长江口杭州湾海域冬半年海洋热动能对寒潮过程响应模拟研究

王坚红，周　雨，李洪利，苗春生，牛　丹（.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京200；2.海洋动力环境与卫星海洋学实验室，江苏南京200；3.江西省气象局江西南昌33006；.辽宁省气象信息中心，辽宁沈阳066）

长江口杭州湾海域冬半年海洋热动能对寒潮过程响应模拟研究

王坚红1，2，周雨1，3，李洪利1，2，苗春生1，牛丹4
（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京210044；2.海洋动力环境与卫星海洋学实验室，江苏南京210044；3.江西省气象局江西南昌330046；4.辽宁省气象信息中心，辽宁沈阳110166）

应用大气与海洋再分析资料和FVCOM-SWAVE区域海洋耦合模式，对2004—2009年长江口杭州湾冷季（11—3月）海洋热动能—主要为海流能和温差能进行特征分析，以及对北路及西路入海寒潮过程影响下的海洋热动能变化进行模拟研究。结果显示：该海域海流能主要受沿岸流和黑潮流系影响，此两流系强弱变化与南北季风的强弱变化，以及入海径流丰枯期的变化相关。2月海面温度SST低，且南北向水平温度梯度大，显示北方高纬冷海温的势力强盛。北路偏北寒潮大风在大陆近岸造成向南余流增强和余水位向岸增高。西路寒潮的偏西大风造成离岸向东的余流，在外海受地转力作用转为偏南流动，造成湾内负值余水位。海水表层温度的降低往往滞后于寒潮降温1—2 d。近海SST低于底层，其降温幅度大于底层，此种特征可持续3—5 d。外海站点寒潮影响造成的上下层海温迅速混合所需时间大约1—2 d，温度降幅小于近岸。增加波浪模式的耦合，增强了水位对寒潮的响应强度，显著改善模式产品质量。对3个SST海温槽脊系统的海流能与温差能比较显示，寒潮剧烈天气过程的影响，驱动自北向南的冷水团质量输送，造成海区热动能表现为短期迅速地显著增长。

长江口杭州湾；冬半年；海洋热动能；寒潮过程；FVCOM-SWAVE耦合模式

1　引言

对于黄东海海域的海洋能状况，多年来有各种调查与分析，主要集中在温差能与海流能方面。刘爱菊等［1］分析了1957—1975年的黄海温跃层上下的垂直温差状况，指出黄海的温差能季节性特征明显，可分成几个阶段：4—5月为生成期，6—7月为发展期，8—10月为强盛期，11月是消衰期，而12月—次年3月因冬季混合层深厚成为无能量期。关于温差能主要影响因素研究显示太阳辐射，海-气交换，水团混合，内波扰动、遥相关等不同时空尺度系统和机制均起着一定作用［2-3］。王传崑等［4］、薛桂芳等［5］指出海洋温差能是海洋各类能量中最稳定、密度较高的一种，在温差12—20℃时，可折合成有效水头为210—570 m，已具有相当水力能的强度。除了垂直方向的温差能，海面SST在水平方向上受环境条件影响也出现强温差，如东海的温度分布就与黑潮暖海流的流系活动有密切联系［6］。黑潮和台湾海峡急流在台湾北侧汇合、并在长江口东南侧形成显著的海温槽脊，形成明显的SST锋区［7］，温差可达十几度。但是在冬半年黄东海垂直温差能弱值期，寒潮经海面南下，其显著降温造成的海面SST锋区对该海域冬季温差能的贡献还需要进行具体研究。

