王堅(jiān)紅，周　雨，李洪利，苗春生，牛　丹（.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京200；2.海洋動(dòng)力環(huán)境與衛(wèi)星海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京200；3.江西省氣象局江西南昌33006；.遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽(yáng)066）

長(zhǎng)江口杭州灣海域冬半年海洋熱動(dòng)能對(duì)寒潮過(guò)程響應(yīng)模擬研究

王堅(jiān)紅1，2，周雨1，3，李洪利1，2，苗春生1，牛丹4
（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；2.海洋動(dòng)力環(huán)境與衛(wèi)星海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044；3.江西省氣象局江西南昌330046；4.遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽(yáng)110166）

應(yīng)用大氣與海洋再分析資料和FVCOM-SWAVE區(qū)域海洋耦合模式，對(duì)2004—2009年長(zhǎng)江口杭州灣冷季（11—3月）海洋熱動(dòng)能—主要為海流能和溫差能進(jìn)行特征分析，以及對(duì)北路及西路入海寒潮過(guò)程影響下的海洋熱動(dòng)能變化進(jìn)行模擬研究。結(jié)果顯示：該海域海流能主要受沿岸流和黑潮流系影響，此兩流系強(qiáng)弱變化與南北季風(fēng)的強(qiáng)弱變化，以及入海徑流豐枯期的變化相關(guān)。2月海面溫度SST低，且南北向水平溫度梯度大，顯示北方高緯冷海溫的勢(shì)力強(qiáng)盛。北路偏北寒潮大風(fēng)在大陸近岸造成向南余流增強(qiáng)和余水位向岸增高。西路寒潮的偏西大風(fēng)造成離岸向東的余流，在外海受地轉(zhuǎn)力作用轉(zhuǎn)為偏南流動(dòng)，造成灣內(nèi)負(fù)值余水位。海水表層溫度的降低往往滯后于寒潮降溫1—2 d。近海SST低于底層，其降溫幅度大于底層，此種特征可持續(xù)3—5 d。外海站點(diǎn)寒潮影響造成的上下層海溫迅速混合所需時(shí)間大約1—2 d，溫度降幅小于近岸。增加波浪模式的耦合，增強(qiáng)了水位對(duì)寒潮的響應(yīng)強(qiáng)度，顯著改善模式產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)3個(gè)SST海溫槽脊系統(tǒng)的海流能與溫差能比較顯示，寒潮劇烈天氣過(guò)程的影響，驅(qū)動(dòng)自北向南的冷水團(tuán)質(zhì)量輸送，造成海區(qū)熱動(dòng)能表現(xiàn)為短期迅速地顯著增長(zhǎng)。

長(zhǎng)江口杭州灣；冬半年；海洋熱動(dòng)能；寒潮過(guò)程；FVCOM-SWAVE耦合模式

1　引言

對(duì)于黃東海海域的海洋能狀況，多年來(lái)有各種調(diào)查與分析，主要集中在溫差能與海流能方面。劉愛(ài)菊等［1］分析了1957—1975年的黃海溫躍層上下的垂直溫差狀況，指出黃海的溫差能季節(jié)性特征明顯，可分成幾個(gè)階段：4—5月為生成期，6—7月為發(fā)展期，8—10月為強(qiáng)盛期，11月是消衰期，而12月—次年3月因冬季混合層深厚成為無(wú)能量期。關(guān)于溫差能主要影響因素研究顯示太陽(yáng)輻射，海-氣交換，水團(tuán)混合，內(nèi)波擾動(dòng)、遙相關(guān)等不同時(shí)空尺度系統(tǒng)和機(jī)制均起著一定作用［2-3］。王傳崑等［4］、薛桂芳等［5］指出海洋溫差能是海洋各類(lèi)能量中最穩(wěn)定、密度較高的一種，在溫差12—20℃時(shí)，可折合成有效水頭為210—570 m，已具有相當(dāng)水力能的強(qiáng)度。除了垂直方向的溫差能，海面SST在水平方向上受環(huán)境條件影響也出現(xiàn)強(qiáng)溫差，如東海的溫度分布就與黑潮暖海流的流系活動(dòng)有密切聯(lián)系［6］。黑潮和臺(tái)灣海峽急流在臺(tái)灣北側(cè)匯合、并在長(zhǎng)江口東南側(cè)形成顯著的海溫槽脊，形成明顯的SST鋒區(qū)［7］，溫差可達(dá)十幾度。但是在冬半年黃東海垂直溫差能弱值期，寒潮經(jīng)海面南下，其顯著降溫造成的海面SST鋒區(qū)對(duì)該海域冬季溫差能的貢獻(xiàn)還需要進(jìn)行具體研究。

