与夏季北太平洋副热带中尺度海洋涡旋相联系的海气关系

采用高分辨率卫星和再分析资料,利用涡旋探测技术、滤波和合成分析等方法,对夏季北太平洋副热带地区中尺度海洋涡旋与大气的耦合关系进行了分析。结果表明:在日时间尺度上,海洋涡旋的海表温度（Sea SurfaceTemperature,简称SST）与海表风速之间不仅存在同位相的正相关关系,还存在反位相的负相关关系,即在涡旋这种中尺度上既存在海洋对大气的强迫,也存在大气对海洋的强迫。海表风速与SST同位相时,对暖（冷）涡来说,向上（下）的净热通量增强,云和降水增多（减少）;其海水温度异常和海流旋度较强,暖（冷）涡较为深厚,一定程度上表明了海洋对大气的强迫。海表风速与SST反位相时,对暖（冷）涡而言,当其处在正（负）位势高度异常、中低层相对湿度较小（大）、气温较高（低）的大气配置下,海表风速较小（大）;同时向下（上）净热通量增强,云和降水减少（增多）;涡旋海水温度异常和海流旋度较弱,这种暖（冷）涡较为浅薄;表明晴空（阴雨）条件下有利于暖（冷）涡的维持,一定程度上反映了大气对海洋的强迫作用。     

北太平洋冬季天气尺度涡旋的机理分析

利用1981~2013年NOAA（美国国家大气海洋管理局）海温资料和NCEP（美国环境预报中心）大气再分析资料,采用经验正交函数（EOF）分解方法对850 hPa瞬变高度场进行分解发现:850 hPa瞬变高度场经验正交函数分解的前两模态表征同一发展型波动的传播特征,该波动在日本以西形成然后向东发展,沿东偏北移动,在日界线附近发展达到最强,之后迅速向东北衰弱直至消亡,本文将其定义为西部型天气尺度涡旋（WSE）。合成分析表明,西部型天气尺度涡旋的强弱变化与北太平洋大范围的海温、副极地海洋锋异常存在密切联系,当西部型天气尺度涡旋活动偏强时,北太平洋北部和中部的海温显著偏冷,副热带地区海温显著偏暖,副极地海洋锋大大增强。同时,西部型天气尺度涡旋的强度与大气环流异常存在明显的协同变化,表现为西部型天气尺度涡旋偏强对应于阿留申低压增强且位置偏东,中纬度上空纬向西风增强。海洋和大气环流的这种变化增强了西北太平洋上空大气的斜压性,使得有效位能向扰动动能的转换增加,从而有利于西部型天气尺度涡旋的发展。     

Ocean mesoscale structure–induced air–sea interaction in a high-resolution coupled model

本文基于通用地球系统模式框架,建立了一个非常高分辨率准全球的耦合模式,其分量为涡分辨率海洋模式和高分辨率大气模式。利用这个模式,在现代气候条件下成功进行6年的试验,并根据高分辨率观测和再分析资料评估了试验结果。这个模式能够模拟大尺度大气海洋结构,海表面温度(SST)锋面,海洋涡旋动能,和风的细致结构。据此,仔细研究了海洋中尺度结构引起的海气相互作用特征。通过对比观测,这个模式很好再现了由中尺度结构引起的SST和风应力的正相关。同时,正相关在强海洋锋面和涡旋区域特别明显。在模拟中,风对中尺度扰动引起的SST的响应偏弱,但不同区域响应量值略有不同。伴随着风的响应偏弱,表面感热的响应被低估,而潜热的响应则被高估,高估原因是因为模式的边界层偏干。风对SST中尺度异常响应主要来自动量垂直混合和气压调整的综合作用。本研究对于中尺度海气相互作用的模拟提供了一些新的线索及对模式的改进提供科学依据。     

与冬季北太平洋大范围海温异常相联系的海气特征

采用1948—2014年NCEP/NCAR大气再分析资料以及延伸重建海温资料,基于大气海洋间不同的主导关系对冬季北太平洋大范围海温异常进行分类,探究其相应的海气结构特征。结果表明:1)大气影响海洋的个例多于海洋影响大气的个例,即在冬季北太平洋大气强迫海洋占主要地位,但也存在海洋对大气的反馈作用。2)对于大气影响海洋而言,SST(Sea Surface Temperature)暖异常区上空主要伴随着东北—西南走向的相当正压高低压异常(东北高西南低),对应东南风异常以及显著的深厚暖异常,表现出相当正压暖/脊结构,冷异常情况与此相反。SST异常为净热通量异常与风速异常共同作用引起。3)对于海洋影响大气而言,在SST暖异常区上空西部为南北向高低压异常(北高南低),东部为低压异常,对应偏东风异常。在SST冷异常区上空为偶极型的南北向高低压异常(南高北低),对应偏西风异常;位势高度异常表现出相当正压结构且较大气影响海洋时相对偏弱,大气暖(冷)温度异常比较浅薄且主要局限于对流层低层。4)海洋温度结构异常主要表现为,在大气影响海洋时海温异常由表层下传,海洋影响大气时为上下一致的温度异常。     

