Seasonal variation of atmospheric coupling with oceanic mesoscale eddies in the North Pacific Subtropical Countercurrent

This study investigated the seasonal variation in the atmospheric response to oceanic mesoscale eddies in the North Pacific Subtropical Countercurrent (STCC) and its mechanism, based on satellite altimetric and reanalysis datasets. Although mesoscale eddy in the study area is more active in summer, the sea surface temperature (SST) anomaly associated with mesoscale eddies is more intense and dipolar in winter, which is largely due to the larger background SST gradient. Similarly, the impact of the oceanic eddy on sea surface wind speed and heat flux is strongest in winter, whereas its effect on precipitation rate is more significant in summer. The study revealed that the SST gradient in STCC could impact the atmosphere layer by up to 800 hPa (900 hPa) in boreal winter (summer) through the dominant vertical mixing mechanism. Moreover, the intensity of the SST gradient causes such seasonal variation in mesoscale air-sea coupling in the study region. In brief, a stronger (weaker) background SST gradient field in wintertime (summertime) leads to a larger (smaller) eddy-induced SST anomaly, thus differently impacting atmosphere instability and transitional kinetic energy flux over oceanic eddies, leading to seasonal variation in mesoscale air-sea coupling intensity.     

北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响

利用NCEP再分析资料、Hadley中心的海表面温度(SST)资料等,从北大西洋秋季海表面温度异常(SSTA)变化入手,对其影响后期冬季大气环流场的机制进行了分析。研究结果如下:(1)北大西洋SST异常与大气环流异常之间存在着相互作用;(2)秋季北大西洋SSTA具有较好的持续性,"正负正"海温异常空间分布导致12月巴伦支海上空500hPa位势高度异常偏高;(3)异常环流形势对应的海表面风异常场(SSWA)通过阶段性风-蒸发-SST异常反馈机制(WES机制)利于海温异常分布的持续及对上空异常大气环流的反馈;(4)三极子海温结构中负异常海温自10月份开始有自西向东的移动,风作用下蒸发加大,伴随上升运动自欧洲西部爱尔兰群岛出现自西向东移动的降水正异常区,潜热释放有利于冬季巴伦支海上空的异常高压脊发展。研究表明,北大西洋秋季SSTA通过阶段性海气相互作用机制影响海洋温度分布和大气环流异常,对后期冬季中国东北部的气候变化产生影响。     

吕宋海峡西部深海盆内孤立波潜标观测研究

Using a net surface heat flux （Qnet） product obtained from the objectively analyzed air-sea fluxes （OAFlux） project and the international satellite cloud climatology project （ISCCP）, and temperature from the simple ocean data assimilation （SODA）, the seasonal variations of the air-sea heat fluxes in the northwestern Pa cific marginal seas （NPMS） and their roles in sea surface temperature （SST） seasonality are studied. The seasonal variations of Qnet, which is generally determined by the seasonal cycle of latent heat flux （LH）, are in response to the advection-induced changes of SST over the Kuroshio and its extension. Two dynamic regimes are identified in the NPMS： one is the area along the Kuroshio and its extension, and the other is the area outside the Kuroshio. The oceanic thermal advection dominates the variations of SST and hence the sea-air humidity plays a primary role and explains the maximum heat losing along the Kuroshio. The heat transported by the Kuroshio leads to a longer period of heat losing over the Kuroshio and its Extension. Positive anomaly of heat content corresponds with the maximum heat loss along the Kuroshio. The oceanic advection controls the variations of heat content and hence the surface heat flux. This study will help us understand the mechanism controlling variations of the coupled ocean-atmosphere system in the NPMS. In the Kuroshio region, the ocean current controls the ocean temperature along the main stream of the Ku roshio, and at the same time, forces the air-sea fluxes.     

南海QuikSCAT海面风场变化特征分析

基于QuikSCAT海面风场产品,对海面风场资料进行了EOF分析和随机动态分析,以此分析南海海面风场的变化特征。研究发现:海面原始风场风速季节变化最为明显,其变化占总变化方差的59.1%,黑潮的季节变化通过海气相互作用对南海局地风场有较明显的影响;原始风场第三模态及异常风场第二模态时间变化函数与SOI和PDO弱相关,且异常风场第二模态时间变化函数谱分析结果主要呈现5年的周期变化,南海海面风场变化与年际振荡有关;南海大部分海区风速呈现增长的趋势,但增长速率较小;风速增大最快的区域是台湾海峡以南海域和北部湾,增长速度达到0.05 ms-1a-1。     