海流能包括洋流和潮流［8］，潮流每天周期性地改變大小和方向，而洋流則比較穩(wěn)定。根據(jù)動(dòng)能定理海流能所蘊(yùn)含的能量與流速的平方和流量成正比，常年存在的海流，其水量和流速變化較少，是一種較可靠的能源［9］。我國(guó)近海的定常海流中，黃渤海流系、東海流系占有重要地位［10-11］，同時(shí)黑潮終年維持偏北流向，但受偏北冬季風(fēng)影響，冬季強(qiáng)度減弱。風(fēng)是形成海流的主要?jiǎng)恿?，風(fēng)向海洋輸入能量的大小不僅與風(fēng)速大小有關(guān)，還與風(fēng)的旋轉(zhuǎn)性有關(guān)，旋轉(zhuǎn)性強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)向海洋輸送的能量更多［12］，風(fēng)場(chǎng)異常導(dǎo)致重力位能異常，進(jìn)一步出現(xiàn)環(huán)流異常，由此建立了小尺度的湍動(dòng)能向大尺度環(huán)流能量轉(zhuǎn)化的途徑［13-14］。顯然冬半年的海面寒潮大風(fēng)也將造成黃東海域海流能的增強(qiáng)。

本文將重點(diǎn)分析在通常的海洋溫差能和海流能較弱的冷季（當(dāng)年11月—次年3月），典型寒潮過(guò)程的大風(fēng)降溫對(duì)黃東海，尤其是對(duì)長(zhǎng)江口杭州灣海域溫差能和海流能的促發(fā)影響，并通過(guò)數(shù)值模擬，具體研究海洋熱動(dòng)力能對(duì)海域寒潮過(guò)程的響應(yīng)。

2　資料與方法

采用NCEP（National Centers for Environment Prediction）的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）全球高分辨率（0.5°×0.5°）2004—2009年再分析月平均要素資料，中央氣象臺(tái)MICAPS（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System）的每日6 h間隔高低空要素資料，進(jìn)行診斷分析。

使用的FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）區(qū)域海洋模式（美國(guó)麻省理工陳長(zhǎng)勝團(tuán)隊(duì)）為FVCOM-SWAVE波浪耦合版本，進(jìn)行海洋熱動(dòng)力能對(duì)海域寒潮過(guò)程響應(yīng)的研究。該模式采用有限體積方法，水平面上采用了無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)模式岸界擬和較好。此外，數(shù)值計(jì)算采用的半隱格式積分和良好的計(jì)算格式，用干濕判斷法處理潮灘移動(dòng)邊界，確保了動(dòng)量、能量和質(zhì)量具有更好的守恒性［15-17］。分析研究區(qū)域主要為黃東海海域，重點(diǎn)為長(zhǎng)江口杭州灣的29.5°—33°N，120°—124°E范圍。

海流能和溫差能計(jì)算［18-19］方程如下：

海流能流量Ec：

式中：m為海水質(zhì)量，V為海水流速。

海流能功率Nc：

式中：ρ為海水密度；F為與海流垂直的迎流面積。

溫差能儲(chǔ)量Et：

溫差能功率Nt：

式中：V=S·h為海水體積，單位m3，S為海水區(qū)域面積，單位m2，h為海水區(qū)域平均深度，單位m。Δt為海域表層與底層溫差，海水比容C=4.2× 103J/（kg·°C），T為時(shí)間，單位h。

3　冷季長(zhǎng)江口杭州灣海洋熱動(dòng)力能量特征

在黃東海海洋熱動(dòng)力能量較弱的11月—次年3月的冷季，2004—2009年的5 a中黃東海海域的海洋熱動(dòng)力要素的主要特征分析如下。

3.1冷季黃東海平均海流特征分布

我國(guó)東部海域主要有兩支海流能功率源：沿岸流和黑潮。福建、臺(tái)灣島以東海面黑潮所在處的海流速度大，海流能功率密度大，最大為4.7×107kW［4］。根據(jù)美國(guó)NCEP的CFSR資料分析（見(jiàn)圖1），這兩支海流相當(dāng)穩(wěn)定。黑潮自臺(tái)灣島東北流向日本西南端的海域，形成穩(wěn)定的、強(qiáng)盛的波狀急流。而沿岸流則經(jīng)由臺(tái)灣海峽沿大陸東部海岸北上，經(jīng)山東半島南側(cè)海域到達(dá)韓國(guó)朝鮮半島西岸，隨后折向南方，繞道朝鮮半島南端，進(jìn)入日本北部的日本海。由此形成了繞黃東海的環(huán)岸沿岸流，沿岸流和南面的黑潮海流構(gòu)成了黃東海海域環(huán)流基本結(jié)構(gòu)。圖1給出了黃東海海域2004—2009年冷季中11月和2月的海流分布特征。

圖1 2004—2009年冷季月平均黃東海次表層5 m處海流流向（流線）和流速（虛線）分布

圖1顯示黑潮的流動(dòng)，由于沿途島嶼、島鏈、以及海峽等地形的影響，在臺(tái)灣島的東北方形成氣旋式彎曲，在進(jìn)入日本南端的大隅海峽時(shí)形成反氣旋式彎曲。在冷季，黃東海盛行偏北風(fēng)，逆黑潮流向，影響黑潮流速，造成流速較弱，量值主要為0.3 m/s或0.2 m/s。但在冷季后半段，黑潮流速有所增強(qiáng)，在臺(tái)灣島東部可達(dá)0.4 m/s以上。對(duì)于沿岸流，冷季環(huán)流基本穩(wěn)定，但徑流河口附近，前半段流速較強(qiáng)，達(dá)到0.3 m/s，而后半段流速明顯減弱，這與徑流的豐枯水季節(jié)性變化有關(guān)。另外在臺(tái)灣海峽，海峽的狹管效應(yīng)造成海峽中部流速大可達(dá)0.3 m/s，而海峽入口和出口區(qū)流速明顯減小，降低為0.1 m/s。

