How Does the Antarctic Circumpolar Current Affect the Southern Ocean Meridional Overturning Circulation?
利用水文观测和卫星海面高度观测相结合的方法，研究了南大洋经向翻转环流（MOC）。使用Ferrari & Nikurashin（2010年）的理论，包括强时间平均流抑制扩散率的影响，获得了南大洋等密度涡扩散率的三维（空间和垂直）估计。结果表明，涡动扩散系数随深度增加而增强，在1000 m附近的“临界层”处达到最大值。扩散系数的估计与一个简单的扩散参数化，估计纬向涡量通量。涡动体积通量与时均纬向埃克曼输送和时均纬向地转输送一起被用来重建时均翻转环流。通过比较平均流抑制涡动扩散率和不抑制涡动扩散率的重建结果，说明了平均流抑制涡动扩散率对倾覆的影响。结果表明，涡扩散系数的抑制导致内部涡输运的大幅减少，以及更真实的涡诱导翻转环流。最后，一个简单的概念模型被用来表明，MOC的影响，不仅存在的增强扩散系数在深度，但也由细节的垂直结构的涡流扩散系数，如临界层的深度。
2016-12-04 physics.ao-ph
A sustained oscillation in a toy-model of the coupled atmosphere-ocean system
利用两个理想化的低阶谱模式，研究了中纬度大气环流与海洋风驱动环流的相互作用。正压Charney-DeVore三分量模式模拟了一个中纬度双模态大气环流，该环流在一个由地形诱导的具有两种稳定流型的通道中。风驱动的海洋双环流在一个正方形盆地（一半的通道长度）模拟的Veronis模型的21个组件，它捕获Rossby波动力学和非线性十年变化的等效正压配方。当耦合时，大气通过风应力强迫海洋，同时，海洋通过涡度源的热力强迫影响大气。耦合的大气-海洋模拟显示两个稳定的流动模式与地形诱导的大气双峰和持续的振荡，由于大气双峰和海洋Rossby动力学之间的相互作用。这种振荡具有年际到年代际的周期性，并发生在相当宽的参数范围内。
2011-06-09 physics.ao-ph
Acute sensitivity of global ocean circulation and heat content to eddy energy dissipation time-scale
全球海洋翻转环流对气候演变起着重要的调节作用，它与全球密度层结密切相关。虽然这是众所周知的，全球分层配置文件表现出强烈的依赖南大洋动力学，特别是风和浮力强迫，我们在这里证明，分层也是非常敏感的中尺度涡能量耗散的时间尺度。能量约束的中尺度涡参数化的全球海洋环流模型的背景下，它表明，适度的变化，涡能量耗散时间尺度导致显着变化的关键指标有关的海洋环流，即南极绕极流运输，大西洋经向翻转环流强度，和全球海洋热含量，在很长的时间尺度。结果强调，需要限制与涡能量耗散的气候模式预测百年时间尺度的不确定性，但也为古气候模拟千年的时间尺度。
2022-04-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Unravelling how winds and surface heat fluxes control the Atlantic Ocean's meridional heat transport
本研究利用海洋模拟，将大西洋环流和热输送分解为暖胞、冷胞和混合胞，揭示了风应力和表面热通量在短长期尺度上对经向热输送的差异化控制机制。
2025-06-01 physics.ao-ph
Manganese in the West Atlantic Ocean in context of the first global ocean circulation model of manganese
溶解态锰（Mn）是一种生物必需元素，其氧化形式与海水中微量元素的去除有关。最近，作为GEOTRACES方案的一部分，在大西洋、印度洋和北冰洋获得了大量高精度的锰测量数据。这项研究的目标是将这些新的观测结果与最先进的建模相结合，以提供对整个海洋中锰的主要来源和再分布的新见解。为此，我们使用全球尺度的循环模型模拟溶解锰的分布。这第一个模型包括简单的参数化帐户，现实的，锰在海洋中的来源，过程和汇。而氧化和（光）还原，以及聚集和沉降的参数化模型中，生物吸收尚未考虑到的模型。我们的模型精确地再现了观测结果，并提供了以下见解：-锰的高表面浓度是由光还原和上层海洋来源的组合引起的。最重要的来源是灰尘，然后是沉积物，以及更局部的河流。- 结果表明，大西洋表层Mn向下迁移进入北大西洋深层水，但由于Mn的迁移速率很大，Mn不会向南扩散。- 在大部分深海中，溶解锰的背景浓度大致均匀，约为0.10至0.15 nM。该模型再现了这一点，通过锰氧化物的阈值为25 pM，这表明在聚集和去除变得有效之前需要最低浓度的Mn。- 观察到的尖锐的热液信号是通过假设高来源和强烈的去除锰附近的热泉。
2017-02-11 physics.ao-ph
On the mechanism of decadal oscillations in a coarse resolution ocean model
本文研究了在混合边界条件强迫下，一个粗分辨率扇形海洋模式中年代际振荡的产生机制。振荡的特点是对流活动和空气/海洋热量交换在十年时间尺度上的大波动。当对流活动较大时，东南向地面气流的加强使更多的相对新鲜的水从盆地西北部平流进入对流区，从而减弱对流活动。同样，当对流活动较小时，相对新鲜的水的流动较弱，这使得对流区域扩大。这种振荡主要取决于海洋环流，特别是海面环流对异常对流活动的反应。水平边界在海洋环流的动力响应中起着重要的作用。用两个简单的（概念性的）模式和一些理想化的海洋实验证实了动力响应对振荡的重要性。
1996-10-30 physics.ao-ph
Extracting quasi-steady Lagrangian transport patterns from the ocean circulation: An application to the Gulf of Mexico
我们构建了一个气候学的拉格朗日相干结构（LCS），隐藏的骨架，形状运输，与一个为期12年的数据同化模拟的海面环流在墨西哥湾（GoM）。气候学LCSs（cLCS）以气候速度的时间平均柯西-格林应变张量线计算，揭示了周期性拉格朗日环流型。cLCS强烈约束的系综平均拉格朗日环流的瞬时模式速度，因此，我们表明，气候速度可能会保留有意义的传输信息。此外，我们报告的气候输送模式与GoM运动学和动力学一致，如以前的几个观测和数值研究所述。例如，cLCS确定了持续孤立的地区，并建议以前被确定为污染影响高风险的沿海地区是最具吸引力的地区。此外，我们展示的例子中，cLCS是非常相似的深水地平线和Ixtoc溢油，并在大拉格朗日部署（GLAD）实验期间观察到的运输模式。因此，它表明，cLCS是一种有效的方式来合成大量的拉格朗日信息。cLCS方法证实了以前的GoM研究，并通过揭示其中处理的动力学和运动学的持久性，有助于我们的理解。