海流能包括洋流和潮流［8］，潮流每天周期性地改变大小和方向，而洋流则比较稳定。根据动能定理海流能所蕴含的能量与流速的平方和流量成正比，常年存在的海流，其水量和流速变化较少，是一种较可靠的能源［9］。我国近海的定常海流中，黄渤海流系、东海流系占有重要地位［10-11］，同时黑潮终年维持偏北流向，但受偏北冬季风影响，冬季强度减弱。风是形成海流的主要动力，风向海洋输入能量的大小不仅与风速大小有关，还与风的旋转性有关，旋转性强的风场向海洋输送的能量更多［12］，风场异常导致重力位能异常，进一步出现环流异常，由此建立了小尺度的湍动能向大尺度环流能量转化的途径［13-14］。显然冬半年的海面寒潮大风也将造成黄东海域海流能的增强。

本文将重点分析在通常的海洋温差能和海流能较弱的冷季（当年11月—次年3月），典型寒潮过程的大风降温对黄东海，尤其是对长江口杭州湾海域温差能和海流能的促发影响，并通过数值模拟，具体研究海洋热动力能对海域寒潮过程的响应。

2　资料与方法

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资料，中央气象台MICAPS（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System）的每日6 h间隔高低空要素资料，进行诊断分析。

使用的FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）区域海洋模式（美国麻省理工陈长胜团队）为FVCOM-SWAVE波浪耦合版本，进行海洋热动力能对海域寒潮过程响应的研究。该模式采用有限体积方法，水平面上采用了无结构网格，对模式岸界拟和较好。此外，数值计算采用的半隐格式积分和良好的计算格式，用干湿判断法处理潮滩移动边界，确保了动量、能量和质量具有更好的守恒性［15-17］。分析研究区域主要为黄东海海域，重点为长江口杭州湾的29.5°—33°N，120°—124°E范围。

海流能和温差能计算［18-19］方程如下：

海流能流量Ec：

式中：m为海水质量，V为海水流速。

海流能功率Nc：

式中：ρ为海水密度；F为与海流垂直的迎流面积。

温差能储量Et：

温差能功率Nt：

式中：V=S·h为海水体积，单位m3，S为海水区域面积，单位m2，h为海水区域平均深度，单位m。Δt为海域表层与底层温差，海水比容C=4.2× 103J/（kg·°C），T为时间，单位h。

3　冷季长江口杭州湾海洋热动力能量特征

在黄东海海洋热动力能量较弱的11月—次年3月的冷季，2004—2009年的5 a中黄东海海域的海洋热动力要素的主要特征分析如下。

3.1冷季黄东海平均海流特征分布

我国东部海域主要有两支海流能功率源：沿岸流和黑潮。福建、台湾岛以东海面黑潮所在处的海流速度大，海流能功率密度大，最大为4.7×107kW［4］。根据美国NCEP的CFSR资料分析（见图1），这两支海流相当稳定。黑潮自台湾岛东北流向日本西南端的海域，形成稳定的、强盛的波状急流。而沿岸流则经由台湾海峡沿大陆东部海岸北上，经山东半岛南侧海域到达韩国朝鲜半岛西岸，随后折向南方，绕道朝鲜半岛南端，进入日本北部的日本海。由此形成了绕黄东海的环岸沿岸流，沿岸流和南面的黑潮海流构成了黄东海海域环流基本结构。图1给出了黄东海海域2004—2009年冷季中11月和2月的海流分布特征。

图1 2004—2009年冷季月平均黄东海次表层5 m处海流流向（流线）和流速（虚线）分布

图1显示黑潮的流动，由于沿途岛屿、岛链、以及海峡等地形的影响，在台湾岛的东北方形成气旋式弯曲，在进入日本南端的大隅海峡时形成反气旋式弯曲。在冷季，黄东海盛行偏北风，逆黑潮流向，影响黑潮流速，造成流速较弱，量值主要为0.3 m/s或0.2 m/s。但在冷季后半段，黑潮流速有所增强，在台湾岛东部可达0.4 m/s以上。对于沿岸流，冷季环流基本稳定，但径流河口附近，前半段流速较强，达到0.3 m/s，而后半段流速明显减弱，这与径流的丰枯水季节性变化有关。另外在台湾海峡，海峡的狭管效应造成海峡中部流速大可达0.3 m/s，而海峡入口和出口区流速明显减小，降低为0.1 m/s。