依據(jù)黃東海黑潮和沿岸流的強(qiáng)弱，以及海流能計(jì)算式中海流速度與能量成正比，因此冷季黃東海海域的海流能蘊(yùn)含量與入海徑流的強(qiáng)弱成正比，與近海面季風(fēng)的關(guān)系為北風(fēng)反相關(guān)，南風(fēng)正相關(guān)。

3.2冷季黃東海平均SST特征分布

黃東海的SST分布特征，除太陽(yáng)輻射和近海面氣團(tuán)熱輻射性質(zhì)的影響，還受到沿岸地形和海域中海流系統(tǒng)的影響。圖2為2004—2009年冷季中11月和2月的平均黃東海SST的基本分布特征。黑潮的熱力性質(zhì)對(duì)黃東海SST分布的影響在圖中表現(xiàn)相當(dāng)清楚。在黑潮位置附近的等SST線的波動(dòng)形態(tài)與黑潮流動(dòng)的波動(dòng)形態(tài)相近。冷季黃東海域的SST南北溫差明顯，11月（見(jiàn)圖2a）的溫差較小，為12℃，南部26℃，北部14℃；2月溫差最大（見(jiàn)圖2b），南北溫差達(dá)到18℃。從長(zhǎng)江口杭州灣以及江蘇沿岸的SST分布，可以注意到，SST經(jīng)向性分布為主，冷季前半季沿岸較海域中部梯度大，而冷季后半段則SST梯度分布在整個(gè)黃東海密集度增大，分布較均勻。但是在垂直方向，冬季表層冷水易造成垂直混合，因此冬季垂直方向的溫差能較弱。

冷季從中國(guó)東部至朝鮮半島西岸，沿岸均為密集的海溫鋒區(qū)，正對(duì)應(yīng)黃東海的沿岸流（見(jiàn)圖1a）。11月在杭州灣到韓國(guó)南部海岸，有海溫溫度脊，而2月黃海北部冷槽勢(shì)力較強(qiáng)，由大陸東岸伸向黃東海中部，造成等溫線波動(dòng)的經(jīng)向度較大，整體SST溫度值低于11月。

3.3冷季長(zhǎng)江口杭州灣海洋熱動(dòng)力能量特征

冷季長(zhǎng)江口杭州灣海域的SST特征，如圖3所示。冷季后半段平均較前半段SST降幅大約10℃。11月SST等值線分布經(jīng)向度更大，沿岸梯度更強(qiáng)，顯示海陸溫差大。2月則SST等溫線分布緯向成分增加。顯示不僅西面大陸溫度低，北方高緯冷海溫的勢(shì)力也很強(qiáng)盛。

對(duì)長(zhǎng)江口杭州灣區(qū)域的冷季海流能和溫差能（垂直）統(tǒng)計(jì)特征分析如表1所示。

圖2　2004—2009年多年平均冷季代表月黃東海表層SST分布（單位：℃）

圖3　2004—2009年秋冬季多年平均代表月長(zhǎng)江口杭州灣表層SST分布（單位：℃）

表1顯示在秋冬季長(zhǎng)江口海流能較溫差能更豐富。兩類(lèi)海洋能的量值差在秋季更大，可達(dá)冬季差異的3倍。海流能在秋季高于冬季大約1倍，這受到冬季長(zhǎng)江、錢(qián)塘江枯水期和冬季黑潮強(qiáng)度減弱的直接影響。秋冬兩季的海洋溫差能則比較接近。冬半年頻繁發(fā)生的寒潮冷空氣南下入海，這種強(qiáng)天氣過(guò)程造成的大風(fēng)降溫，將對(duì)黃東海海域的海流以及溫差分布產(chǎn)生短時(shí)顯著影響。這類(lèi)影響的強(qiáng)度及效果將通過(guò)更深入的定性和定量分析確定。

表1　估算的長(zhǎng)江口和杭州灣海流能和溫差能的冷季11月和2月平均特征（單位：104kW）

4　冬半年影響長(zhǎng)江口杭州灣典型寒潮過(guò)程

4.1影響長(zhǎng)江口杭州灣寒潮統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)入侵長(zhǎng)江口和杭州灣地區(qū)的寒潮根據(jù)中央氣象臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)［19］，并按路徑和強(qiáng)度進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，1991—2010年的20a中，達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)的共有61次，平均每年3次，其中1997—1998年度冬季寒潮侵襲最為頻繁。影響長(zhǎng)江口杭州灣的寒潮主要發(fā)生在12月和1月，其次是2—3月份。隨著年代演變，影響長(zhǎng)江口杭州灣的寒潮有減少的趨勢(shì)，這與姚永明等人的統(tǒng)計(jì)一致［20］。關(guān)于寒潮強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)顯示，61次寒潮中達(dá)到強(qiáng)寒潮的有8次，中等強(qiáng)度寒潮21次，強(qiáng)度較弱寒潮34次。影響長(zhǎng)江口杭州灣的寒潮主要為3種路徑：北路、西北路和西路。其中北路入海的有11個(gè)，沿西北路途徑杭州灣入海的有36個(gè)，沿西路入海的有15個(gè)。北路寒潮為強(qiáng)冷空氣從極地取最短路徑南下影響黃東海，因此強(qiáng)度大。西路寒潮冷空氣源地的緯度雖然相對(duì)偏低，但東進(jìn)途中有冷空氣加入，因此到達(dá)華東仍具較強(qiáng)勢(shì)力。選取北路和西路各一個(gè)個(gè)例進(jìn)行典型寒潮影響分析，了解黃東海海域海洋要素對(duì)強(qiáng)寒潮影響的熱動(dòng)力響應(yīng)。