2017-10-21 physics.ao-ph
Ocean-atmosphere interaction at the Gulf Stream sea surface temperature front: variability and impacts on midlatitude atmospheric circulation
PhD course in ”Science and Management of Climate Change”（气候变化的科学与管理博士课程）
本文通过ERA5再分析和观测海温强迫的大气模拟，研究墨西哥湾流海表温度锋面（GSF）的年际移动对大气环流的影响，发现响应强烈依赖于模式分辨率（需<50km），并揭示了北大西洋涛动（NAO）与GSF在年代际尺度上的非平稳耦合机制。
2026-06-29 physics.ao-ph
On the effects of circulation, sediment resuspension and biological incorporation by diatoms in an ocean model of aluminium
西大西洋中溶解态铝的分布与溶解态硅酸的分布呈镜像关系，暗示了Al和Si在海洋循环中的复杂相互作用。铝的海洋生物地球化学是令人感兴趣的，因为它对硅藻蛋白质矿化的潜在影响，因此硅的可用性。此外，在海洋表面的溶解铝浓度已被用作示踪剂的灰尘输入，灰尘是最重要的来源的生物必需的微量元素铁的海洋。以前，铝的溶解浓度模拟合理，只有一个粉尘源，并通过吸附清除沉降生物碎屑作为唯一的去除过程。在这里，我们探讨的影响（i）在北半球（特别是40°N以北）的沉积物来源的铝，（ii）强加的速度场，（iii）生物掺入铝模拟铝在海洋中的分布。沉积物源明显改善了模型的结果，并使用不同的速度场显示平流模拟铝分布的重要性。生物掺入似乎是一个潜在的重要去除过程。然而，决定性的独立数据，以限制铝：硅掺入比生长硅藻失踪。因此，这项研究并没有提供一个明确的答案的问题的相对重要性，铝去除结合相比，去除吸附清除。
2014-05-22 physics.ao-ph
Density and sea level changes weaken the Atlantic Meridional Overturning Circulation through ocean bottom pressure
Rosenstiel School of Marine, Atmospheric, and Earth Science, University of Miami（迈阿密大学罗斯恩施泰尔海洋、大气和地球科学学院）；National Oceanography Centre, Southampton（南安普敦国家海洋中心）
通过分析海底压力梯度，发现沿海海平面上升和海洋内部密度下降两个竞争驱动因素导致西边界和东边界翻转输送的部分补偿，从而削弱大西洋经向翻转环流。
2026-07-02 physics.ao-ph
Approximate deconvolution large eddy simulation of a barotropic ocean circulation model
本文提出了一种新的二维湍流地球物理流动大涡模拟闭合模式。这种闭合建模方法利用近似解卷积，其仅基于数学近似，并且不对模型采用额外的现象学参数。新的近似反褶积模型在数值模拟的风驱动的环流在一个浅的洋盆，一个标准的原型更现实的海洋动力学进行了测试。该模式采用正压渦度方程驱动的对称双涡旋风强迫，这产生了一个四涡旋环流的时间平均。近似反褶积模型产生正确的四个环流结构预测的直接数值模拟，在一个粗糙的网格，但在一小部分的计算成本。新模型的数值评估的第一步表明，近似反褶积可以代表一个可行的工具，在更现实的湍流地球物理流的大涡模拟的欠分辨计算。
2011-08-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A Reduced-Dimensional Model for the Interhemispheric Geostrophic Meridional Overturning Circulation
本研究针对以往降维模型忽略的三个关键观测特征，基于Callies和Marotzke（2012）的工作开发了纳入地转平衡、边界强化混合和南大洋绝热上升流的跨半球地转经向翻转环流降维模型，与三维模型和理论标度律吻合良好，适用于极端强迫下的GOC响应研究和参数化测试。
2025-10-22 physics.ao-ph
Resolution dependency of sinking Lagrangian particles in ocean general circulation models
海洋中的任何类型的非浮力材料在其下沉过程中都是通过水流水平移动的。对于小的下沉速度，这种横向输运是远远不能忽略的。为了估计其大小和方向，物质通常被模拟为一组拉格朗日粒子，这些粒子由海洋环流模型（OGCM）获得的流速平流输送。最先进的OGCM是强烈的漩涡，类似于真正的海洋，提供的结果与空间分辨率的数量级为10公里的日常频率。虽然涡旋在OGCM中的重要性在物理海洋学界得到了很好的认识，但其他海洋研究界可能没有。为了证明在低分辨率模式中没有中尺度特征对拉格朗日粒子输运的影响，我们使用低分辨率和高分辨率的全球OGCM模拟了下沉拉格朗日粒子的输运，并评估了由空间和时间模式分辨率差异引起的横向输运差异。我们发现在非涡流OGCM和涡流OGCM的运输之间的主要差异。添加随机噪声的粒子轨迹在非涡流OGCM参数的涡流的影响，以及在某些情况下。较粗的时间分辨率（5天）的影响小于较粗的空间分辨率（0.1 $^{\circ}$ vs 1 $^{\circ}$水平）。我们建议使用下沉拉格朗日粒子，代表例如海雪、微型浮游生物或下沉塑料，仅与来自涡旋OGCM的速度场一起使用，例如在古海洋学研究中需要高分辨率模型。为了提高我们的粒子跟踪模拟的可访问性，我们推出了planktondrift.science.uu.nl，这是一个在线工具，用于重建特定位置沉积粒子的表面起源。
2020-09-14 physics.ao-ph
Mesoscale Ocean Altimetry Requirements and Impact of GPS-R measurements for Ocean Mesoscale Circulation Mapping