依据黄东海黑潮和沿岸流的强弱，以及海流能计算式中海流速度与能量成正比，因此冷季黄东海海域的海流能蕴含量与入海径流的强弱成正比，与近海面季风的关系为北风反相关，南风正相关。

3.2冷季黄东海平均SST特征分布

黄东海的SST分布特征，除太阳辐射和近海面气团热辐射性质的影响，还受到沿岸地形和海域中海流系统的影响。图2为2004—2009年冷季中11月和2月的平均黄东海SST的基本分布特征。黑潮的热力性质对黄东海SST分布的影响在图中表现相当清楚。在黑潮位置附近的等SST线的波动形态与黑潮流动的波动形态相近。冷季黄东海域的SST南北温差明显，11月（见图2a）的温差较小，为12℃，南部26℃，北部14℃；2月温差最大（见图2b），南北温差达到18℃。从长江口杭州湾以及江苏沿岸的SST分布，可以注意到，SST经向性分布为主，冷季前半季沿岸较海域中部梯度大，而冷季后半段则SST梯度分布在整个黄东海密集度增大，分布较均匀。但是在垂直方向，冬季表层冷水易造成垂直混合，因此冬季垂直方向的温差能较弱。

冷季从中国东部至朝鲜半岛西岸，沿岸均为密集的海温锋区，正对应黄东海的沿岸流（见图1a）。11月在杭州湾到韩国南部海岸，有海温温度脊，而2月黄海北部冷槽势力较强，由大陆东岸伸向黄东海中部，造成等温线波动的经向度较大，整体SST温度值低于11月。

3.3冷季长江口杭州湾海洋热动力能量特征

冷季长江口杭州湾海域的SST特征，如图3所示。冷季后半段平均较前半段SST降幅大约10℃。11月SST等值线分布经向度更大，沿岸梯度更强，显示海陆温差大。2月则SST等温线分布纬向成分增加。显示不仅西面大陆温度低，北方高纬冷海温的势力也很强盛。

对长江口杭州湾区域的冷季海流能和温差能（垂直）统计特征分析如表1所示。

图2　2004—2009年多年平均冷季代表月黄东海表层SST分布（单位：℃）

图3　2004—2009年秋冬季多年平均代表月长江口杭州湾表层SST分布（单位：℃）

表1显示在秋冬季长江口海流能较温差能更丰富。两类海洋能的量值差在秋季更大，可达冬季差异的3倍。海流能在秋季高于冬季大约1倍，这受到冬季长江、钱塘江枯水期和冬季黑潮强度减弱的直接影响。秋冬两季的海洋温差能则比较接近。冬半年频繁发生的寒潮冷空气南下入海，这种强天气过程造成的大风降温，将对黄东海海域的海流以及温差分布产生短时显著影响。这类影响的强度及效果将通过更深入的定性和定量分析确定。

表1　估算的长江口和杭州湾海流能和温差能的冷季11月和2月平均特征（单位：104kW）

4　冬半年影响长江口杭州湾典型寒潮过程

4.1影响长江口杭州湾寒潮统计特征

对入侵长江口和杭州湾地区的寒潮根据中央气象台标准［19］，并按路径和强度进行分类分级统计。结果显示，1991—2010年的20a中，达到寒潮标准的共有61次，平均每年3次，其中1997—1998年度冬季寒潮侵袭最为频繁。影响长江口杭州湾的寒潮主要发生在12月和1月，其次是2—3月份。随着年代演变，影响长江口杭州湾的寒潮有减少的趋势，这与姚永明等人的统计一致［20］。关于寒潮强度的统计显示，61次寒潮中达到强寒潮的有8次，中等强度寒潮21次，强度较弱寒潮34次。影响长江口杭州湾的寒潮主要为3种路径：北路、西北路和西路。其中北路入海的有11个，沿西北路途径杭州湾入海的有36个，沿西路入海的有15个。北路寒潮为强冷空气从极地取最短路径南下影响黄东海，因此强度大。西路寒潮冷空气源地的纬度虽然相对偏低，但东进途中有冷空气加入，因此到达华东仍具较强势力。选取北路和西路各一个个例进行典型寒潮影响分析，了解黄东海海域海洋要素对强寒潮影响的热动力响应。

