为了提升西北航道短期航运过程中海冰快速变化的预报精度与时效性,提出一种融合深度学习与数值模拟的海冰快速预报模型。该模型以FVCOM冰-海耦合数值模拟的冰厚为输入场,以CMS冰厚为训练数据,采用改进的卷积长短期记忆网络(convolutiona...为了提升西北航道短期航运过程中海冰快速变化的预报精度与时效性,提出一种融合深度学习与数值模拟的海冰快速预报模型。该模型以FVCOM冰-海耦合数值模拟的冰厚为输入场,以CMS冰厚为训练数据,采用改进的卷积长短期记忆网络(convolutional long short-term memory,ConvLSTM)。模型通过引入气温和风速替代传统的海表温盐输入,从而更精确地表征冰缘区复杂的热力与动力过程。结果显示,基于NCEP气象与CMS冰厚数据的改进多因子模型在5日短期预报中平均绝对误差降低18.78%~42.61%,验证了气象因子对短期预报的关键作用。与传统数值模型相比,融合模型显著提高了海冰预测精度,第5天Kappa系数从0.89提升至0.93,第10天和第15天冰厚的预报精度分别提升了53.75%与64.62%,计算效率提高约499倍,有效克服了深度学习数据不足和数值模拟误差积累的问题,为西北航道海冰短期高精度预报提供了高效、可靠的技术途径。展开更多
东卡罗琳海盆(East Caroline Basin,ECB)是太平洋经向翻转环流深层流上分支(upper deep branch of the Pacific Meridional Overturning Circulation,U-PMOC)进出西太平洋的关键通道,其深层环流特征与动力机制对理解太平洋深层环流结构...东卡罗琳海盆(East Caroline Basin,ECB)是太平洋经向翻转环流深层流上分支(upper deep branch of the Pacific Meridional Overturning Circulation,U-PMOC)进出西太平洋的关键通道,其深层环流特征与动力机制对理解太平洋深层环流结构、变化及气候效应具有重要意义。基于1993~2022年OFES高分辨率模式数据,分析了ECB深层环流(>2500 m)的气候态平均输运、空间结构及季节变化特征。研究发现,ECB深层水体主要经西南深水通道流入(年均流量2.12 Sv),沿海盆西侧北向输运形成深层西边界流,随后转向东流,最终由东北深水通道流出(年均流量-2.35 Sv,负值表示流出)。海盆内部净输运接近平衡(-0.10 Sv),整体呈现顺时针(反气旋式)环流结构。深层环流具有明显季节变化:北半球冬春季(12~6月)以输入为主,夏秋季(7~11月)以输出为主,且流出过程相对流入存在滞后,表明ECB在年周期中充当深层水团的临时储存区。从动力机制看,水体自西南向东北输运过程中,β效应使行星涡度增加,为维持位涡守恒,相对涡度相应减小,驱动形成顺时针环流;深层西边界流则通过侧向摩擦耗散负涡度异常,维持系统动力平衡。本研究系统揭示了ECB深层环流结构、季节变化与动力机制,深化了对西太平洋深层环流的认识,为全球经向翻转环流模拟与深海生物地球化学循环研究提供了科学依据。展开更多
孟加拉湾是全球中尺度涡旋频发的区域之一,显著影响着物质能量输运和水文动力、生物地球化学循环以及生物生态等一系列过程,但目前对该海域中部中尺度涡旋特别是冷、暖涡共同影响下次表层叶绿素a(chl a)最大值(subsurface chl a maximum...孟加拉湾是全球中尺度涡旋频发的区域之一,显著影响着物质能量输运和水文动力、生物地球化学循环以及生物生态等一系列过程,但目前对该海域中部中尺度涡旋特别是冷、暖涡共同影响下次表层叶绿素a(chl a)最大值(subsurface chl a maximum,SCM)空间变化的观测与研究尚十分有限。基于2014年春季在孟加拉湾中部海域的一次现场调查,并结合海表面高度异常和表层地转流场资料,刻画了该海域的中尺度涡现象,并深入探讨了冷、暖涡旋及其锋面对SCM空间变化的影响与调控机制。结果表明:调查期间孟加拉湾中部存在两个冷涡和一个暖涡,其中两个冷涡分别位于90°E、16°N附近和86°E、15°N处,而暖涡处于调查海域的北端;涡旋影响区的温跃层最浅处和最深处分别对应了冷涡与暖涡的中心区域。涡旋的发生对SCM的空间变化具有重要的调控作用,冷涡区SCM的深度变浅(位于涡内的跃层凸起处)、强度增大而厚度变薄,而暖涡区具有较大的SCM深度(位于涡内的跃层下凹处)、弱的SCM强度和薄的SCM厚度。涡旋边界锋面处的SCM强度中等,但SCM层厚度最大;涡旋锋面附近SCM厚度的峰值现象对此处由亚中尺度过程引起的垂向运动具有一定的指示意义,该过程通过增强物质输运和混合而导致SCM层垂向影响范围的增大,进而促进局地的初级生产。此研究从现场观测的角度刻画了孟加拉湾中部冷、暖涡及其锋面共同影响下SCM的空间响应,可为进一步深入认识该海域涡旋对初级生产过程的影响提供重要科学依据。展开更多