在PARIS Beta项目的框架内，在确定未来的全球导航卫星系统信号反射测高任务（PARIS概念）方面已经达到了基本的里程碑。最重要的一个是确认了全球导航卫星系统-R数据可能对中尺度海洋学产生的重大影响，正如我们在这里讨论的那样。在本报告中，我们首先简要回顾了卫星测高术对中尺度海洋学的贡献。然后，我们总结了现有的和未来的高度计任务的测绘能力的最新成果。从这些分析中，推导出了中尺度海洋测高的精确要求（在空间/时间采样和准确性方面）。正在进行的和计划中的测高任务的审查，然后进行，我们分析这些配置如何匹配用户的要求。然后，我们将描述GPS-R数据的模拟方法和影响分析。
2002-12-18 physics.ao-ph physics.geo-ph
Implementation and Evaluation of a Machine Learned Mesoscale Eddy Parameterization into a Numerical Ocean Circulation Model
我们解决的问题，如何使用机器学习参数化的大气环流模式，并评估其性能的计算和物理。我们采取一个特定的机器学习参数化\cite{Guillaumin1&Zanna-JAMES21}，并评估在不同的模型，它是以前测试的在线性能。这个参数化是一个深度卷积网络，预测中尺度涡旋的次网格动量强迫的随机模型的参数。我们对待的参数化，我们将一个传统的参数化，一旦实施的数值模式。这包括在不同的流态中尝试参数化，在不同的空间分辨率下，以及在其他差异下，所有这些都是为了测试泛化。我们评估调整是否可能，这是大气环流模式开发中的常见做法。我们发现的参数化，没有修改或特殊处理，是稳定的，参数化的行动是减少空间分辨率的细化。我们还发现了机器学习模型在实现中的一些局限性：1）在不同深度调整参数化的输出是必要的; 2）边界附近的强迫不能像在公海中那样预测; 3）参数化的成本在CPU上过高。我们讨论了这些局限性，提出了一些解决问题的方法，并得出结论，这种特殊的ML参数化确实注入了能量，并改善了后向散射，正如预期的那样，但它可能需要进一步改进，然后我们才能在当代气候模式的生产模式中使用它。
2023-03-02 physics.ao-ph
On a minimum set of equations for parameterisations in comprehensive ocean circulation models
综合海洋模型的复杂性对参数化提出了一个重要问题：是否有一套最低限度的方程应参数化，一方面，以减少发展到最低限度，另一方面，以确保大规模流动模式的准确表示？这项工作旨在回答这个问题，以帮助现代参数化更有选择性的目标。为此，我们考虑了北大西洋配置的麻省理工学院的大气环流模式，并研究了不同的模型方程的精度表示的湾流在低分辨率的贡献。我们的研究结果表明，它是足够的参数化的示踪剂方程的温度和盐度，并离开其他方程的流体动力学部分，以及大气模式未修改。
2021-07-07 physics.ao-ph physics.geo-ph
Volcanic forcing improves Atmosphere-Ocean Coupled General Circulation Model scaling performance
最近的大气-海洋耦合环流模式（AOGCM）对20世纪气候的模拟考虑了人为和自然强迫，使研究观测记录中发现的长期温度相关性的起源成为可能。我们研究集合实验与NCAR PCM为10个不同的历史情景，包括没有强迫，温室气体，硫酸盐气溶胶，臭氧，太阳，火山强迫和各种组合，如它的自然，人为和所有强迫。我们比较的标度指数特征的长期相关性的观测和模拟模式数据的16个代表性的陆地站和16个站点在大西洋这些情况。我们发现，列入火山强迫在AOGCM大大提高PCM标度行为。包含火山强迫的情景能够很好地再现观测到的陆地标度指数，指数约为0.65，与站距海洋的距离无关。对于大西洋，与火山强迫的情况下，稍微低估了观察到的持久性表现出平均指数为0.74，而不是0.85重建数据。
2004-01-28 physics.ao-ph physics.data-an
How does salinity shape ocean circulation and ice geometry on Enceladus and other icy satellites?
土卫二似乎有一个全球性的地下海洋，是咸的，这表明现在或过去的水-岩石反应，对它的可居住性很重要。在这里，我们研究了盐度和硅酸盐核心和冰壳之间的产热分配如何影响海洋动力学和相关的热传输-一个决定平衡冰壳几何形状的关键因素。假设稳定状态的条件下，我们表明，海洋的纬向翻转环流，驱动的热量和盐与冰交换，有相反的迹象，在非常低和非常高的盐度。不管这些不同的环流，热量和淡水都向赤道汇聚，那里的冰很厚，使厚度变化均匀化。为了维持观测到的冰厚度变化，极地放大的冰耗散需要足够强，海洋热会聚不能压倒通过厚厚的赤道冰盖的热损失率。如果主要的热源是在核心而不是冰壳，或者如果海洋是非常新鲜或非常咸，这一要求被发现违反。相反，与中间范围的盐度，温度和盐度引起的密度梯度在很大程度上相互抵消，导致大大减少翻转和赤道热收敛率和一致的预算在外观上的一个显着的冰消散。
2022-05-12 astro-ph.EP physics.ao-ph
Numerical assessments of ocean energy extraction from western boundary currents using a quasi-geostrophic ocean circulation model
本文建立了一个单层准地转大尺度海洋环流模式，用于研究海流涡轮机利用海流能的潜力。功率提取是通过在正压涡度方程中加入参数化的瑞利摩擦项来模拟的。数值评估是通过模拟一组中纬度海洋盆地的β平面，这是更现实的海洋动力学考虑湍流平衡的年代际变化的标准原型。针对各种物理条件，进行了涡轮机参数的灵敏度分析。结果表明，该模式能较好地反映准平稳的海洋动力学特征，并能提供时间平均的四涡环流型。在初始自旋过程之后，所提出的模型在1.5 m/s和2.5 m/s之间的平均最大速度达到统计稳定状态，这接近于在西部边界流中观察到的最大纬向速度。在很长一段时间内的可用功率的概率密度函数计算的参数范围很广。数值计算结果表明，沿西部边界分布在100 km长度尺度上的涡轮机可以提取10 GW的平均功率。然而，它表明，更大的涡轮机面积会改变流动模式和能量，由于过度耗散。涡轮机面积的增加导致可用功率的增加，范围从8 GW到22 GW，这取决于涡轮机建模参数的值。建议QG模型的数值评估的第一步表明，本框架可以代表一个可行的工具，用于评估在高度湍流制度的能量潜力。
2016-04-28 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Global Energy Spectrum of the General Oceanic Circulation