热带西南印度洋上升流区季节和年际变化研究及与印太系统海气相互作用

用59年Ishii再分析温度资料,讨论了热带西南印度洋(SWTIO)上升流区的季节和年际变化以及与上升流区有关的温度距平的变化,同时分析了其与热带印太海气系统的关系,结果显示SWTIO 上升流在南半球冬、夏季比较强,春季最弱。它的范围在5°~1°S,在东西向从50°E可以伸展到90°E。该上升流区的变化与温跃层的温度距平有密切的关系,并存在明显的5 a振荡周期。SWTIO上升流区温度距平的5 a周期振荡是由热带东印度洋温度距平在最大垂直温度距平曲面(MTAL)上向西沿着11.5°~6.5°S传播过来的,它与热带太平洋的温度距平传播方式不同。SWTIO上升流是热带印太海气系统的一个重要组成部分,印度洋偶极子 超前SWTIO上升流区温度变化5个月,最大相关系数达到0.57,NINO3区指数超前SWTIO上升流区指数2个月达到0.49。当热带印太区域的大气风场改变,影响热带太平洋和印度洋表层SSTA,出现ENSO和DIPOLE,进一步向西传播到SWTIO次表层,导致SWTIO上升流区出现改变。     

海气动量通量研究综述

海气界面动量通量也称为风应力,是海流和表面海浪的主要驱动力,是海洋从大气获得动量的重要途径。因此,合理可靠的海洋表面风应力的参数化对于海洋、大气和波浪以及气候模式的准确预报都具有非常重要的科学意义和实用价值。对风应力拖曳系数的参数化是风应力参数化的主要内容。近来的观测发现,风应力拖曳系数随着风速的增加出现了先增后减的趋势,同时还与海面的波浪状态以及海流有关。基于观测或理论分析,目前已经得到了一系列的风应力拖曳系数计算方法或公式,有的考虑了海浪的作用,有的没有,但这些方案大都是适合中低风速,在高风速下的适用性还有待检验。本文回顾了目前在海气动量通量观测和参数化方面的研究进展,并建议应增加高风速下风速、海流以及海浪等的同步观测,以进一步完善风应力参数化方案。     

浪致混合对2016年北太平洋海表温度季节性预测的影响

上层海洋通过海气交换影响大气-海洋耦合系统,海浪引起的垂向混合影响上层海洋结构,从而在气候预测过程中发挥着重要的作用。本文基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式（FIO-ESM）,以2016年为例,分别开展了耦合和关闭海浪模式情况下的短期气候预测实验,分析浪致混合对北太平洋海表温度（SST）季节性预测的影响。通过对模式预测的SST异常（SSTA）进行定量评估发现,浪致混合能够显著降低北太平洋高纬度海区预测误差,在（45°N,150°E）附近海区SSTA改善可达1℃,气候模式能够更好地预测SSTA的经向分布特征,特别是能够准确地反映25°~45°N海区SSTA分布特征。通过分析有浪和无浪两个实验的热收支贡献发现,垂向混合是导致上层海洋温度差异的主导影响因子。海浪通过改变垂向混合,使2016年北太平洋SST在高纬度海区大幅降低,在低纬度海区略有升高,最终提升了模式对北太平洋SST的季节性预测能力。     

南海海表温时空演变与南海夏季风爆发早晚相关性初探

利用我国近海1986-2008年间的海温再分析资料,分析了南海海温异常的时空变化,重点揭示了南海夏季风爆发前后(4-6月)南海表层海温异常的时空演变特征,并探讨了其与南海夏季风爆发早晚的相关关系。结果显示,南海夏季风爆发前后南海表层海温异常存在一个显著时空演变模态,4月南海全域海表温度异常几呈负位相态势,其中正值信号首先出现于巴拉望岛以西海域,随后逐步向西向北扩展,5月南海大部已被海表温异常正位相控制,6月南海表层海温异常完成负-正位相转换。分析表明,南海表层海温异常时空演变的年际差异与南海夏季风爆发的早晚存在显著相关。综合已有研究认为,南海海表温异常时空演变所形成的季节内尺度的热力差异(主要包含演进趋势、速度和幅度等)可能是影响南海夏季风爆发早晚的一个重要因子,据此建立了海表温温差异常指标,其对南海夏季风爆发早晚具有较好的反映能力。此外,南海海表温异常时空演变与南海暖池的变化紧密关联。相关分析还发现,南海夏季风爆发前期南海暖池与印度洋暖池的海表温差异常存在显著正相关关系,而与西太平洋暖池为负相关关系。南海海表温异常季节内演变在印-太暖池区海表热力格局及差异形成背景下或可通过影响大尺度经向和纬向环流而引发南海夏季风爆发早晚之年际异常。     