海表面盛行风背景下大气对黑潮海洋锋的响应特征

采用一系列高分辨率的卫星资料,应用高通滤波等方法,研究了春季不同海表面盛行风背景下,东海黑潮海洋锋区附近的海气关系。观测分析表明:在东海,春季3种不同海表面盛行风条件下海表面温度与海表面风速之间都存在明显的正相关关系,表现为海洋对大气的强迫作用。大气对海洋锋的响应在3种不同盛行风条件下也存在明显的差异。在西北盛行风和东南盛行风背景下,即当风向垂直于海洋锋由冷侧(暖侧)吹向暖侧(冷侧)时,海表面风的辐散(辐合)出现在海洋锋上空。同时,海洋锋对海平面气压(SLP)、降水和对流活动的影响较弱,表明大气对海洋锋的响应主要局限在大气边界层内。在东北盛行风背景下,即当风平行于海洋锋时,在海洋锋的暖(冷)水侧上空为海表面风的辐合(辐散),并与SLP的异常低(高)值相对应,主要雨带出现在黑潮暖舌上空。无论从总降水还是层云、对流降水频次的空间分布来看,盛行东北风时,海表面温度对其上雨带的影响最为明显。分析结果还表明,在不同盛行风背景下,海洋锋附近的海气关系由不同的物理机制在起主导作用。当盛行平行于海洋锋的东北风时,主要由SLP调整机制起作用;而盛行垂直于海洋锋的西北风时则主要由垂直混合机制起作用。     

海洋风暴形成的一种动力学机制

文中从观测统计学、瞬变涡动能量学和 MM5中尺度数值模拟角度 ,研究了海洋风暴 (爆发性气旋 )形成的气候特征及其可能的动力学机制 ,揭示了一幅爆发性发展的物理图像。结果表明 ,在冷季大气特别是日本以东洋面上大气特有的热力气候背景下 ,通过同海洋风暴过程相联系的涡动热通量 vθ的向极地输送 (- vθ· θm>0 ) ,将季节尺度的时间平均有效位能向瞬变涡旋时间尺度的涡动有效位能转换 ,是海洋风暴形成的主要动力机制。在该过程中转换来的具有最大贡献的涡动有效位能 ,连同具有次大贡献的积云加热制造的涡动有效位能(q3 )一起 ,通过暖异常区 (α >0 )暖湿空气上升运动 (-ω >0 )的斜压转换 (-ωα) ,促使涡动动能增长。同时 ,补充的涡动有效位能又加强了暖异常区的暖湿空气上升运动 ,进而产生积云对流活动及其潜热释放的正反馈过程 ,最终导致涡动动能急剧增长和海洋风暴的形成。海-气潜热输送的作用是在风暴形成初期提供后来积云尺度对流活动及潜热释放的水汽潜力。研究还表明 ,海洋风暴主要发生在冷季月份 1 3 0°E以东的中高纬洋面上 ,这种对特定季节和特定海域的依赖性是大气和海洋气候背景的动力 /热力共同作用的结果     

长江中下游梅雨期中小尺度涡旋族发生演变分析

利用密集的地面观测资料和高分辨率的中尺度数值模拟结果 ,分析了 1999年 6月 2 2日长江中下游地区的梅雨过程。分析发现 :暴雨过程是由排列于边界层中尺度辐合线上近乎同时产生的小扰动所致 ;涡旋扰动的初始动力条件和触发系统与边界层内的中尺度辐合和低压倒槽有关 ;随着涡旋中心降水量的增大 ,近地面γ中尺度涡旋扰动出现气旋式的辐散环流 ,导致涡旋在低层减弱 ,同时又促使相邻γ中尺度涡旋发展的涡旋族相互作用过程。     