本文利用2015年3月—2021年5月热带印度洋观测网(tropical Indian Ocean observation net,TIOON)在赤道80°E、85°E和93°E布设的观测潜标所获取的环流时间序列,结合BRAN2020(Bluelink Re ANalysis)环流流速数据以及JRA-55...本文利用2015年3月—2021年5月热带印度洋观测网(tropical Indian Ocean observation net,TIOON)在赤道80°E、85°E和93°E布设的观测潜标所获取的环流时间序列,结合BRAN2020(Bluelink Re ANalysis)环流流速数据以及JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)气象数据,研究了印度洋赤道深层环流(1200m以下)的季节内变化特征及其驱动机制。观测结果显示,深层环流流速平均值接近0,纬向流速标准偏差范围为2.5~3.1cm·s^(-1),经向流速标准偏差范围为2.6~3.1cm·s^(-1)。纬向流和经向流的季节内周期信号强度分别占各自总流动强度的88%~91%和74%~84%,揭示了深层环流中的显著季节内周期变率特征。小波分析表明,深层纬向流季节内信号主要周期为10~100d,其中80°E处的周期较长(50~90d),而93°E处的主要为50d及更高频信号,表现为蓝移现象,即环流变化的主导频率随位置靠东而变高的现象。经向流季节内信号以60d周期最显著。赤道风应力异常是深层环流季节内变率的重要驱动因素。中海盆(80°E和85°E)深层环流季节内变率主要受纬向风应力异常驱动,通过反射波动过程调制;基于低阶斜压模态,能量通过Kelvin波在东边界反射后形成的Rossby波向深层传递。东海盆(93°E)深层环流季节内变率主要受纬向和经向风应力异常驱动,通过直接波动过程调制;基于多阶斜压模态,能量通过在环流西侧由风直接驱动产生的Yanai波向深层传递。根据线性波动理论,本研究刻画了上述赤道波的能量传播射线,结果显示地形对赤道波调制深海环流的动力过程有重要影响:中海盆的平坦地形有利于向下向西传播能量的反射波动过程,而90°E海脊可能会阻碍向下向东传播能量的直接波动过程。在平坦地形区域,正压不稳定过程在经向上无显著差异且强度弱,区域平均结果显示能量主要由平均流向环流季节内变率释放;90°E海脊附近,环流季节内变率与平均流之间存在更强的非线性动力作用,表现为环流季节内变率向平均流转移能量。本研究加深了对深层环流动力学的理解,为改进深海环流模拟提供了观测依据。展开更多
文摘为了提升西北航道短期航运过程中海冰快速变化的预报精度与时效性,提出一种融合深度学习与数值模拟的海冰快速预报模型。该模型以FVCOM冰-海耦合数值模拟的冰厚为输入场,以CMS冰厚为训练数据,采用改进的卷积长短期记忆网络(convolutional long short-term memory,ConvLSTM)。模型通过引入气温和风速替代传统的海表温盐输入,从而更精确地表征冰缘区复杂的热力与动力过程。结果显示,基于NCEP气象与CMS冰厚数据的改进多因子模型在5日短期预报中平均绝对误差降低18.78%~42.61%,验证了气象因子对短期预报的关键作用。与传统数值模型相比,融合模型显著提高了海冰预测精度,第5天Kappa系数从0.89提升至0.93,第10天和第15天冰厚的预报精度分别提升了53.75%与64.62%,计算效率提高约499倍,有效克服了深度学习数据不足和数值模拟误差积累的问题,为西北航道海冰短期高精度预报提供了高效、可靠的技术途径。