4.2典型寒潮過(guò)程特征

北路寒潮:2005年冬末春初3月10日—12日，我國(guó)大部分地區(qū)爆發(fā)了一次罕見(jiàn)的寒潮過(guò)程，東部海區(qū)也出現(xiàn)了7—8級(jí)偏北大風(fēng)，江浙地區(qū)甚至出現(xiàn)大到暴雪。西路寒潮:2008年12月21日，強(qiáng)冷空氣南下，江浙地區(qū)出現(xiàn)了一次區(qū)域性寒潮，伴隨大風(fēng)降溫和降水天氣過(guò)程。表2為兩次寒潮過(guò)程主要特征對(duì)比。

表2顯示寒潮對(duì)海面的影響，包括動(dòng)力的風(fēng)應(yīng)力和熱力的氣溫?zé)醾鲗?dǎo)。在此過(guò)程中，海洋要素的潮汐、海流、海溫既保持常規(guī)的固有運(yùn)動(dòng)，也表現(xiàn)出受強(qiáng)天氣驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)，因此綜合過(guò)程較復(fù)雜，但寒潮過(guò)程總體效果是造成對(duì)海域要素氣候平均，包括多年或月平均狀態(tài)的顯著偏離，由此對(duì)海域熱動(dòng)力能量產(chǎn)生明顯影響。

5　長(zhǎng)江口杭州灣海洋熱動(dòng)能對(duì)寒潮響應(yīng)

5.1 FVCOM-SWAVE數(shù)值模擬試驗(yàn)及試驗(yàn)參數(shù)

模式計(jì)算區(qū)域包括長(zhǎng)江口、杭州灣及鄰近海域：29.4°—32.7°N，120.3°—123.6°E。其中要素驗(yàn)證站位置見(jiàn)圖4。佘山、嵊泗、沈家門(mén)位置偏外海。驗(yàn)證要素包括潮位、潮流和海溫。

圖4　長(zhǎng)江口杭州灣區(qū)域范圍及要素驗(yàn)證站

表2　兩次寒潮過(guò)程主要特征對(duì)比

模式垂直方向采用σ坐標(biāo)共分為12層，水平方向采用UTM坐標(biāo)。計(jì)算區(qū)域包括21 210個(gè)三角網(wǎng)格單元和11 231個(gè)三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格精度從外海至近岸增高，最高分辨率為1 km，這種近岸局部加密的網(wǎng)格分布，更好的擬合岸界線，大大提高了近岸表層風(fēng)生流、表層海水溫度的計(jì)算精度。模式水深數(shù)據(jù)來(lái)自海圖資料。

模擬試驗(yàn)中，關(guān)于海流模式，陸邊界取法向流量為零，開(kāi)邊界采用天文潮潮位設(shè)置，徑流設(shè)置分別為：北路寒潮徑流為2×104m3/s，西路寒潮徑流為1.85×104m3/s（依據(jù)水文站觀測(cè)數(shù)據(jù)）。關(guān)于波浪模式，對(duì)于長(zhǎng)江口、杭州灣陸地邊界不產(chǎn)生波浪，入射波能量被吸收；對(duì)于水域邊界，取波浪可以自由離開(kāi)計(jì)算區(qū)域。將兩次典型寒潮過(guò)程的大氣強(qiáng)迫場(chǎng)即風(fēng)場(chǎng)和氣溫場(chǎng)由再分析資料采用Cressman插值方法插值到模式坐標(biāo)網(wǎng)格，并給出每6 h的訂正場(chǎng)輸入。模式初始海流流速和水位由靜止開(kāi)始，但初始斜壓溫鹽場(chǎng)由氣候預(yù)測(cè)再分析（CFSR）資料插值得到，模式分別積分91 h，積分時(shí)步為20 s。前24 h作為模式調(diào)整穩(wěn)定時(shí)間，輻射應(yīng)力為開(kāi)啟。對(duì)輸出的水位、流場(chǎng)、海水表層溫度及熱通量進(jìn)行診斷分析，獲取海洋要素對(duì)典型寒潮過(guò)程的熱動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)。模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所列。

采用2005年3月—4月長(zhǎng)江口附近的一次大范圍的水文調(diào)查數(shù)據(jù)作為水位、流速驗(yàn)證資料。對(duì)模式控制實(shí)驗(yàn)，積分36 d并取最后30 d進(jìn)行要素時(shí)空驗(yàn)證。整理分析長(zhǎng)江口和杭州灣等21個(gè)驗(yàn)潮站的數(shù)據(jù)，對(duì)比模擬值與觀測(cè)值。在模式積分時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的模擬中，模擬結(jié)果均較好地體現(xiàn)了潮位、潮流及SST的變化過(guò)程，模擬與實(shí)際符合較好（見(jiàn)圖5）。