4.2典型寒潮过程特征

北路寒潮:2005年冬末春初3月10日—12日，我国大部分地区爆发了一次罕见的寒潮过程，东部海区也出现了7—8级偏北大风，江浙地区甚至出现大到暴雪。西路寒潮:2008年12月21日，强冷空气南下，江浙地区出现了一次区域性寒潮，伴随大风降温和降水天气过程。表2为两次寒潮过程主要特征对比。

表2显示寒潮对海面的影响，包括动力的风应力和热力的气温热传导。在此过程中，海洋要素的潮汐、海流、海温既保持常规的固有运动，也表现出受强天气驱动的响应，因此综合过程较复杂，但寒潮过程总体效果是造成对海域要素气候平均，包括多年或月平均状态的显著偏离，由此对海域热动力能量产生明显影响。

5　长江口杭州湾海洋热动能对寒潮响应

5.1 FVCOM-SWAVE数值模拟试验及试验参数

模式计算区域包括长江口、杭州湾及邻近海域：29.4°—32.7°N，120.3°—123.6°E。其中要素验证站位置见图4。佘山、嵊泗、沈家门位置偏外海。验证要素包括潮位、潮流和海温。

图4　长江口杭州湾区域范围及要素验证站

表2　两次寒潮过程主要特征对比

模式垂直方向采用σ坐标共分为12层，水平方向采用UTM坐标。计算区域包括21 210个三角网格单元和11 231个三角网格节点，网格精度从外海至近岸增高，最高分辨率为1 km，这种近岸局部加密的网格分布，更好的拟合岸界线，大大提高了近岸表层风生流、表层海水温度的计算精度。模式水深数据来自海图资料。

模拟试验中，关于海流模式，陆边界取法向流量为零，开边界采用天文潮潮位设置，径流设置分别为：北路寒潮径流为2×104m3/s，西路寒潮径流为1.85×104m3/s（依据水文站观测数据）。关于波浪模式，对于长江口、杭州湾陆地边界不产生波浪，入射波能量被吸收；对于水域边界，取波浪可以自由离开计算区域。将两次典型寒潮过程的大气强迫场即风场和气温场由再分析资料采用Cressman插值方法插值到模式坐标网格，并给出每6 h的订正场输入。模式初始海流流速和水位由静止开始，但初始斜压温盐场由气候预测再分析（CFSR）资料插值得到，模式分别积分91 h，积分时步为20 s。前24 h作为模式调整稳定时间，辐射应力为开启。对输出的水位、流场、海水表层温度及热通量进行诊断分析，获取海洋要素对典型寒潮过程的热动力响应状态。模拟实验方案设计如表3所列。

采用2005年3月—4月长江口附近的一次大范围的水文调查数据作为水位、流速验证资料。对模式控制实验，积分36 d并取最后30 d进行要素时空验证。整理分析长江口和杭州湾等21个验潮站的数据，对比模拟值与观测值。在模式积分时间长达一个月的模拟中，模拟结果均较好地体现了潮位、潮流及SST的变化过程，模拟与实际符合较好（见图5）。

表3　实验设计及试验方案

5.2环流和水位对寒潮影响的响应

对北路和西路两组寒潮过程模拟试验，讨论寒潮大风作用下（试验1.2和2.2），环流与水位的响应。起初的48 h运行，为模式调试稳定期。对模式模拟的第3天海流矢量积分求和，再除以25，即去除潮流每日旋转成分，得到余流，其空间分布见图6。