副热带东北太平洋海表温度异常的传递及与ENSO的联系

厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)现象是地球气候系统中最主要的年际变化信号之一,对其形成机制和预报的研究具有重要的理论和现实意义。本文基于ERSST v4海表面温度资料与NCEP/NCAR Reanalysis大气再分析资料,通过回归分析与合成分析等方法,研究了副热带东北太平洋海区海表面温度(sea surface temperature, SST)异常信号的传递机制及其与ENSO现象的联系。诊断结果表明,副热带东北太平洋SST异常与ENSO指数有很好的正相关关系。副热带东北太平洋SST异常的暖信号超前于ENSO指数约半年时间,通过风-蒸发-海温的反馈机制,沿东北-西南方向向赤道中太平洋缓慢传递。更进一步的数值实验显示,副热带东北太平洋的正SST异常信号的确可以影响大气环流场,使其西南方向的海面风速减弱,蒸发潜热通量减少,从而使信号向西南方向传递。     

ENSO事件次表层海温的两个模态及其对大气环流的影响

利用SODA海洋同化资料和NCEP再分析大气资料,分析了热带太平洋次表层海温异常(subsurfaceoceantemperatureanomaly,SOTA)与厄尔尼诺与南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)循环的联系,及SOTA对大气环流的影响。回顾传统ENSO研究,指出存在的问题,提出了ENSO影响大气研究的新思路,得到以下结果:(1)以SOTA为基本资料的研究发现, ENSO事件有两个模态,主要出现在冬季的第一模态对冬季及夏季亚洲-北太平洋-北美地区上空中高纬大气环流有重要影响,主要出现在夏季的第二模态对该地区上空夏季热带和副热带大气系统有重要作用。(2)ENSO事件通过与ENSO相联系的热带太平洋海面温度异常(ENSO-relatedseasurface temperatureanomaly,RSSTA)对大气的异常热通量输送,强迫Walker环流和Hadley环流变化,导致热带和北太平洋及周边地区上空大气环流异常,进而影响相关地区冬季和夏季的气候。(3)海表面温度异常(seasurfacetemperatureanomaly,SSTA)包含RSSTA和大气异常导致的海温变化(sea temperature anomaly caused by atmospheric anomaly, STA)两部分, RSSTA是ENSO事件过程中海洋内部热动力结构调整导致的海面温度变化,在海洋对大气的热输送过程中,它随ENSO事件演变不断更新;STA是大气受RSSTA海洋异常加热后导致的大气环流异常对海面温度的影响,在海洋浅表层STA对RSSTA有重大影响。本文最后讨论了ENSO事件期间热带海洋对大气热输送过程,指出ENSO事件通过海洋内部热动力结构调整产生RSSTA,它直接对大气异常加热,导致大气环流和气候异常,局地海气之间负反馈过程产生STA,反过来抑制RSSTA。结果还指出,人们常用的SSTA变率实际上主要由秋冬季节RSSTA主导,丢失了春夏季ENSO信息,用SSTA研究ENSO事件存在局限性,这也可能是ENSO事件春季预报障碍的原因之一。     

北太平洋局地海洋-大气相互作用的主模态

本文分析美国国家大气研究中心(NCAR)的CCM3-ML耦合模式100 a积分模拟结果,依据对该模式结果中SSTA与海面风异常的最大协方差分析,证实的确存在北太平洋局地大气影响海洋和海洋"反馈"大气的主模态;指出通过局地海洋-大气的相互作用,冬季马蹄型海温异常可以持续到夏季,冬季大气对马蹄形暖海温异常可能的响应为高压异常,春夏季对马蹄形暖海温异常可能的响应为低压异常。     

Effect of air-sea temperature difference on the momentum exchange between air and sea for fetch-limited cases

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｉｒ－ｓｅａ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｍｅｎｔｕｍ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｉｒ　ａｎｄ　ｓｅａ　ｆｏｒ　ｆｅｔｃｈ－ｌｉｍｉｔｅｄ　ｃａｓｅｓＣｈｅｎｇＺｈａｎａｎｄＷｕＳｈ...     