文摘东卡罗琳海盆(East Caroline Basin,ECB)是太平洋经向翻转环流深层流上分支(upper deep branch of the Pacific Meridional Overturning Circulation,U-PMOC)进出西太平洋的关键通道,其深层环流特征与动力机制对理解太平洋深层环流结构、变化及气候效应具有重要意义。基于1993~2022年OFES高分辨率模式数据,分析了ECB深层环流(>2500 m)的气候态平均输运、空间结构及季节变化特征。研究发现,ECB深层水体主要经西南深水通道流入(年均流量2.12 Sv),沿海盆西侧北向输运形成深层西边界流,随后转向东流,最终由东北深水通道流出(年均流量-2.35 Sv,负值表示流出)。海盆内部净输运接近平衡(-0.10 Sv),整体呈现顺时针(反气旋式)环流结构。深层环流具有明显季节变化:北半球冬春季(12~6月)以输入为主,夏秋季(7~11月)以输出为主,且流出过程相对流入存在滞后,表明ECB在年周期中充当深层水团的临时储存区。从动力机制看,水体自西南向东北输运过程中,β效应使行星涡度增加,为维持位涡守恒,相对涡度相应减小,驱动形成顺时针环流;深层西边界流则通过侧向摩擦耗散负涡度异常,维持系统动力平衡。本研究系统揭示了ECB深层环流结构、季节变化与动力机制,深化了对西太平洋深层环流的认识,为全球经向翻转环流模拟与深海生物地球化学循环研究提供了科学依据。
文摘孟加拉湾是全球中尺度涡旋频发的区域之一,显著影响着物质能量输运和水文动力、生物地球化学循环以及生物生态等一系列过程,但目前对该海域中部中尺度涡旋特别是冷、暖涡共同影响下次表层叶绿素a(chl a)最大值(subsurface chl a maximum,SCM)空间变化的观测与研究尚十分有限。基于2014年春季在孟加拉湾中部海域的一次现场调查,并结合海表面高度异常和表层地转流场资料,刻画了该海域的中尺度涡现象,并深入探讨了冷、暖涡旋及其锋面对SCM空间变化的影响与调控机制。结果表明:调查期间孟加拉湾中部存在两个冷涡和一个暖涡,其中两个冷涡分别位于90°E、16°N附近和86°E、15°N处,而暖涡处于调查海域的北端;涡旋影响区的温跃层最浅处和最深处分别对应了冷涡与暖涡的中心区域。涡旋的发生对SCM的空间变化具有重要的调控作用,冷涡区SCM的深度变浅(位于涡内的跃层凸起处)、强度增大而厚度变薄,而暖涡区具有较大的SCM深度(位于涡内的跃层下凹处)、弱的SCM强度和薄的SCM厚度。涡旋边界锋面处的SCM强度中等,但SCM层厚度最大;涡旋锋面附近SCM厚度的峰值现象对此处由亚中尺度过程引起的垂向运动具有一定的指示意义,该过程通过增强物质输运和混合而导致SCM层垂向影响范围的增大,进而促进局地的初级生产。此研究从现场观测的角度刻画了孟加拉湾中部冷、暖涡及其锋面共同影响下SCM的空间响应,可为进一步深入认识该海域涡旋对初级生产过程的影响提供重要科学依据。
文摘本文利用2015年3月—2021年5月热带印度洋观测网(tropical Indian Ocean observation net,TIOON)在赤道80°E、85°E和93°E布设的观测潜标所获取的环流时间序列,结合BRAN2020(Bluelink Re ANalysis)环流流速数据以及JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)气象数据,研究了印度洋赤道深层环流(1200m以下)的季节内变化特征及其驱动机制。观测结果显示,深层环流流速平均值接近0,纬向流速标准偏差范围为2.5~3.1cm·s^(-1),经向流速标准偏差范围为2.6~3.1cm·s^(-1)。纬向流和经向流的季节内周期信号强度分别占各自总流动强度的88%~91%和74%~84%,揭示了深层环流中的显著季节内周期变率特征。小波分析表明,深层纬向流季节内信号主要周期为10~100d,其中80°E处的周期较长(50~90d),而93°E处的主要为50d及更高频信号,表现为蓝移现象,即环流变化的主导频率随位置靠东而变高的现象。经向流季节内信号以60d周期最显著。赤道风应力异常是深层环流季节内变率的重要驱动因素。中海盆(80°E和85°E)深层环流季节内变率主要受纬向风应力异常驱动,通过反射波动过程调制;基于低阶斜压模态,能量通过Kelvin波在东边界反射后形成的Rossby波向深层传递。东海盆(93°E)深层环流季节内变率主要受纬向和经向风应力异常驱动,通过直接波动过程调制;基于多阶斜压模态,能量通过在环流西侧由风直接驱动产生的Yanai波向深层传递。根据线性波动理论,本研究刻画了上述赤道波的能量传播射线,结果显示地形对赤道波调制深海环流的动力过程有重要影响:中海盆的平坦地形有利于向下向西传播能量的反射波动过程,而90°E海脊可能会阻碍向下向东传播能量的直接波动过程。在平坦地形区域,正压不稳定过程在经向上无显著差异且强度弱,区域平均结果显示能量主要由平均流向环流季节内变率释放;90°E海脊附近,环流季节内变率与平均流之间存在更强的非线性动力作用,表现为环流季节内变率向平均流转移能量。本研究加深了对深层环流动力学的理解,为改进深海环流模拟提供了观测依据。