图6中的表层余流流动方向和流速强度显示，北路寒潮（图6a）的偏北大风在近岸表层造成增强的向南余流，其右偏也较清晰，此次寒潮过程沿岸风生流流速最大值接近3 m/s。而西路寒潮的偏西大风则在近岸造成离岸向东的余流（图6b），并在外海转为向南的流动。在近岸的杭州湾北侧的芦潮港，向东南的流速达到1 m/s。因此，近岸海域的余流对寒潮大风有显著响应。流向与风向接近，流速相对于月平均流速的0.3 m/s显著增强超过1个量级。沿海水位演变对寒潮的响应见图7。

图7显示，在北路寒潮中，寒潮大风自北向南，造成其下方海洋形成向岸的Ekman漂流，Ekman漂流的质量输送在北半球向右，由于岸界阻挡，于是在近岸造成海水质量的堆积，长江口附近余水位等值线向岸增高，过程最高值达到2.2 m。在西路寒潮过程中，寒潮的偏西风造成其下方的Ekman质量输送向南，长江口杭州湾的余水位等值线由内向外及向南增高。因此长江口杭州湾内余水位显著降低，出现负余水位1.8 m。而在杭州湾外，在漂流的质量输送方向即南面群岛海域，过程增水达到了2 m。

5.3表层海水温度SST对寒潮过程的响应

继续对北路和西路两组寒潮过程模拟试验寒潮降温的作用（试验1.3—1.4和2.3—2.4），对两次寒潮分别模拟7 d。将模拟的逐日长江口SST分布与卫星资料对比，整体分布非常接近，寒潮影响下，长江口杭州湾的SST降至7℃，而相应月此处月平均SST为9℃。同时段的海气资料对比显示海水表层温度的降低要滞后于寒潮气温降低1—2 d。

图5　验证结果举例

图6　寒潮大风作用下海域余流分布（单位：m/s）

图7　寒潮大风作用下余水位分布（单位：m）

当仅考虑寒潮降温时，模拟区域表层海温与底层海温均有对过程降温的响应，但是表层降温大于底层降温幅度，底层海温值保持高于表层海温，上下层温差较大。北路与西路寒潮过程海温响应基本特征相近。而考虑寒潮大风降温的同时作用，海水动力混合特征更为显著，即上下层海温差明显减小，具体特征见图8。

图8显示，近岸地区连兴港、芦潮港因水深较浅，寒潮过程前，上下层海温温度接近，寒潮影响时，海温温度迅速响应，温度线随时间下降较陡。表层海温降低幅度大于底层海温，SST低于底层海温，此种海温垂直分布可持续3—5d。寒潮过程后期，通过动力热力扰动影响，上下层海温再次趋于近似。与近岸海域相比，外海站点嵊泗站和沈家门站寒潮影响前，均为底层暖，表层冷，寒潮影响时，外海上下层海温迅速混合为一致，所需时间大约1—2 d。并且温度降幅小于近岸。显然，对于寒潮大风降温的影响，近岸海域的响应较外海更为迅速、显著、持久。

5.4模式波浪耦合作用的影响

风浪由风力驱动，增加波浪模式的耦合，在寒潮大风及风浪的共同影响下，海域的水位和环流都呈现对寒潮更显著、更符合实际的响应。

（1）风浪对水位的影响

在寒潮影响过程中（表3中试验1.5和2.5），水位表现出明显的驱动响应，如图9显示，在北路寒潮过程中（见图9a），长江口连兴港有持续增强的北风（浅蓝色曲线）从积分时间25—79 h，驱动了耦合波浪模块的风浪作用。海面风浪的增强，浪高增大，造成风浪水位升高。进一步与海流潮汐模块水位叠加，则耦合模式水位（深蓝实线）的高度较无风浪耦合过程水位（虚线）增高。