一个简单的印-太海气耦合模式

本文基于一层半海洋模式和SVD(Singular Value Decomposition)大气模式构建了一个简单的海气耦合模式, 引入热通量的作用, 分析ENSO影响热带印度洋地区的动力学和热力学耦合过程。其中, 使用统计大气模式, 由给定的SST(Sea Surface Temperature)异常得到风应力异常, 进而驱动海洋环流反馈给SST, 完成海气的动力耦合; 使用块体经验公式由SST异常和风场异常计算热通量异常, 直接作用于SST, 实现海气的热力学耦合。动力耦合实验揭示, 太平洋第一EOF(Empirical Orthogonal Functions) 模态与观测基本吻合。并且模拟Ni?o 3指数存在两年左右的谱峰周期。这说明, 海气动力学耦合是ENSO生成的主要因素。热力耦合的加入是为了考察ENSO影响热带印度洋的热力学效应。同时考虑动力和热力耦合的实验结果表明, 热带太平洋暖异常中心更加接近观测值, 热带印度洋出现海盆尺度海温正异常。这意味着热带太平洋的ENSO信号通过海气界面的热量交换实现对热带印度洋地区的遥强迫, 导致印度洋海盆尺度增暖。     

冬季不同背景风场下边界层云对东海黑潮锋的响应个例研究

为探究冬季不同背景风场下黑潮锋影响边界层云的机理,采用高分辨率卫星数据和再分析数据,研究了冬季海面背景风为垂直(西北风)和平行(东北风)东海黑潮海表面温度锋(黑潮锋)条件下,边界层云对黑潮锋的响应。结果表明:背景风垂直黑潮锋情况下,黑潮锋强迫的边界层内次级环流明显,黑潮锋暖水侧海面冷平流强,海气温差增大,海气界面潜热感热通量增大,海气界面不稳定性增大,产生上升运动,云底高度抬升。上升运动在边界层底向南北两侧辐散,在冷水侧产生下沉运动与500 hPa高压下沉叠加,使局地云量明显减少,形成晴空少云区(云洞)。在暖水侧以南的下沉支叠加云顶上的下沉运动和边界层退耦效应共同作用,产生另一个云洞。气压调整机制为次级环流产生的主要原因。背景风平行黑潮锋情况下,海面空气温度平流作用小,暖水侧海气温差较小,虽然海洋仍然加热大气,但海气界面不稳定较弱,湍流增强使云底高度抬升,垂直混合机制为该湍流增强的主要原因。     

全球大洋季节内尺度上海-气相互作用特征分析

判定局地海-气相互作用的特征对海-气耦合模式中应用哪种形式的“强迫模拟”具有重要指导作用。本文根据海表热通量异常与海表温度异常及海表温度变率之间的相关关系,对全球大洋季节内尺度上的海-气相互作用特征进行了综合分析。结果表明:(1)南、北半球亚热带地区海-气相互作用的特征主要表现为大气对海洋的强迫,且在夏季(北半球为6—8月,南半球为12—翌年2月)强迫作用的范围最大,冬季强迫作用的范围最小;(2)赤道中、东太平洋及赤道大西洋地区海-气相互作用的特征全年表现为海洋对大气的强迫,印度洋索马里沿岸、阿拉伯海以及孟加拉湾地区仅在6—8月表现出海洋强迫大气的现象,而孟加拉湾则在9—11月表现为大气强迫海洋;(3)45°N(S)以上的高纬度地区海表温度的异常和变率无法用局地热通量的交换来解释,这是因为该区域海表温度的变化主要由平流等海洋内部动力过程决定,因此海-气之间在季节内尺度上的相互作用不明显。在某些海区,季节内尺度上的海-气相互作用关系与季节以上时间尺度的这种关系可能会有明显不同。     

Preliminary study on decadal variations of EI Nino-associated adjustment in the tropical Pacific thermocline

Statistical analysis about ENSO index represented by SSTA in Nino3 with several datasets shows obviously decadal changes in the dominant period and amplitude of ENSO. Correlation analysis about the composite El Nino events before and after 1976 exhibits obviously decadal changes in the propagation and intensity of the oceanic anomaly related to the variation of SSTA in Nino3. In the composite El Nino before 1976, the coherence is relatively weak between the oceanic anomaly in the tropical Pacific and the SSTA in the Nino3 region; the area with significant correlation coefficient is relatively small; the oceanic anomaly related to Nino3 SSTA propagates faster. The above changes correspond well to the decadal changes of ENSO cycles. Some preliminary explanations are given based on the analysis of the decadal changes in the thermocline. The tropical thermocline shoals after 1976 except in the equatorial far East Pacific and the inclination of the tropical thermocline deep west and shallow east patterns wea     

Variability of sensible heat flux over the Bay of Bengal and its connection to Indian Ocean Dipole events