表3　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

5.2環(huán)流和水位對(duì)寒潮影響的響應(yīng)

對(duì)北路和西路兩組寒潮過(guò)程模擬試驗(yàn)，討論寒潮大風(fēng)作用下（試驗(yàn)1.2和2.2），環(huán)流與水位的響應(yīng)。起初的48 h運(yùn)行，為模式調(diào)試穩(wěn)定期。對(duì)模式模擬的第3天海流矢量積分求和，再除以25，即去除潮流每日旋轉(zhuǎn)成分，得到余流，其空間分布見(jiàn)圖6。

圖6中的表層余流流動(dòng)方向和流速?gòu)?qiáng)度顯示，北路寒潮（圖6a）的偏北大風(fēng)在近岸表層造成增強(qiáng)的向南余流，其右偏也較清晰，此次寒潮過(guò)程沿岸風(fēng)生流流速最大值接近3 m/s。而西路寒潮的偏西大風(fēng)則在近岸造成離岸向東的余流（圖6b），并在外海轉(zhuǎn)為向南的流動(dòng)。在近岸的杭州灣北側(cè)的蘆潮港，向東南的流速達(dá)到1 m/s。因此，近岸海域的余流對(duì)寒潮大風(fēng)有顯著響應(yīng)。流向與風(fēng)向接近，流速相對(duì)于月平均流速的0.3 m/s顯著增強(qiáng)超過(guò)1個(gè)量級(jí)。沿海水位演變對(duì)寒潮的響應(yīng)見(jiàn)圖7。

圖7顯示，在北路寒潮中，寒潮大風(fēng)自北向南，造成其下方海洋形成向岸的Ekman漂流，Ekman漂流的質(zhì)量輸送在北半球向右，由于岸界阻擋，于是在近岸造成海水質(zhì)量的堆積，長(zhǎng)江口附近余水位等值線向岸增高，過(guò)程最高值達(dá)到2.2 m。在西路寒潮過(guò)程中，寒潮的偏西風(fēng)造成其下方的Ekman質(zhì)量輸送向南，長(zhǎng)江口杭州灣的余水位等值線由內(nèi)向外及向南增高。因此長(zhǎng)江口杭州灣內(nèi)余水位顯著降低，出現(xiàn)負(fù)余水位1.8 m。而在杭州灣外，在漂流的質(zhì)量輸送方向即南面群島海域，過(guò)程增水達(dá)到了2 m。

5.3表層海水溫度SST對(duì)寒潮過(guò)程的響應(yīng)

繼續(xù)對(duì)北路和西路兩組寒潮過(guò)程模擬試驗(yàn)寒潮降溫的作用（試驗(yàn)1.3—1.4和2.3—2.4），對(duì)兩次寒潮分別模擬7 d。將模擬的逐日長(zhǎng)江口SST分布與衛(wèi)星資料對(duì)比，整體分布非常接近，寒潮影響下，長(zhǎng)江口杭州灣的SST降至7℃，而相應(yīng)月此處月平均SST為9℃。同時(shí)段的海氣資料對(duì)比顯示海水表層溫度的降低要滯后于寒潮氣溫降低1—2 d。

圖5　驗(yàn)證結(jié)果舉例

圖6　寒潮大風(fēng)作用下海域余流分布（單位：m/s）

圖7　寒潮大風(fēng)作用下余水位分布（單位：m）

當(dāng)僅考慮寒潮降溫時(shí)，模擬區(qū)域表層海溫與底層海溫均有對(duì)過(guò)程降溫的響應(yīng)，但是表層降溫大于底層降溫幅度，底層海溫值保持高于表層海溫，上下層溫差較大。北路與西路寒潮過(guò)程海溫響應(yīng)基本特征相近。而考慮寒潮大風(fēng)降溫的同時(shí)作用，海水動(dòng)力混合特征更為顯著，即上下層海溫差明顯減小，具體特征見(jiàn)圖8。

圖8顯示，近岸地區(qū)連興港、蘆潮港因水深較淺，寒潮過(guò)程前，上下層海溫溫度接近，寒潮影響時(shí)，海溫溫度迅速響應(yīng)，溫度線隨時(shí)間下降較陡。表層海溫降低幅度大于底層海溫，SST低于底層海溫，此種海溫垂直分布可持續(xù)3—5d。寒潮過(guò)程后期，通過(guò)動(dòng)力熱力擾動(dòng)影響，上下層海溫再次趨于近似。與近岸海域相比，外海站點(diǎn)嵊泗站和沈家門(mén)站寒潮影響前，均為底層暖，表層冷，寒潮影響時(shí)，外海上下層海溫迅速混合為一致，所需時(shí)間大約1—2 d。并且溫度降幅小于近岸。顯然，對(duì)于寒潮大風(fēng)降溫的影響，近岸海域的響應(yīng)較外海更為迅速、顯著、持久。