北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联系

利用45年的ECMWF再分析资料,使用SVD方法研究了冬季北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态,探讨了大尺度海-气耦合型与天气尺度瞬变扰动的相互关系。分析结果表明,中纬度北太平洋地区冬季存在两种主要的海-气耦合型,第1种耦合型反映了与ENSO紧密相关的中纬度北太平洋冬季海温异常分布型以及大气的PNA型,第2种耦合型SST异常集中在东亚沿海以及中纬度北太平洋海流区,相应的大气场则为暖(冷)SSTA上空东西向带状区域内位势高度偏高(低),明显独立于ENSO型。进一步的合成分析表明,在第1种耦合型SST正(负)异常年里,冬季阿留申低压主体位置偏西南(东北),从东北亚到北美西海岸的西北—东南向带状区域内是低层大气温度正(负)异常区和高层西风负(正)异常区,西风负(正)异常中心位于西风急流出口处的北太平洋中东部,而西风急流主体区的风速变化很小。在第2种耦合型东亚沿海至中纬度北太平洋海流区SST偏暖(冷)时,阿留申低压整体偏弱(强),SST暖(冷)异常上空的大气温度偏暖(冷),高层西风急流区西风偏弱(强)。两种耦合型均显示出在北太平洋中纬度地区大气和海洋的异常相关中心有很好的空间对应性。在两种耦合型下,中纬度北太平洋冬季的大气斜压性也发生截然不同的改变,引起中纬度天气尺度瞬变扰动活动异常。瞬变扰动异常的动力强迫作用对北太平洋西风异常的形成存在正反馈作用,而其热力作用则试图破坏与两种海-气耦合模态相关的大气温度异常型。     

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。     

南海风生冷暖涡的数值模拟

利用美国普林斯顿大学海洋模式(POM)对风应力和海岸线共同作用下的南海冷暖涡生成机制进行了数值模拟.结果表明,风应力的作用总可在其下方的海洋中激发出与风应力旋转方向相同的直接涡旋.当地球自转参数f≠0时,通过埃克曼(Ekman)抽吸作用可在南海分别产生与反气旋性和气旋性海面风应力强迫相对应的暖涡和冷涡.如果f=0,风应力激发出的直接涡旋流更强,但均为冷性涡旋.β效应使激发出的海洋涡旋东西方向的非对称性增大,并且诱生出一个与直接涡旋反向的间接涡旋,两涡间的海流和海洋西边界流均增强.文中还对上述现象的机理进行了简要讨论.     

Atmospheric Response to Mesoscale Ocean Eddies over the South China Sea

The South China Sea(SCS) is an eddy-active area. Composite analyses based on 438 mesoscale ocean eddies during 2000–2012 revealed the status of the atmospheric boundary layer is influenced remarkably by such eddies. The results showed cold-core cyclonic(warm-core anticyclonic) eddies tend to cool(warm) the overlying atmosphere and cause surface winds to decelerate(accelerate). More than 5% of the total variance of turbulent heat fluxes, surface wind speed and evaporation rate are induced by mesoscale eddies. Furthermore, mesoscale eddies locally affect the columnar water vapor, cloud liquid water, and rain rate. Dynamical analyses indicated that both variations of atmospheric boundary layer stability and sea level pressure are responsible for atmospheric anomalies over mesoscale eddies. To reveal further details about the mechanisms of atmospheric responses to mesoscale eddies, atmospheric manifestations over a pair of cold and warm eddies in the southwestern SCS were simulated. Eddy-induced heat flux anomalies lead to changes in atmospheric stability. Thus, anomalous turbulence kinetic energy and friction velocity arise over the eddy dipole, which reduce(enhance) the vertical momentum transport over the cold(warm) eddy, resulting in the decrease(increase) of sea surface wind. Diagnoses of the model's momentum balance suggested that wind speed anomalies directly over the eddy dipole are dominated by vertical mixing terms within the atmospheric boundary layer, while wind anomalies on the edges of eddies are produced by atmospheric pressure gradient forces and atmospheric horizontal advection terms.     

On eddy diffusion profiles in oceanic bottom boundary layers associated with cold eddies and filaments

The oceanic bottom boundary-layer model of Weatherly and Martin (1978) is used to study the vertical structure of the eddy diffusivity in a region with initially imposed bottom mixed-layer thickness. Because of near-bottom oceanic features, such as the Cold Filament (Weatherly and Kelley, 1982) and cold eddies (Ebbesmeyer et al., 1988), the bottom mixed-layer thickness is not the sole result of boundary-layer mixing; this is the incentive for this study. For a given geostrophic forcing and imposed mixed-layer depth, a formula for the eddy diffusion coefficient is found. This parameterization of the eddy diffusivity improves previous formulas used in oceanic and atmospheric boundary layers in the upper portion of the boundary layer. A simple model of a Cold Filament-like feature demonstrates the structure of the bottom boundary layer, the bottom mixed layer, and the relation between the two. A lens-like cross section of cold blobs, often used in analytical models, may be inappropriate if bottom friction is important.     