The Bay of Bengal (BOB) is known to possess complex thermodynamics which show distinct seasonal patterns. Surface heat fluxes in the BOB are very much dependant on upper ocean heat exchanges and wind. Sensible heat flux (SHF) is also one among those fluxes that depends on air-sea temperature difference and wind. However, this study further proves that a strong relationship exists between barrier layer thickness (BLT) and SHF variability that has not been focussed on in earlier literatures. This study also investigates the seasonal as well as inter-annual variability of SHF and its relationship with BLT and sea surface temperature (SST) patterns in more detail with statistical analyses. It is found that both SST and BLT are responsible for the evolution of SHF signal in the BOB although their effects are spatially distributed. During the post monsoon period, freshwater induced enhanced BLT is more related to SHF than the summer time when effect of SST is found to be dominant. During Indian Ocean Dipole (IOD) years, the correlation between SHF and BLT in the eastern BOB is more pronounced compared to SHF and SST. The western BOB however is dominated by SST variations for the respective IOD phase which also contribute to SHF signals there. Northernmost BOB shows high standard deviation due to river discharge effects.     

热带西太平洋大气气候基本态与厄尔尼诺期间赤道附近西风异常

利用合成分析的方法分析了自1961年以来观测到的8次厄尔尼诺事件中赤道西太平洋地区西风异常与大气气候基本态的关系,结果发现厄尔尼诺年赤道西太平洋地区西风异常具有和大气气候基本态相一致的季节变化特征.利用一个简单热带海-气耦合模式较好地模拟出了观测到的厄尔尼诺年赤道西太平洋地区西风异常的变化特征.对模式结果的分析表明,大气气候基本态对厄尔尼诺年赤道西太平洋地区西风异常的形成起重要作用,它是通过影响大气模式中的加热场来影响赤道西太平洋地区西风异常.大气模式中赤道太平洋地区的加热场的形成具有阶段性和地区性,在厄尔尼诺事件的初始阶段,大气气候基本态是大气模式中的加热场形成的主要因子,而在厄尔尼诺事件的发展和成熟阶段,赤道中东太平洋地区的海表温度异常(SSTA)是加热场形成的主要因子.模式模拟结果对大气气候基本态依赖的敏感性试验说明,在大气模式加热场中含有大气气候基本态的模拟中,沿中西太平洋赤道附近的纬向风异常表现出和观测类似的传播特征.     

海-气CO2通量实测数据通量计算中误差传递模拟与敏感性分析

海-气CO₂通量估算模型中参数的可靠性是决定模型可靠性的重要因素, 也决定了模型估算结果的可靠性, 因此开展海-气CO₂通量计算模型中误差传递规律与敏感性分析, 对模型参数端元因子的误差控制, 提高模型预测精度和降低不确定性十分重要。但由于模型中参数众多, 且各种参数间彼此相互影响, 使得误差传递过程与敏感性分析十分复杂困难。本文在海-气界面CO₂通量观测建模过程详细分析的基础上, 以海-气界面CO₂分压差的经典通量计算模型为基础, 以实测数据通量计算过程为例, 针对模型中的参数变量, 在假设参数变量的误差正态分布的前提下, 利用Monte Carlo手段分析各参数变量的误差在模型中的传递规律, 并将单因子扰动试验法用于海-气界面CO₂通量建模的参数敏感性分析。模拟和分析结果表明:CO₂通量计算过程中误差经模型传递后的分布规律存在正态分布、指数分布等多种形式;气体交换系数对通量计算结果的敏感性最大, 通量估算中的风速和表层海水温度是必须进行精度控制的关键参数。     

两类El Niño事件对中国近海及毗邻海域海表温度的影响

为研究东部型和中部型两类厄尔尼诺(El Ni?o)事件与中国近海海表温度(sea surface temperature,SST)变化间的联系,基于中国科学院大气物理研究所连续80年(1940—2019年)的SST再分析数据,采用EOF分解、合成分析等方法做了初步分析,发现中国近海及毗邻海域近80年SST变化与全球变暖密切相关。并且两类El Ni?o事件对中国近海SST变化的影响存在显著差异。东部型El Ni?o事件发展过程中,中国近海及毗邻海域SST在发展年主要为负异常,衰退期为正异常;中部型ElNi?o事件发展过程中, SST变化区域差异大,发展年日本附近海域为正异常, 28°N以南为弱的负异常。两类El Ni?o事件引发西太平洋风场反气旋涡的时间、位置与强度等的不同,是造成中国近海风场与海表温度异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)差异的主要原因。