黄海冬季环流动力学研究及中国近海水色遥感大气校正改进
发布时间：2020-05-17 20:46
【摘要】：本文将为建立一个适用于中国渤、黄、东海区域模拟和预报的高分辨率动力-生态耦合模式做两方面工作:一是基于ROMS模型建立中国近海区域高分辨率动力模式,并将使用该模式对冬季黄海暖流的机制进行讨论;二是针对中国近海大气气溶胶成分特点对水色遥感大气校正算法进行改进,以为该模式提供更为准确的水色遥感数据作为同化数据。 首先以ROMS模型为基础,建立了一个高网格分辨率的三维斜压的中国近海区域海洋模型,模式范围包括整个渤、黄、东海以及西北太平洋部分区域。使用该模式对冬季气候态环流进行了模拟,模拟的流场、温盐场分布以及一些主要水道和断面的流量,都与历史观测数据和前人的模拟结果相吻合。 2003~2004年冬季的海面风场和热盐通量数据被用来研究冬季实际风场作用下的黄海暖流的机制。冬季平均流场显示黄海暖流是一支主要由压强梯度力控制,由正压梯度力和斜压梯度力共同驱动的西北向流动,风对流场起调节作用。暖流有两个流核,偏西侧位于水深变化最剧烈处的一支主要为斜压梯度力驱动,靠近海槽中心的一支主要由正压梯度力驱动。 平均流场只反映了黄海暖流的宏观状态,并不能反应其形成的机制。在研究平均流场的基础上,本文进一步研究了黄海暖流对于天气尺度变化的风场的响应。发现,黄海环流在强北风作用下和在无风状态下体现出两种不同的流态,对应的控制机制也不同,但黄海暖流始终都是由正压流和斜压流两部分组成。 强风作用下,正压流结构对风应力变化的响应非常显著。风应力开始作用时,在地转作用下水体沿风向右侧向西岸堆积,海面梯度驱动海水向南流动;随着风作用的持续产生了南高北低的海面梯度,使得在水深较小的区域仍是以西向流动为主,在水深较大的中区流动转为东向;这种输运使海面形成一个“脊-槽-脊-槽”系统,控制着南北向的环流结构。当风应力作用停止之后正压流场震荡调整,海面“脊-槽”系统仍然存在但强度已大大降低且发生西移。此时的正压流场,在海槽西侧是强度已大大减小的北向流,东侧流动转为向南。 斜压地转流的流场结构变化较小,表现为除海槽西侧中下层存在南向流外,在整个海区基本为北向流。流速方面,有风时正压流速远比斜压流速大;无风时两种流速大小接近。 黄海暖流由上述的正压流和斜压流共同组成。表现为:在强风状态下,以黄海海槽为中心存在着强逆风流;在无风状态下,在海槽最大深度以西存在着比较弱的北向流。在强北风和无风的交替作用下,其结构在两种形态之间变化。在海槽西侧始终存在一支北向的流动,其强度随风应力强度变化而变化,海槽东侧在强风作用下表现为北向逆流,在无风时表现为向南流动,体现了一种往复流的特征。 关于大气校正算法的改进,本文根据2003~2007年的地物光谱仪数据,计算了大气漫透射率、直接透射率和气溶胶的光学厚度,并据此计算了气溶胶埃斯特朗指数、浑浊度系数和多次前向散射系数,并对其之间的关系进行了统计分析,给出了一个经验关系式。基于此关系式,我们对MODIS大气校正算法中的大气漫透射率的计算进行了改进。 数据表明,MODIS标准算法对于气溶胶光学厚度比较大的时候的漫透射率的计算有明显的过高估计,与实测值的平均相对误差达到32%。新模式很好的修正了MODIS算法对漫透射率的计算。对两种算法的检验结果表明,新算法的计算值与实测值之间的相对误差和均方根误差分别是MODIS标准算法的约1/5和1/4。对大气校正的精度有很明显的改进。
【图文】：
3.1 ROMS 模式概述本文所采用的数值模式是区域海洋模拟系统 ROMS (Regional OcModeling System)。ROMS 模式是近年来新发展起来的一种自由海面、地形跟三维非线性的斜压原始方程模式，由 Rutgers University 与 UCLA（UniversityCalifornia，Los Angeles）两个单位共同研究开发完成。Ezer 等[151]比较了 PO与 ROMS 的不同算法在数值计算上的误差和模式计算的效率，发现 ROMS 所用的方法具有减少计算上的误差，并允许使用较大的积分积分步长以增加计算率的优点。ROMS 模式中使用新的高阶水平压力梯度算法[152]，与 POM 模式采用的水平压力梯度算法相比，也可以有效减少模式计算误差的累积。此ROMS 模式还融合了新的亚网格参数化方案、生物地球化学模块和数据同化块。图 3-1 显示了 ROMS 模式的组织结构。
3.2 模式配置3.2.1 模式的范围和网格模式的计算范围包括整个渤、黄、东海以及西北太平洋部分区域。经纬度范围为 116.5-135°E，23-41°N。图 3-2 显示了模式的网格范围。模式的总网格数为362×298，经线方向网格分辨率 5~6 公里，平均 5.6 公里；纬线方向网格分辨率5~6.5 公里，平均 5.8 公里。垂向分为 20 层，垂直方向的坐标拉伸参数sθ 和bθ 分别为 2 和 0.5。网格的西边界为封闭边界，其余三面为开放边界。图 3-3 为模式区域的地理环境，，图中 A 为台湾海峡，B 为台湾岛，C 为台湾以东水道，D 为吐噶剌海峡，E 为对马海峡。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P731.27
本文编号：2669158
【图文】：
3.1 ROMS 模式概述本文所采用的数值模式是区域海洋模拟系统 ROMS (Regional OcModeling System)。ROMS 模式是近年来新发展起来的一种自由海面、地形跟三维非线性的斜压原始方程模式，由 Rutgers University 与 UCLA（UniversityCalifornia，Los Angeles）两个单位共同研究开发完成。Ezer 等[151]比较了 PO与 ROMS 的不同算法在数值计算上的误差和模式计算的效率，发现 ROMS 所用的方法具有减少计算上的误差，并允许使用较大的积分积分步长以增加计算率的优点。ROMS 模式中使用新的高阶水平压力梯度算法[152]，与 POM 模式采用的水平压力梯度算法相比，也可以有效减少模式计算误差的累积。此ROMS 模式还融合了新的亚网格参数化方案、生物地球化学模块和数据同化块。图 3-1 显示了 ROMS 模式的组织结构。
3.2 模式配置3.2.1 模式的范围和网格模式的计算范围包括整个渤、黄、东海以及西北太平洋部分区域。经纬度范围为 116.5-135°E，23-41°N。图 3-2 显示了模式的网格范围。模式的总网格数为362×298，经线方向网格分辨率 5~6 公里，平均 5.6 公里；纬线方向网格分辨率5~6.5 公里，平均 5.8 公里。垂向分为 20 层，垂直方向的坐标拉伸参数sθ 和bθ 分别为 2 和 0.5。网格的西边界为封闭边界，其余三面为开放边界。图 3-3 为模式区域的地理环境，，图中 A 为台湾海峡，B 为台湾岛，C 为台湾以东水道，D 为吐噶剌海峡，E 为对马海峡。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P731.27
【引证文献】
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1 李健;南海北部台风风暴潮模拟研究与机理探索[D];中国科学院研究生院（海洋研究所）;2013年
本文编号：2669158
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