自从卫星测高术出现以来，我们对海洋环流的感知已经聚焦于中尺度涡旋的普遍性，这些涡旋具有数十至数百公里的典型尺度[5]，是海洋天气系统的模拟物，并且通常被认为是海洋动能（KE）波数谱的峰值[7，19，23]。然而，我们对海洋空间尺度的理解主要来自小的代表性区域的傅立叶分析（例如[16，14，4]），通常大小为几百公里，无法捕获行星尺度的巨大动态范围。在这里，我们提出了第一个真正的全球波数谱的海洋环流卫星数据和高分辨率的再分析数据，使用粗粒度的方法来分析尺度比以前可能的。在长度尺度上跨越三个数量级的光谱表明，南极绕极流（ACC）是全球热带外海洋的光谱峰值，位于$\approx 10 \times 10^3~$ km处。我们还发现了一个以前未观察到的幂律缩放尺度大于$10^3~$公里。一个较小的谱峰存在于$\approx 300~$ km处，与中尺度相关，由于它们在波数空间中的分布更广，占全球分辨表面KE的$50\%$以上。长度尺度是其两倍大（可达\(10^3\) ~km）的尺度在其季节循环中表现出\(\approx40~\)天的特征滞后时间，因此在两个半球，$100~$ km处的KE在晚春达到峰值，而$10^3~$ km处的KE在夏末达到峰值。这里提出的光谱为我们提供了一个新的窗口，了解地球气候系统内的多尺度一般海洋环流，包括最大的行星尺度。
2022-08-09 physics.ao-ph physics.geo-ph
Temperature induced tipping in a two box ocean circulation model
本文研究两箱海洋环流模型中温度梯度作为强迫参数时引发的临界转变，扩展了原有淡水强迫框架下的临界点分析。
2025-07-09 math.DS physics.ao-ph
The sensitivity and stability of the ocean's thermohaline circulation to finite amplitude perturbations
在一个简单的模式背景下，热盐环流有限振幅扰动的敏感性和稳定性进行了研究。一种新的方法被用来解决这个非线性问题。该方法是基于所谓的条件非线性最优扰动（HOCP），这是一个非线性推广的线性奇异向量法（LSV）的计算。结果表明，线性稳定的热盐环流状态可以变为非线性不稳定的，并确定了具有最佳非线性增长的扰动的性质。一个不对称的非线性响应扰动存在相对于有限振幅淡水扰动的迹象，热为主和盐度为主的温盐流。这种不对称性是由于通过平流过程的扰动的非线性相互作用。
2007-02-10 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Why the Atlantic meridional overturning circulation may not collapse
本文从物理过程角度论证，基于海表温度估计器的统计方法缺乏对AMOC驱动因素的物理洞察，物理过程将改变估计器，从而影响崩溃预测的可靠性。
2023-10-15 physics.ao-ph
Climate and ocean circulation changes toward a modern snowball Earth
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology（日本海洋地球科学技术局）；Earth-Life Science Institute (ELSI), Institute of Future Science, Institute of Science Tokyo（东京科学大学未来科学研究所生命起源研究所）；Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo（东京大学大气海洋研究所）；University of the Ryukyus（冲绳大学）；Department of Geophysics, Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学理学研究科地球物理学科）；National Institute of Polar Research（国立极地研究所）；The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI（综合研究大学院大学）
研究通过气候模型探讨现代雪球地球形成过程中海洋环流的变化及演变，揭示了海冰增长和盐度分层对环流的影响。
2026-03-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Boundary constraints on the large-scale ocean circulation
经向翻转环流（MOC）是一个覆盖所有洋盆的表层和深层洋流系统，对地球气候至关重要。在主运行中心探测潜在的气候变化首先需要仔细描述其固有的可变性。MOC的主要组成部分是大西洋MOC（AMOC）和南极绕极流（ACC）。边界属性在确定AMOC和ACC的作用进行了研究，作为横截面坐标和深度的函数，使用层次结构的大气环流模式。AMOC被分解为近地表Ekman、与深度无关的底部速度和东、西边界密度分量的总和。分解证明了一个有用的低维特征的完整的三维翻转流通。估计总流域范围的AMOC翻转流函数，重建仅使用边界信息，是在良好的协议与直接计算的翻转，使用纬向速度。时间平均最大翻转流函数是相对恒定的纬度，尽管其基础边界的贡献变化很大，特别是在北半球。应用类似的分解诊断ACC模型模拟之间的差异提供了洞察力，揭示了空间分辨率依赖ACC运输通过德雷克海峡。与观测结果相比，所有模型都表现出较弱的ACC。绘制了沿倾斜海洋边界的密度图，其中包括大西洋西部和东部边界以及南极海岸线。等密度线在东部海洋边界的较长部分上是平坦的，在西部边界上是线性倾斜的。本文的结果表明边界信息在表征AMOC和ACC中的重要性，以及沿倾斜边界密度结构的相对简单性。
2022-08-24 physics.ao-ph physics.data-an
Redox hysteresis of super-Earth exoplanets from magma ocean circulation
内部氧化还原反应可能会不可逆转地改变地幔成分和地球和超级地球系外行星的挥发性库存，并影响大气观测的前景。然而，这些机制的全球效力取决于还原铁从熔融硅酸盐地幔向金属核的转移。标度分析表明，亚海王星内部岩浆海洋的湍流扩散可以动力学夹带液态铁液滴和淬火核心的形成。这表明，核，地幔和大气之间的化学平衡可能是积极的限制在岩浆流的对流翻转。因此，熔融的超级地球可能保留了其吸积路径的成分记忆。岩浆海洋环流对氧化还原的控制与行星热流、内部重力和行星大小呈正相关。因此，大气剥离的系外行星的存在和物种形成，表面矿物学和核心质量分数可能会限制岩浆海洋动力学。