5.4模式波浪耦合作用的影響

風(fēng)浪由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，增加波浪模式的耦合，在寒潮大風(fēng)及風(fēng)浪的共同影響下，海域的水位和環(huán)流都呈現(xiàn)對(duì)寒潮更顯著、更符合實(shí)際的響應(yīng)。

（1）風(fēng)浪對(duì)水位的影響

在寒潮影響過(guò)程中（表3中試驗(yàn)1.5和2.5），水位表現(xiàn)出明顯的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)，如圖9顯示，在北路寒潮過(guò)程中（見(jiàn)圖9a），長(zhǎng)江口連興港有持續(xù)增強(qiáng)的北風(fēng)（淺藍(lán)色曲線）從積分時(shí)間25—79 h，驅(qū)動(dòng)了耦合波浪模塊的風(fēng)浪作用。海面風(fēng)浪的增強(qiáng)，浪高增大，造成風(fēng)浪水位升高。進(jìn)一步與海流潮汐模塊水位疊加，則耦合模式水位（深藍(lán)實(shí)線）的高度較無(wú)風(fēng)浪耦合過(guò)程水位（虛線）增高。

在西路寒潮過(guò)程中（見(jiàn)圖9b），長(zhǎng)江口北側(cè)連興港風(fēng)速的增長(zhǎng)有明顯峰值，在積分時(shí)間段25—81 h期間，風(fēng)速不斷增加，峰值大約在43 h，之后風(fēng)速逐漸減弱。與該峰值對(duì)應(yīng)，是低值負(fù)水位。尤其是耦合波浪模塊的風(fēng)浪作用，與風(fēng)速峰值對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)明顯的低值負(fù)水位，低于無(wú)風(fēng)浪耦合模塊的負(fù)水位。顯示冷鋒大風(fēng)自西向東經(jīng)長(zhǎng)江口杭州灣，再東移入海，造成離岸向東向外海的波浪，近海則形成低的負(fù)水位，同時(shí)海流潮汐模塊在偏西風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，Ekman作用形成向南的水體質(zhì)量輸送，也導(dǎo)致近岸處負(fù)水位。兩者耦合，相應(yīng)于極值風(fēng)速出現(xiàn)最低負(fù)水位，與無(wú)風(fēng)浪耦合的結(jié)果（虛線）比較，顯示風(fēng)浪使水位對(duì)寒潮大風(fēng)的動(dòng)力作用有更顯著的響應(yīng)，這更符合實(shí)際，因?yàn)槌毕尿?qū)動(dòng)力主要是天體引潮力，區(qū)域水位變化應(yīng)考慮風(fēng)浪。

因此，風(fēng)浪的作用是增強(qiáng)大氣動(dòng)量向海洋的快速傳輸，同時(shí)將水位變化趨勢(shì)協(xié)調(diào)至與風(fēng)速演變趨勢(shì)一致。

（2）風(fēng)浪對(duì)環(huán)流的影響

圖8　寒潮大風(fēng)降溫共同作用下近岸和外海表層與底層海溫分布

考慮波浪效果后的模擬結(jié)果顯示（圖略），對(duì)于北路寒潮，長(zhǎng)江口的潮流流速有明顯減弱，而方向無(wú)明顯變化，這應(yīng)與寒潮過(guò)程造成向南的表層余流的增強(qiáng)有關(guān)，向南增強(qiáng)的余流對(duì)原有的表層旋轉(zhuǎn)潮流的流速有削減。對(duì)于西路寒潮，長(zhǎng)江口的表層潮流流速隨風(fēng)速增強(qiáng)而增強(qiáng)，大約在1.2 m/s左右，原有的旋轉(zhuǎn)流向被強(qiáng)迫為持續(xù)偏東的流動(dòng)。因此，波浪對(duì)潮流的作用與對(duì)水位的作用相似，一方面增強(qiáng)海氣動(dòng)量的傳輸，一方面協(xié)調(diào)大氣動(dòng)力過(guò)程對(duì)海流的驅(qū)動(dòng)?？傮w上在模擬中，風(fēng)浪的耦合顯著改善模式動(dòng)力模擬表達(dá)，對(duì)模式產(chǎn)品質(zhì)量的提高也做出了貢獻(xiàn)。

6　寒潮過(guò)程中海洋熱動(dòng)力能量演變

6.1寒潮過(guò)程局域海區(qū)質(zhì)量輸送

根據(jù)CFSR再分析資料，考慮兩典型寒潮過(guò)程中的海溫分布，依據(jù)SST的空間分布討論海溫冷暖區(qū)的整層海洋熱動(dòng)力能量變化特征（見(jiàn)圖10）。

圖9　寒潮過(guò)程長(zhǎng)江口連興港風(fēng)速與水位時(shí)間演變圖

圖10　北路寒潮與西路寒潮長(zhǎng)江口杭州灣海面SST分布特征（單位：℃）

在圖10的長(zhǎng)江口杭州灣海域中相同位置各選3個(gè)區(qū)域，A區(qū)為外海暖溫度脊區(qū)，B區(qū)在北路寒潮中為冷槽區(qū)，C區(qū)為杭州灣寒潮冷舌區(qū)，在西路寒潮中為在上海附近的相對(duì)海溫暖脊區(qū)。對(duì)比兩次過(guò)程，北路寒潮中，冷槽自北向南伸，在沿岸經(jīng)向度大。西路寒潮則顯示冷槽的緯向性更強(qiáng)，導(dǎo)致外海暖脊自東南向西北伸展。兩次寒潮過(guò)程的區(qū)域海水質(zhì)量輸送特征如表4所示。