Heat balance and eddies in the Peru-Chile current system

The Peru-Chile current System (PCS) is a region of persistent biases in global climate models. It has strong coastal upwelling, alongshore boundary currents, and mesoscale eddies. These oceanic phenomena provide essential heat transport to maintain a cool oceanic surface underneath the prevalent atmospheric stratus cloud deck, through a combination of mean circulation and eddy flux. We demonstrate these behaviors in a regional, quasi-equilibrium oceanic model that adequately resolves the mesoscale eddies with climatological forcing. The key result is that the atmospheric heating is large (>50 W m^?2) over a substantial strip >500 km wide off the coast of Peru, and the balancing lateral oceanic flux is much larger than provided by the offshore Ekman flux alone. The atmospheric heating is weaker and the coastally influenced strip is narrower off Chile, but again the Ekman flux is not sufficient for heat balance. The eddy contribution to the oceanic flux is substantial. Analysis of eddy properties shows strong surface temperature fronts and associated large vorticity, especially off Peru. Cyclonic eddies moderately dominate the surface layer, and anticyclonic eddies, originating from the nearshore poleward Peru-Chile Undercurrent (PCUC), dominate the subsurface, especially off Chile. The sensitivity of the PCS heat balance to equatorial intra-seasonal oscillations is found to be small. We demonstrate that forcing the regional model with a representative, coarse-resolution global reanalysis wind product has dramatic and deleterious consequences for the oceanic circulation and climate heat balance, the eddy heat flux in particular.     

Impacts of Increased SST Resolution on the North Pacific Storm Track in ERA-Interim

This study examines the artificial influence of increasing the SST resolution on the storm track over the North Pacific in ERA-Interim. Along with the mesoscale oceanic eddies and fronts resolved during the high-resolution-SST period, the low-level storm track strengthens northward, reaching more than 30% of the maximum values in the low-resolution-SST period after removing the influence of ENSO. The mesoscale structure firstly imprints on the marine atmospheric boundary layer, which then leads to changes in turbulent heat flux and near-surface convergence, forcing a secondary circulation into the free atmosphere, strengthening the vertical eddy heat, momentum and specific humidity fluxes, and contributing to the enhancement of the storm track. Results from a high-resolution atmospheric model further indicate the changes in the storm track due to the mesoscale SST and their relationship.     

Impacts of Oceanic Fronts and Eddies in the Kuroshio-Oyashio Extension Region on the Atmospheric General Circulation and Storm Track

This paper reviews the progress in our understanding of the atmospheric response to midlatitude oceanic fronts and eddies,emphasizing the Kuroshio-Oyashio Extension(KOE)region.Oceanic perturbations of interest consist of sharp oceanic fronts,temperature anomalies associated with mesoscale eddies,and to some extent even higher-frequency submesoscale variability.The focus is on the free atmosphere above the boundary layer.As the midlatitude atmosphere is dominated by vigorous transient eddy activity in the storm track,the response of both the time-mean flow and the storm track is assessed.The storm track response arguably overwhelms the mean-flow response and makes the latter hard to detect from observations.Oceanic frontal impacts on the mesoscale structures of individual synoptic storms are discussed,followed by the role of oceanic fronts in maintaining the storm track as a whole.KOE fronts exhibit significant decadal variability and can therefore presumably modulate the storm track.Relevant studies are summarized and intercompared.Current understanding has advanced greatly but is still subject to large uncertainties arising from inadequate data resolution and other factors.Recent modeling studies highlighted the importance of mesoscale eddies and probably even submesoscale processes in maintaining the storm track but confirmation and validation are still needed.Moreover,the atmospheric response can potentially provide a feedback mechanism for the North Pacific climate.By reviewing the above aspects,we envision that future research shall focus more upon the interaction between smaller-scale oceanic processes(fronts,eddies,submesoscale features)and atmospheric processes(fronts,extratropical cyclones etc.),in an integrated way,within the context of different climate background states.     