2021-05-24 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Multistability and Intermediate Tipping of the Atlantic Ocean Circulation
本研究使用原始方程海洋模型模拟大西洋经向翻转环流崩溃，发现在崩溃前存在多个稳定状态间转换的中间临界点，且崩溃路径取决于融水输入速率，挑战了对临界点预测和安全极限的定义。
2023-11-15 nlin.CD physics.ao-ph
Reconciling advective upwelling with diapycnal downwelling: A transient kinematic perspective on Munk's conundrum
China-ASEAN College of Marine Sciences, Xiamen University Malaysia（厦门大学马来西亚分校中国-东盟海洋科学学院）；College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University（厦门大学海洋与地球学院）
本研究从瞬态热状态视角重新解释深渊下沉悖论，通过理想化数值实验发现平流翻转环流在冷却与变暖情景下均呈现稳健的上升流模式。
2026-11-09 physics.ao-ph physics.geo-ph
A global scavenging and circulation ocean model of thorium-230 and protactinium-231 with realistic particle dynamics (NEMO-ProThorP 0.1)
本文提出了一个放射性微量同位素Th-230和Pa-231的三维海洋模型。这些同位素被广泛用于研究海洋中的粒子传输和重建过去的海洋环流。示踪剂被生物和成岩颗粒可逆地清除。我们对Th-230和Pa-231的模拟是基于NEMO-PISCES海洋地球化学环流模式，该模式包括生物颗粒，即小颗粒和大颗粒有机碳、碳酸钙和生物硅。小的和大的成岩颗粒尘埃沉积也包括在我们的模型。它们的分布一般比较好，从最近的观测GEOTRACES方案的小和大的成岩颗粒浓度，除了边界雾状层，到今天为止，有没有非平凡的，诊断模式可在全球范围内。我们的模拟重现Th-230和Pa-231溶解浓度：它们与最近在海洋许多地方的GEOTRACES观测结果比较好。颗粒Th-230和Pa-231的浓度显着改善相比，以前的研究，但他们仍然太低，因为缺少颗粒从雾状层。我们的模拟再现了沉积物中观察到的Pa-231/Th-230比值的主要特征，并支持Pa-231相对于Th-230对生物硅的中等亲和力。未来的模型开发可能会进一步提高认识，特别是当这将包括一个更完整的代表性的所有颗粒，包括不同的大小类别，锰的氢氧化物和雾状层。这可以基于我们的模型来完成，因为它的源代码是现成的。
2017-12-06 cs.CE physics.ao-ph
Effects of Drake Passage on a strongly eddying global ocean
始新世-渐新世过渡期海洋门户开口对气候的影响仍在争论之中。以前的模式研究采用网格分辨率，中尺度涡旋的影响必须参数化。我们提出了一个国家的最先进的涡旋解决全球海洋模式与一个封闭的德雷克海峡的结果，并与相同的模式在非涡旋分辨率的结果进行比较。通过将涡旋热输送分解为涡旋、水平和翻转环流分量来分析热量的路径，表明在两种分辨率下，大尺度上的模式行为在性质上是相似的。关闭德雷克海峡导致（i）南极洲周围的海面变暖，这是由于南大洋水平环流的变化，（ii）与北大西洋深层水形成有关的翻转环流的崩溃，导致北大西洋的表面冷却，（iii）南极洲附近显著的向赤道的涡流热输送。然而，定量细节在很大程度上取决于所选择的分辨率。南极洲周围的变暖在无涡旋结构（5.5 ° C）中比在涡旋结构（2.5 ° C）中大得多。这是一个后果的副极地平均流量分区不同的环流和绕极电流在不同的分辨率。我们的结论是，对于破译不同的机制活跃在始新世-渐新世气候变化的热量在不同的气候子系统的路径的详细分析是至关重要的，以明确确定实际工作的物理过程。
2015-10-14 physics.ao-ph
Tipping points in overturning circulation mediated by ocean mixing and the configuration and magnitude of the hydrological cycle: A simple model
本文通过一个六箱翻转环流模型，研究海洋混合与水文循环配置及强度如何调控大西洋和太平洋翻转环流的临界点行为，揭示北太平洋翻转对水文循环变化的多种响应及大西洋翻转崩溃所需的北部极地放大条件。
2023-08-07 physics.ao-ph
Implementation of a geometrically and energetically constrained mesoscale eddy parameterization in an ocean circulation model
全球海洋层结和环流及其对强迫变化的敏感性，关键取决于中尺度涡场的表现。在这里，一个几何信息和能量约束的中尺度涡参数化框架-称为几何-提出并实现在三维原始方程通道和部门模式。几何框架关闭中尺度涡通量根据标准的Gent-McWilliams方案，但与涡转移系数的深度积分涡能量场的约束，通过一个预测的涡能量预算演变的平均状态。结果发现，粗分辨率计算采用几何广泛再现模型的敏感性，允许参考计算的涡在紧急环极运输，纬向翻转环流配置文件和深度集成的涡流能量签名，特别是，涡流饱和出现在扇区配置。出现了一些差异，这里归因于简单的预测涡流能量预算，在未来的调查中加以改进。因此，几何框架提出了一个范式的转变，从专注于如何关闭涡流通量，专注于涡流能量的表示。
2018-02-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A Land-Sea Contrast Pattern in Surface Temperature and Atmospheric Circulation Trends in Recent Decades
Colorado State University（科罗拉多州立大学）
研究发现陆地相对海洋的增暖主导了观测到的地表温度和大气环流趋势，包括太平洋盆地的负类IPO倾向，而气候模式低估了海陆增温比。
2026-11-06 physics.ao-ph
Deep ocean early warning signals of an Atlantic MOC collapse