在西路寒潮过程中（见图9b），长江口北侧连兴港风速的增长有明显峰值，在积分时间段25—81 h期间，风速不断增加，峰值大约在43 h，之后风速逐渐减弱。与该峰值对应，是低值负水位。尤其是耦合波浪模块的风浪作用，与风速峰值对应，出现明显的低值负水位，低于无风浪耦合模块的负水位。显示冷锋大风自西向东经长江口杭州湾，再东移入海，造成离岸向东向外海的波浪，近海则形成低的负水位，同时海流潮汐模块在偏西风驱动下，Ekman作用形成向南的水体质量输送，也导致近岸处负水位。两者耦合，相应于极值风速出现最低负水位，与无风浪耦合的结果（虚线）比较，显示风浪使水位对寒潮大风的动力作用有更显著的响应，这更符合实际，因为潮汐的驱动力主要是天体引潮力，区域水位变化应考虑风浪。

因此，风浪的作用是增强大气动量向海洋的快速传输，同时将水位变化趋势协调至与风速演变趋势一致。

（2）风浪对环流的影响

图8　寒潮大风降温共同作用下近岸和外海表层与底层海温分布

考虑波浪效果后的模拟结果显示（图略），对于北路寒潮，长江口的潮流流速有明显减弱，而方向无明显变化，这应与寒潮过程造成向南的表层余流的增强有关，向南增强的余流对原有的表层旋转潮流的流速有削减。对于西路寒潮，长江口的表层潮流流速随风速增强而增强，大约在1.2 m/s左右，原有的旋转流向被强迫为持续偏东的流动。因此，波浪对潮流的作用与对水位的作用相似，一方面增强海气动量的传输，一方面协调大气动力过程对海流的驱动。总体上在模拟中，风浪的耦合显著改善模式动力模拟表达，对模式产品质量的提高也做出了贡献。

6　寒潮过程中海洋热动力能量演变

6.1寒潮过程局域海区质量输送

根据CFSR再分析资料，考虑两典型寒潮过程中的海温分布，依据SST的空间分布讨论海温冷暖区的整层海洋热动力能量变化特征（见图10）。

图9　寒潮过程长江口连兴港风速与水位时间演变图

图10　北路寒潮与西路寒潮长江口杭州湾海面SST分布特征（单位：℃）

在图10的长江口杭州湾海域中相同位置各选3个区域，A区为外海暖温度脊区，B区在北路寒潮中为冷槽区，C区为杭州湾寒潮冷舌区，在西路寒潮中为在上海附近的相对海温暖脊区。对比两次过程，北路寒潮中，冷槽自北向南伸，在沿岸经向度大。西路寒潮则显示冷槽的纬向性更强，导致外海暖脊自东南向西北伸展。两次寒潮过程的区域海水质量输送特征如表4所示。

表4显示，两次寒潮前，A、B、C各区域海水质量输送均为向东北方向，寒潮后北路寒潮各区域质量输送转为向西南方向，西路寒潮各区域质量输送转为东南方向。寒潮过程对黄东海海域的影响为造成更多的海水质量向偏南方向输送，这与冬半年黄东海海域的海面高度低于夏半年海面高度相符合。其次质量输送的强度，对于北路寒潮，长江口B区质量输送量增加近1倍；其它两区减弱；对于西路寒潮，杭州湾C区质量输送量也增加近1倍。这两个区均为冷舌伸展区，因此寒潮造成的自北向南的冷水团质量输送起着主导作用。

6.2寒潮过程局域海区热动力能量演变

对两个典型寒潮过程的A、B、C 3个SST槽脊系统海区进行海流能和温差能计算，能量密度变化特征如表5和表6所示。在海流能方面，两寒潮过程均造成3个SST系统海区海流能的增加，北路寒潮海流能基础数据较高，其增量在7%—27%；西路寒潮海流能基础数据较低，增量幅度较大，为51%—57%。尽管冬半年黄东海海流能蕴含量较低，但寒潮剧烈天气过程的影响，造成海流能的短期迅速显著增长。

在温差能方面，冬季是海洋温差能弱季，因此寒潮到达前海区温差能基础数据很小，但寒潮过程通过海气间增强的感热传输，海面风力、风浪、海流等动力传输的增强，造成海区整层温差能迅速增长，强度可达到与海流能强度同量级，增幅在2—4倍。因此寒潮过程对海区热动能的影响与提升也相当显著。