Effects of mesoscale sea-surface temperature fronts on the marine atmospheric boundary layer

A numerical modelling study is presented focusing on the effects of mesoscale sea-surface temperature (SST) variability on surface fluxes and the marine atmospheric boundary-layer structure. A basic scenario is examined having two regions of SST anomaly with alternating warm/cold or cold/warm water regions. Conditions upstream from the anomaly region have SST values equal to the ambient atmosphere temperature, creating an upstream neutrally stratified boundary layer. Downstream from the anomaly region the SST is also set to the ambient atmosphere value. When the warm anomaly is upstream from the cold anomaly, the downstream boundary layer exhibits a more complex structure because of convective forcing and mixed layer deepening upstream from the cold anomaly. An internal boundary layer forms over the cold anomaly in this case, generating two distinct layers over the downstream region. When the cold anomaly is upstream from the warm anomaly, mixing over the warm anomaly quickly destroys the shallow cold layer, yielding a more uniform downstream boundary-layer vertical structure compared with the warm-to- cold case. Analysis of the momentum budget indicates that turbulent momentum flux divergence dominates the velocity field tendency, with pressure forcing accounting for only about 20% of the changes in momentum. Parameterization of surface fluxes and boundary-layer structure at these scales would be very difficult because of their dependence on subgrid-scale SST spatial order. Simulations of similar flow over smaller scale fronts (<5 km) suggest that small-scale SST variability might be parameterized in mesoscale models by relating the effective heat flux to the strength of the SST variance.     

春季我国东部海洋温度锋区对大气的强迫作用及其机制研究

首先, 采用高分辨率的卫星资料研究了春季我国东部海区海洋锋区附近的海温与风场之间的关系, 资料分析表明海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 特别是在海洋锋强的年份, 这种正相关关系更明显。资料分析还表明春季是黄海、 东海海洋锋最强的季节, 海温与海表面风速的对应关系在春季尤为明显。然后, 采用一个高分辨率和先进物理方案的中尺度模式探讨了海洋影响大气的机制。控制试验再现了海洋锋区附近海温与海表面风速之间的正相关关系。模拟的边界层垂直结构说明海温能够明显改变锋区两侧边界层大气的稳定度和垂直混合的强弱, 证明了垂直混合机制的存在。而另一方面, 对控制试验和平滑海温试验的水平动量方程中各收支项的比较分析发现, 由于海洋锋的存在而产生的气压梯度力对穿越锋区的空气的加速也有相当重要的贡献。综合观测和模拟结果说明春季我国东部海区海洋温度锋区的海洋—大气相互作用过程中海洋对大气的影响非常明显, 在海洋影响大气的机理方面, 海平面气压调整机制和垂直混合机制都在起作用。     

冷暖事件对大气能量循环和纬向平均环流影响的模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室新发展的GOALS 5全球海 陆 气耦合模式研究了暖事件 (ElNi no)和冷事件 (LaNina)对大气能量循环和纬向平均环流的影响 ,并用观测资料进行了对比分析。结果表明 :对于纬向平均资料来说 ,冷、暖事件在热带和副热带地区的大气环流相关量的反相变化特征非常清晰 ,中高纬度地区并不明显。此外 ,还发现 ,暖事件时定常涡动的经向热通量的变化是北半球对流层热带外地区温度异常的主要原因 ,而瞬变波的影响则起抵消作用。冷事件时定常波和瞬变波相互抵消的局地特征也依然存在 ,但瞬变波的影响有所增强。     

一次层积云发展过程对黑潮延伸体海洋锋强迫的响应研究——观测与机制分析

由于缺乏海上现场观测,对天气尺度扰动下,海表面温度锋 (海洋锋) 对海洋大气边界层 (MABL) 垂直结构和MABL内海洋性低云 (marine stratus) 的影响研究较少。2014年4月12日,中国海洋大学东方红2号科学考察船在黑潮延伸体海区的海洋锋附近捕捉到一次层积云的迅速发展。在比较稳定的天气形势下,由暖水侧向北穿越海洋锋时,云底和云顶高度升高,云区范围迅速扩大。本文利用多种大气-海洋联合观测数据,结合卫星观测和再分析资料,对此次层积云迅速发展的机理进行了综合分析。结果表明,在海上低压后部西北风控制下,在海洋锋的暖水侧 (下风方) 形成热通量大值中心和低压槽,有助于高空西风动量下传,进而又使得海气界面热通量增加,这种正反馈效应为MABL内混合层厚度加大和云底/顶高度在海洋锋的下风方升高提供有利背景条件。4月12日09:00~12:00(协调世界时),来自日本本州岛陆地的低空暖平流到达该热通量中心上空,暖平流与热通量中心的共同作用,导致该时段近海面暖中心强度异常增加,MABL中静力不稳定层加深和低压槽发展,综合作用的结果使得混合层厚度明显加深,云底高度升高,云区迅速发展。本研究有助于理解在复杂大气背景扰动下MABL对海洋强迫的响应机理。