大西洋经向翻转环流（MOC）是气候系统的重要组成部分，因为它与向北的热量输送有关。现今的MOC对淡水异常非常敏感，可能会崩溃到一个向北热量输送强烈减少的状态。大西洋MOC的未来崩溃已被确定为气候系统中最危险的临界点之一。因此，必须根据相对较短的时间序列，为这种潜在的崩溃制定预警指标。到目前为止，使用基于严重放缓的指标的尝试取得了一定的成功。基于复杂的气候网络重建，我们在这里提出了一个有前途的新指标MOC崩溃，有效地监测深海环流的空间变化。通过我们对该指标的性能分析，我们制定了最佳的MOC测量位置，以提供崩溃的早期预警信号。我们的结果意味着大西洋MOC观测的空间分辨率的增加（即，在更多的剖面上）可以改进早期探测，因为更好地捕捉到了在过渡区附近产生的深海空间相干性。
2014-05-06 physics.ao-ph
Zonal-mean circulation response to reduced air-sea momentum roughness
表层物理学的不确定性对大气环流的影响相对来说还没有被探索。本文用社区大气模式（CAM 3）研究了低流速时纬向平均环流对减小的海气动量粗糙度（$Z_{0m}$）的敏感性。在一个具有指定海面温度的水行星框架中，对$Z_{0m}$减少的响应类似于La Ni $\tilde{\text{n}}$ a减去El Ni $\tilde{\text{n}}$ o对El Ni $\tilde{\text{n}}$ o南方涛动变率的响应，其中：i）中纬度西风带向极移动，一直延伸到地面; ii）副热带下降区向极移动较弱;及iii）哈德利环流减弱，一般亦伴随着热带会聚区及热带地面东风带向极移。机制否认实验表明，这种响应是由热带潜热和感热通量的减少，减少$Z_{0m}$的影响。通过考虑热带能量通量对Hadley环流强度、对流层上部临界层纬度和对流层下部斜压涡动强迫的影响，阐明了环流响应。ITCZ的转变是通过在热带湿静态能量收支分析。环流对减少的$Z_{0m}$的响应延续到更复杂的设置，具有季节性周期，大气-冰-陆地-海洋相互作用的完全复杂性，以及板状海洋下边界条件。因此，表面参数化参数的相对较小的变化可以导致显著的环流响应。
2016-06-02 physics.ao-ph
Intrinsic oceanic decadal variability of upper-ocean heat content
大气和海洋通过海气相互作用耦合。大气条件为海洋环流及其变化提供了燃料，但海洋过程在十年时间尺度上对大气的影响程度仍不清楚。特别是，这种低频变率很难从短期观测记录中提取，这意味着气候模式是解决这一问题的主要工具。在这里，我们评估如何海洋的内在变化导致模式的上层海洋热含量，在十年的时间尺度变化。这些模式有可能反馈到大气层，从而影响气候变化模式，如厄尔尼诺或太平洋年代际振荡。我们使用的输出从全球海洋-海冰环流模式在三个不同的水平分辨率，每个驱动相同的大气再分析。为了解开海洋对大气强迫的直接响应的变化性，由于内在的海洋动力学的变化性，我们比较了年际变化强迫（1958-2018年）驱动的模型运行和重复年强迫驱动的模型运行。依赖于涡旋参数化的粗分辨率模型显示：（i）在十年时间尺度上，上层海洋热含量的方差显著降低;（ii）与高分辨率模型相比，低频变率的空间格局存在差异。气候预测通常使用具有粗分辨率海洋分量的大气环流模型进行。因此，这些偏差影响了我们预测十年气候变率模式的能力，反过来又阻碍了气候预测。我们的研究结果表明，为了改善气候预测，社会应该走向耦合气候模式更高的海洋分辨率。
2021-06-13 physics.ao-ph physics.geo-ph
North Atlantic thermohaline circulation predictability in a coupled ocean-atmosphere model
建立了GFDL耦合海气环流模式模拟的北大西洋温盐环流（THC）变率的可预报性集合试验。该集合由相同的海洋初始条件下的模式大气随机选择的模式气候。这个实验设计是基于分离的时间尺度存在于模型中，这激发了这样的假设，即从这些集合推导出的可预测性提供了一个上限模型的THC的可预测性。气候学是从一个多世纪的模式集成，其THC的变化有权力集中在40-60年的时间尺度。一个线性随机的角度来看，一般是一致的合奏统计。线性理论认为集合可预报性的自然量度是集合方差成为气候方差的主观定义分数（这里使用的是0.5）的时间。此外，感兴趣的是将模型的THC的快速去相关部分的可预测性与较长时间相关部分区分开。快速去相关部分显示了$\approx 1.5$年的可预测性。较慢的部分显示了$\approx 5-7$年的可预测性。线性随机框架提供了一个最佳的预测模型的THC的可变性和理解为什么最佳预测是无用的超过一个特定的限制的直接建设。
1995-03-10 ao-sci physics.ao-ph
Asymmetric response of the North Atlantic gyres to the North Atlantic Oscillation
本研究通过正压涡度收支分析海洋-海冰模拟，发现北大西洋涛动强迫下副热带和副极地环流呈现不对称响应，揭示了风应力、底压扭矩及非线性平流等动力过程在其中的不同作用。
2025-06-02 physics.ao-ph
MITgcm-AD v2: Open source tangent linear and adjoint modeling framework for the oceans and atmosphere enabled by the Automatic Differentiation tool Tapenade
本文提出MITgcm-AD v2框架，用开源的Tapenade替代专有TAF工具为MITgcm生成切线性与伴随模型，从而向更广泛的研究界开放梯度计算能力，并已集成到主分支免费提供。
2024-08-06 physics.ao-ph
Mixing and Geometry in the North Atlantic Meridional Overturning Circulation
本研究利用拉格朗日相干结构分析AMOC的三维输送路径，揭示了Flemish Cap区域深水快速上升及Irminger Sea极深水与表层新上升连接的混合几何特征。
2024-12-23 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Accelerate Coastal Ocean Circulation Model with AI Surrogate
University of Florida（佛罗里达大学）；College of William & Mary（威廉玛丽学院）；NVIDIA（英伟达公司）
针对传统沿海海洋环流模拟耗时耗能的问题，本文提出基于4D Swin Transformer的AI替代模型，结合物理约束并通过GPU加速，实现12天潮汐预报450倍以上加速，为实时灾害响应提供高效方案。
