生消的季节变化特征及空间分布进行研究,冬季近岸锋面是一年四季中,在南海北部覆盖海区最广,海温梯度最强的锋面。珠江口外以西陆架海域的锋面在11月份开始出现,次年4月后消失,5~10月份此海域极少有锋面现象的存在。由于冬夏季风的风向差异,虽然夏季径流量大但冲淡水西向输运较少,夏季粤西海域锋面特征不显著,由此可见此海域的锋面分布和风场变化有直接的关系。选定区域气候态月平均锋面强度的大小和沿岸风的风速有非常显著的正相关关系,9月份之后的温度梯度变化相对沿岸风有一定的滞后,垂直陆坡的风的方向直接决定了和温度梯度的变化之间的关系,离岸风的大小和温度梯度大小呈正相关关系,而向岸风随着其风速的增大,温度梯度有减小趋势,存在一定的负相关关系。数值模拟结果准确生动再现了模拟海域锋面结构的季节变化和年循环特征。采用珠江口东西两侧模拟的垂向剖面数据,分析了垂向上珠江口两侧海域不同的锋面生消过程。  接着利用南海北部1996年~2015年南海北部常规实测断面资料、多年遥感数据和数值模拟对南海北部粤西沿岸海域冬季锋面的年际变化特征进行分析研究和数值模拟,并对其形成机制进行敏感性检验研究。研究发现南海北部粤西海域冬季锋面位置相对稳定,每年持续的时间和中心位置虽有所不同,但差异较小,温度锋面中心轴线的走向大致跟等深线平行,位置在30m~50m等深线附近摆动,每年持续的生命周期在100天左右。除个别年份受径流量的显著异常影响外,粤西海域L020实测断面每年的温度锋面强度和沿岸风的风速有非常显著的正相关关系,冬季离岸风由于风速相对沿岸风较小,其年际变化和锋面的年际变化关系不甚显著。利用ROMS模式对南海北部进行的2000年~2010年共11年的数值模拟结果,同卫星资料和现场调查资料的结果有很好的一致性。在验证模拟成功的基础上,通过考虑主要影响因子风的速度及方向的变化为其主要动力学成因,确认锋面生消机制受风场的控制机制。风场敏感性试验的结果表明在风向不变风应力增强的情况下南海北部珠江口西侧海域的陆坡温度锋面强度随着风应力的增大而增强,而风应力不变风向旋转的实验则证明向岸风对此海域锋面有减弱作用而离岸风则有强化作用。  最后通过对温度方程的诊断分析,揭示了粤西海域冬季热力锋面的形成机制。冬季风驱动的广东沿岸流能够将上游的冷水带到粤西沿岸,并且从西侧边界处向西南平流出暖水,从而形成影响整个粤西沿岸海区的冷平流,导致其温度的剧烈下降;与其外缘海域的暖平流增温形成剧烈反差,从而形成粤西近岸冷水,外缘暖水的温度分布格局,最终激发冬季热力锋面。2008年和2009年是近十年来该海域冬季锋面的极大年以及极小年,利用诊断分析的方法,发现局地风场的变化是导致这种变异的主要原因。2008年局地冬季季风诱发强烈的向岸Ekman输运从而激发出强的沿岸流,形成极大的冷平流效应;2009年的冬季季风不利于沿岸流的形成,并且诱发了粤西海域较为明显的跨陆架暖水输运,从而压缩了近岸冷水的范围及强度,极大的降低了冬季锋面的分布范围及强度。
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