表4顯示，兩次寒潮前，A、B、C各區(qū)域海水質(zhì)量輸送均為向東北方向，寒潮后北路寒潮各區(qū)域質(zhì)量輸送轉(zhuǎn)為向西南方向，西路寒潮各區(qū)域質(zhì)量輸送轉(zhuǎn)為東南方向。寒潮過(guò)程對(duì)黃東海海域的影響為造成更多的海水質(zhì)量向偏南方向輸送，這與冬半年黃東海海域的海面高度低于夏半年海面高度相符合。其次質(zhì)量輸送的強(qiáng)度，對(duì)于北路寒潮，長(zhǎng)江口B區(qū)質(zhì)量輸送量增加近1倍；其它兩區(qū)減弱；對(duì)于西路寒潮，杭州灣C區(qū)質(zhì)量輸送量也增加近1倍。這兩個(gè)區(qū)均為冷舌伸展區(qū)，因此寒潮造成的自北向南的冷水團(tuán)質(zhì)量輸送起著主導(dǎo)作用。

6.2寒潮過(guò)程局域海區(qū)熱動(dòng)力能量演變

對(duì)兩個(gè)典型寒潮過(guò)程的A、B、C 3個(gè)SST槽脊系統(tǒng)海區(qū)進(jìn)行海流能和溫差能計(jì)算，能量密度變化特征如表5和表6所示。在海流能方面，兩寒潮過(guò)程均造成3個(gè)SST系統(tǒng)海區(qū)海流能的增加，北路寒潮海流能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較高，其增量在7%—27%；西路寒潮海流能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較低，增量幅度較大，為51%—57%。盡管冬半年黃東海海流能蘊(yùn)含量較低，但寒潮劇烈天氣過(guò)程的影響，造成海流能的短期迅速顯著增長(zhǎng)。

在溫差能方面，冬季是海洋溫差能弱季，因此寒潮到達(dá)前海區(qū)溫差能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)很小，但寒潮過(guò)程通過(guò)海氣間增強(qiáng)的感熱傳輸，海面風(fēng)力、風(fēng)浪、海流等動(dòng)力傳輸?shù)脑鰪?qiáng)，造成海區(qū)整層溫差能迅速增長(zhǎng)，強(qiáng)度可達(dá)到與海流能強(qiáng)度同量級(jí)，增幅在2—4倍。因此寒潮過(guò)程對(duì)海區(qū)熱動(dòng)能的影響與提升也相當(dāng)顯著。

表4　寒潮過(guò)程暖脊、冷槽區(qū)的質(zhì)量輸送（ρv）（單位：10-3m·kg/（s·m3））

表5　典型寒潮過(guò)程長(zhǎng)江口、杭州灣海流能功率密度（單位：104kW）

表6　典型寒潮過(guò)程長(zhǎng)江口、杭州灣溫差能功率密度（單位：104kW）

7　小結(jié)與討論

依據(jù)上述對(duì)長(zhǎng)江口杭州灣海域冷季海流能和溫差能的分析與數(shù)值模擬，尤其是寒潮過(guò)程海洋熱動(dòng)力能量對(duì)兩類(lèi)寒潮影響的響應(yīng)，可歸納如下幾點(diǎn)：

（1）冷季（11月—3月）我國(guó)黃東海海域主要受黑潮和沿岸流系影響，冷季海上溫度整體偏低，并且水平溫度梯度顯著強(qiáng)。但是在垂直方向，冷季表層冷水易造成垂直混合，因此冷季垂直方向的溫差能較弱。冷季長(zhǎng)江口杭州灣海域，海流能在11月高于2月大約1倍，這受到長(zhǎng)江、錢(qián)塘江的枯水期，以及冬季風(fēng)下黑潮強(qiáng)度減弱的直接影響。冷季的海洋溫差能比較弱。11月時(shí)海陸溫差大，SST等值線水平分布經(jīng)向度更大，沿岸梯度更強(qiáng)。2月則SST緯向成分增加，等溫線密集度加大。結(jié)果表明不僅西面大陸溫度低，北方高緯冷海溫的勢(shì)力也很強(qiáng)盛；

（2）寒潮冷鋒過(guò)境對(duì)海洋熱動(dòng)力特征有顯著影響。根據(jù)北路和西路兩個(gè)典型寒潮過(guò)程的FVCOM-SWAVE耦合模式模擬，北路偏北寒潮大風(fēng)在大陸近岸造成增強(qiáng)的向南余流，沿岸風(fēng)生流流速最大值接近3 m/s，Ekman漂流和岸界作用造成長(zhǎng)江口附近余水位向岸增高，過(guò)程最高值達(dá)到2.2 m。西路寒潮的偏西大風(fēng)在近岸造成離岸向東的余流，在外海受地轉(zhuǎn)力作用轉(zhuǎn)為偏南流動(dòng)，流速達(dá)到1 m/s。偏西風(fēng)造成的Ekman質(zhì)量輸送向南，長(zhǎng)江口杭州灣內(nèi)余水位顯著降低，負(fù)余水位達(dá)-1.8 m，而在杭州灣外南面群島海域的增水達(dá)到了2 m；