2025-04-14 cs.DC cs.LG physics.ao-ph
Dynamic sea level changes following changes in the thermohaline circulation
利用耦合气候模式CLIMBER-3a，我们调查了由于热盐环流（THC）的减弱而引起的海面高度的变化。除了由于深海变暖导致全球海平面上升之外，这还导致区域动态海平面变化，这种变化几乎是在海洋环流发生变化的瞬间发生的。我们表明，这种动态效应的幅度可以局部达到~ 1米，这取决于初始THC强度。在某些地区，变化率可高达20-25毫米/年。讨论了海洋环流变化的新格局。最显著的是南北梯度，反映了地转表层洋流的变化。我们的研究结果表明，观测到的海平面变化模式的分析可能是有用的THC强度监测。
2004-08-13 physics.ao-ph physics.geo-ph
"Energy transfers in surface wave-averaged equations"
本文提出Lagrangian能量收支框架，解决了包含Stokes漂移的Eulerian能量收支难以解释的问题，证明Coriolis-Stokes力不产生能量转移，并实现了环流模型与表面波模型的一致耦合。
2023-11-22 physics.ao-ph
Coupling Between Abyssal Boundary Layers and the Interior Ocean in the Absence of Along-Slope Variations
为了关闭翻转循环，稠密的底层水必须通过湍流混合上升。最近的研究已确定薄的底边界层是强烈上升流的位置，但仍不清楚它们如何与深海的大规模环流相互作用并形成这种环流。目前对这种BL-内部耦合的理解是由一维理论形成的，这表明本地产生的BL运输的变化与内部产生交换，从而产生全球环流。然而，到目前为止，这幅图一直基于一维理论，即使在高度理想化的二维几何中也无法捕捉局部演化。目前的工作适用于BL理论修订的1D动力学，更自然地推广到二维和三维。边界层被假定为在稠密水的上涌和向下浮力通量的会聚之间处于准平衡。BL运输，其中明确的公式，施加的内部通过修改底部边界条件的影响。在1D中，这种BL输运独立于内部演化，但在2D中，BL和内部完全耦合。一旦允许内部变量和底部斜率在水平方向上变化，BL输运中的收敛和发散与内部交换质量。这一框架允许分析以前无法解决的问题，如BL-存在指数内部分层时的内部耦合，为发展深渊环流的完整理论奠定基础。
2023-01-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Role of Surface Gravity Waves in Aquaplanet Ocean Climates
我们提出了一套理想化的数值实验的冬至水行星海洋和研究的热力学和动力学的影响表面重力波（SGW）后，其平均状态。水行星的海洋环流主要由赤道纬向急流和四个埃克曼驱动的纬向翻转环流（MOC）细胞与西风大气急流和东风信风在两个半球对齐。包括SGW参数化（代表海气动量通量，朗缪尔环流和斯托克斯-科里奥利力的调制）增加混合层垂直动量扩散约。40%，并抑制表面动量通量约。百分之四相应减弱的MOC通过减少热量和盐的大尺度平流输送，使赤道纬度变清（蒸发量减去降水量[E-P]为负），并使副热带盐度增加（E-P为正），从而影响1公里深度的海洋密度结构。百分之一中纬度密度跃层在两个半球加深纳入SGW。将SGW纳入水行星海洋模型可使混合层深度增加约100%。10%（中纬度地区冬季高达20%），减少200米以上的垂直切变，改变当地中纬度浮力频率。一般来说，SGWs对水行星海洋的影响在较冷和较暖的气候中是一致的。我们认为，这些模拟的影响可能是相关的了解未来的预测SGW气候，系外海洋，南大洋混合层的动态。
2021-06-09 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Melancholia States of the Atlantic Meridional Overturning Circulation
本研究利用海洋一般环流模型构建了AMOC的Melancholia不稳定边缘状态，发现其深海洋更冷更淡且动态焓更高，揭示了AMOC临界转变的物理机制与可预测性线索。
2024-10-10 nlin.CD physics.ao-ph
Surface salinity fields in the Arctic Ocean and statistical approaches to predicting anomalies and patterns
在过去十年中，在北冰洋表层观测到了显著的盐度异常。利用1950-1993年和2007-2012年冬季北冰洋上层50 m盐度的网格化数据，我们研究了盐度场的年际变化，试图识别模式和异常，并开发了一个预测表层盐度的统计模型。该统计模型基于线性回归方程，将主成分与环境因素联系起来，如大气环流、径流量、冰过程以及与邻近海洋的水交换。使用该模型，我们得到了2013-2014年冬季表层盐度的预报场。预测领域表现出相同的表层清新的趋势，以前观察到的。涉及前两个主成分的相图分析显示，与早期观测相比，2007-2012年数据的行为发生了巨大变化。
2014-09-06 physics.ao-ph
Tidally Induced Turbulence in the Abyssal Ocean
本研究针对深海倾斜地形处潮汐流湍流转捩不符合经典失稳条件的问题，通过分析边界层湍流野外项目观测数据，揭示潮汐流的时间依赖性改变稳定特性的机制，阐明振荡剪切流混合对全球深海翻转环流的重要作用。
2025-09-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Thermohaline circulation stability: a box model study - Part II: coupled atmosphere-ocean model
对一个耦合的半球间热盐环流（THC）三盒子模式的稳定性进行了深入的分析。本研究遵循第一部分中提出的相同模型的非耦合版本的类似结构分析。我们研究了当系统经历代表全球变暖条件的强迫时，THC的强度如何变化。初始平衡的每一个扰动的特征在于实现的总辐射强迫，增加率，和南北不对称性。适当定义的度量的选择，使我们能够确定的边界划分的一组辐射强迫的情况下，导致系统的THC模式类似于目前的平衡，从那些驱动系统的平衡THC被逆转。我们还考虑了不同的大气传输参数化和高纬热带辐射强迫之间的比例的选择。我们通常发现，快速强迫比缓慢强迫更有效地破坏了目前的THC模式，强迫是在北方箱更强的也更有效地破坏系统的稳定性，非常缓慢的强迫不稳定的系统，无论其不对称性，除非辐射强迫是非常不对称的，大气传输是一个相对较弱的功能的纬向温度梯度。THC强度的变化主要是由半球中的潜热传输的变化所迫使的，因为它对Clausius-Clapeyron关系产生的温度敏感。