表4　寒潮过程暖脊、冷槽区的质量输送（ρv）（单位：10-3m·kg/（s·m3））

表5　典型寒潮过程长江口、杭州湾海流能功率密度（单位：104kW）

表6　典型寒潮过程长江口、杭州湾温差能功率密度（单位：104kW）

7　小结与讨论

依据上述对长江口杭州湾海域冷季海流能和温差能的分析与数值模拟，尤其是寒潮过程海洋热动力能量对两类寒潮影响的响应，可归纳如下几点：

（1）冷季（11月—3月）我国黄东海海域主要受黑潮和沿岸流系影响，冷季海上温度整体偏低，并且水平温度梯度显著强。但是在垂直方向，冷季表层冷水易造成垂直混合，因此冷季垂直方向的温差能较弱。冷季长江口杭州湾海域，海流能在11月高于2月大约1倍，这受到长江、钱塘江的枯水期，以及冬季风下黑潮强度减弱的直接影响。冷季的海洋温差能比较弱。11月时海陆温差大，SST等值线水平分布经向度更大，沿岸梯度更强。2月则SST纬向成分增加，等温线密集度加大。结果表明不仅西面大陆温度低，北方高纬冷海温的势力也很强盛；

（2）寒潮冷锋过境对海洋热动力特征有显著影响。根据北路和西路两个典型寒潮过程的FVCOM-SWAVE耦合模式模拟，北路偏北寒潮大风在大陆近岸造成增强的向南余流，沿岸风生流流速最大值接近3 m/s，Ekman漂流和岸界作用造成长江口附近余水位向岸增高，过程最高值达到2.2 m。西路寒潮的偏西大风在近岸造成离岸向东的余流，在外海受地转力作用转为偏南流动，流速达到1 m/s。偏西风造成的Ekman质量输送向南，长江口杭州湾内余水位显著降低，负余水位达-1.8 m，而在杭州湾外南面群岛海域的增水达到了2 m；

（3）海水表层温度的降低往往滞后于寒潮气温降低1—2 d。响应寒潮降温，近海表层海温降低幅度大于底层海温，并且表层海温低于底层海温，此种海温垂直分布可持续3—5 d。与近岸海域相比，外海站点寒潮影响前，为底层暖，表层冷，寒潮影响时，外海上下层海温迅速混合为一致，所需时间大约1—2 d。并且温度降幅小于近岸。显然，对于寒潮大风降温的影响，近岸海域的响应较外海更为迅速、显著、持久；

（4）增加波浪模式的耦合，在寒潮大风及风浪的共同影响下，海域的水位和环流都呈现对寒潮更显著、更符合实际的响应。包括北路寒潮造成的近岸水位升高，西路寒潮造成的海湾内负水位，并且从水位变化和海流强度变化方面均形成与风速演变的良好时间对应。总体上波浪的耦合显著改善了模式产品质量；

（5）尽管冬半年长江口杭州湾海流能与温差能蕴含量较低，寒潮过程对海区热动能的影响相当显著。对3个SST海温槽脊系统的海流能与温差能比较显示，北路寒潮海流能增量在7%—27%，西路寒潮海流能增量幅度达到51%—57%。寒潮过程通过风浪流的感热传输和动力传输的增强，造成海温槽脊系统区温差能迅速增长，强度可达到与海流能强度同量级，增幅在2—4倍。寒潮剧烈天气过程的影响，驱动自北向南的冷水团质量输送起着主导作用，因此海区热动能表现为短期迅速地显著增长。

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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

国家自然科学基金面上项目（41276033）；国家科技支撑项目（2012BAH05B01）；气象公益性行业专项（201206068）；江苏科技支撑项目（BE2012774，BE2014729）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）。

王坚红（1956-），女，教授，从事海洋气象学研究。E-mail：1597706505@qq.com.