（3）海水表層溫度的降低往往滯后于寒潮氣溫降低1—2 d。響應(yīng)寒潮降溫，近海表層海溫降低幅度大于底層海溫，并且表層海溫低于底層海溫，此種海溫垂直分布可持續(xù)3—5 d。與近岸海域相比，外海站點(diǎn)寒潮影響前，為底層暖，表層冷，寒潮影響時(shí)，外海上下層海溫迅速混合為一致，所需時(shí)間大約1—2 d。并且溫度降幅小于近岸。顯然，對(duì)于寒潮大風(fēng)降溫的影響，近岸海域的響應(yīng)較外海更為迅速、顯著、持久；

（4）增加波浪模式的耦合，在寒潮大風(fēng)及風(fēng)浪的共同影響下，海域的水位和環(huán)流都呈現(xiàn)對(duì)寒潮更顯著、更符合實(shí)際的響應(yīng)。包括北路寒潮造成的近岸水位升高，西路寒潮造成的海灣內(nèi)負(fù)水位，并且從水位變化和海流強(qiáng)度變化方面均形成與風(fēng)速演變的良好時(shí)間對(duì)應(yīng)?？傮w上波浪的耦合顯著改善了模式產(chǎn)品質(zhì)量；

（5）盡管冬半年長(zhǎng)江口杭州灣海流能與溫差能蘊(yùn)含量較低，寒潮過(guò)程對(duì)海區(qū)熱動(dòng)能的影響相當(dāng)顯著。對(duì)3個(gè)SST海溫槽脊系統(tǒng)的海流能與溫差能比較顯示，北路寒潮海流能增量在7%—27%，西路寒潮海流能增量幅度達(dá)到51%—57%。寒潮過(guò)程通過(guò)風(fēng)浪流的感熱傳輸和動(dòng)力傳輸?shù)脑鰪?qiáng)，造成海溫槽脊系統(tǒng)區(qū)溫差能迅速增長(zhǎng)，強(qiáng)度可達(dá)到與海流能強(qiáng)度同量級(jí)，增幅在2—4倍。寒潮劇烈天氣過(guò)程的影響，驅(qū)動(dòng)自北向南的冷水團(tuán)質(zhì)量輸送起著主導(dǎo)作用，因此海區(qū)熱動(dòng)能表現(xiàn)為短期迅速地顯著增長(zhǎng)。

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Numerical study on the response of sea thermodynamic energy to the cold waves in the Yangtze estuary and Hangzhou bay during the cold season

WANG Jian-hong1，2，ZHOU Yu1，3，LI Hong-li1，2，MIAO Chun-sheng1，NIU Dan4
（1.Nanjing University of Information Science and Technology Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing 210044 China；2.Laboratory of Ocean Dynamic Environment and Satellite Oceanography，Nanjing 210044 China；3.Jiangxi Meteorological Administration，Nanchang 330046 China；4.Liaoning Meteorology information Center，Shenyang 110166 China）

Using air and sea reanalysis data and FVCOM-SWAVE coastal coupled model，during the cold season（Nov.—Mar.of 2004—2009），the characteristics of ocean thermodynamic energy and their response to the cold wave events from the north and the west paths invaded into the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay sea region are analyzed and simulated.The result shows that the current energy in the sea region are mainly influenced by both current systems of the Kuroshio current and the alongshore currents.The two current systems are impacted by the intensity of monsoon，the river runoff，especially its flooding and low-water periods.In Feb.the SST has a large temperature gradient in sea surface，which shows that the cold SST at northern Yellow sea is strong and powerful.The cold wave with the north path creates the sea residue current going to south and the water level increasing towards the coast.The cold wave with the west path creates the sea residue current going to the east and its Ekman mass transport towards the south.The type of cold wave results in the minus sea level in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay.The SST dropping down usually delays 1—2 d to cold wave invasion.The SST is lower than the sea temperature at bottom level，and the SST dropping extent is larger at near shore places than at off shore，such temperature vertical distribution can maintain 3—5 d.The sea temperature mixing of surface and bottom at offshore is quicker within 1—2 d after cold wave arriving，and the decreasing extent is larger at near-shore than at off shore.By coupling wave module，the response of water level to cold wave is stronger，and the quality of the modeling products is obviously improved.Furthermore the comparison is made for the sea current energy and sea temperature different energy among 3 systems of sea temperature trough and ridge，and the result shows that the strong cold wave process forces cold water mass from the north to the south and results in the sea thermodynamic energy increases rapidly，and the increasing amount is remarkable in the regional sea during cold season.

the Yangtze estuary and Hangzhou bay；cold season；sea thermodynamic energy；cold wave process；FVCOM-SWAVE coastal coupled model

P732.7

A

1003-0239（2016）04-0058-13

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.04.008

2015-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41276033）；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2012BAH05B01）；氣象公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)（201206068）；江蘇科技支撐項(xiàng)目（BE2012774，BE2014729）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）。

王堅(jiān)紅（1956-），女，教授，從事海洋氣象學(xué)研究。E-mail：1597706505@qq.com.