2004-09-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Generation of attached Langmuir circulations by a suspended macroalgal farm
在这项研究中，我们专注于朗缪尔湍流在深海中的大型海藻养殖场的存在下，使用大涡模拟方法。波流相互作用通过求解波平均方程来模拟。在农场的水动力过程被发现驱动一个持久的流动模式类似于朗缪尔环流，但被锁定在整个农场的空间。这些二次环流的产生是因为由成排的遮篷元件产生的横流剪切导致稳定的垂直涡量场，然后在涡力的作用下旋转到下游方向。由于驱动机制类似于CraikLeibovich的2型不稳定性理论，这些次级环流也被称为附着朗缪尔环流。然后，我们应用一个三重分解的流场，揭示了基本的运动学和能量之间的平均流，二次流产生的农场阻力，和瞬态涡流。流动可视化和统计表明，附着的朗缪尔环流的结果从上层海洋混合层的调整，大型藻类农场，他们将减弱（如果不是消失）时，流量达到平衡态内的农场。三重合成能量收支表明，二次流的能量是在冠层阻力的作用下从平均流中转移过来的，而瞬态涡则是以Stokes漂移和二次流的能量转换所传递的波能为能量来源。
2021-02-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Crossroads of the mesoscale circulation
对海洋中示踪剂扩散机制的量化仍然是海洋学的一个中心问题，从营养物质输送到浮游植物，再到污染物的早期检测。大多数分析都是基于拉格朗日的运输概念，侧重于确定尽量减少区域间流体交换的特征，或最近侧重于网络工具，侧重于连通性和运输途径。这两种方法都不允许对主要水道的地理位置进行排名并选择它们，以便它们监测来自海洋不同部分的水域。相反，这些是部署观测网络时的关键标准。在这里，我们解决这个问题，估计在任何一点的海洋表面的范围，通过它在给定的时间窗口。有了这些信息，我们就能够对拦截来自不同地区的水的主要通量的站点进行排名。我们表明，这使我们能够优化观测网络，其中可以选择一组采样点来监测从给定区域扩散出去的最大水通量。当分析在时间上向后执行时，这种方法使我们能够识别供给目标区域的主要来源。该方法首先适用于一个最小的模式的中尺度涡场，然后到现实的卫星派生的洋流在Kerguelen地区。在这个区域中，我们确定的最佳位置的固定站能够拦截43个表面漂移的轨迹，随着统计的时间持久性，以这种方式确定的站。然后，我们确定了可能的热点微量营养元素富集的经常性春季植物生长素开花发生在这里。有前途的应用，如幼虫连接，海洋空间规划或污染物检测，然后讨论。
2018-12-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Data-driven Global Ocean Modeling for Seasonal to Decadal Prediction
School of Computer Science, Fudan University（复旦大学计算机科学学院）；Shanghai Artificial Intelligence Laboratory（上海人工智能实验室）；Potsdam Institute for Climate Impact Research（波茨坦气候影响研究所）；Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology（日本海洋研究开发机构）；Institut de Recherche pour le Développement (IRD)（法国发展研究院）；French National Research Institute for Sustained Development (IRD)（法国可持续发展研究院）；Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences（合作环境科学研究所）；NOAA Physical Sciences Laboratory（美国国家海洋和大气管理局物理科学实验室）；Nanjing University of Information Science and Technology（南京信息工程大学）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
针对传统数值模型在多年尺度全球海洋变率预测上的难题，提出首个数据驱动三维海洋模型ORCA-DL，其在极端事件捕捉上优于现有动力学模型，还可稳定模拟年代际海洋动力学，为全球海洋预测与气候预估提供新方案。
2024-10-29 cs.AI cs.LG physics.ao-ph
Interacting internal waves explain global patterns of interior ocean mixing
本文利用波-波相互作用理论并结合局地与全球观测，首次从第一性原理解释了全球海洋内部内波破碎驱动的湍流混合模式，为海洋环流模式提供了完全基于物理的波驱动混合参数化基础。
2024-08-12 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy exchanges between a two-dimensional front and internal wave modes
锋面和近慣性波是上层海洋中的高能运动，它们可以相互作用并为平衡海洋流的动能（KE）耗散提供路径。本文利用准线性模式研究了二维地转平衡锋在应变诱导的半地转锋生和内波垂直模态下的动能交换。拟线性模型的数值求解变量施加的应变大小，初始IW垂直模式，并为最小频率（近惯性，NI）和高频IWs。前IW KE交换量分别在两个锋生阶段-一个指数锐化阶段，其特征在于由一个低的罗斯贝数，并由所施加的地转应变驱动，其次是一个超指数锐化阶段，其特征在于由一阶罗斯贝数，并由非地转次级环流的收敛驱动。它表明，高频IWs迅速逃离锋区，是非常有效的提取KE从施加的地转应变场通过变形剪切生产（DSP）机制。然后将提取的KE的一部分转换为波浪势能。最小频率的IWs保持锁定锋区，因此交换能量与非地转锋面环流。在指数阶段，IWs通过DSP从地转应变中提取KE，并通过非地转切变产生（AGSP）机制将其转移到锋面次级环流中。在超指数阶段，一个新发现的机制，收敛生产（CP），这是直接联系到收敛的二次循环，在NIW KE预算中起着重要的作用。
2022-06-16 physics.ao-ph
