热带海表风速与海表温度日变化关系分析

星载可见光/红外仪器因其波长缺乏穿透云的能力,只能观测到云顶及其下部有限深度的信息,而星载被动微波仪器则因其波长较长,具有穿透云的能力而能获得云体信息,因此星载被动微波仪器较可见光/红外仪器观测云和降水更具有优势。自20世纪70年代末至今,美国投入了大量星载被动微波仪器,服务于天气预报等领域,促进了云和降水等参数的被动微波遥感反演算法的快速发展。本文聚焦星载被动微波遥感反演洋面云液态水研究的进展,旨在提升我国的星载被动微波仪器遥感应用能力。文章首先简介了几种微波辐射传输模式形式,其次介绍了被动微波通道（频率）对洋面参数和云液态水的敏感性研究,然后介绍了被动微波反演洋面云液态水的统计反演算法、物理反演算法、物理与统计相结合的反演算法、被动微波多通道多参数的同步反演算法、被动微波与可见光/红外相结合的反演算法,最后探讨了未来该领域研究的发展方向。

     

西北太平洋热带气旋源地变化特征及与局地海表温度的关系

为提高热带气旋的短期气候预测水平,利用1950-2005年西北太平洋热带气旋(TC)和表层水温(SST)资料,分析了西北太平洋TC生成位置分布的一般气候特征,季节、年际变化特征及其与局地SST之间的关系,同时还探讨了TC强度、路径与TC生成位置之间的关系.结果表明,西北太平洋存在4个TC高频源地,分别是南海中北部偏东洋面、菲律宾以东附近洋面、关岛附近洋面和马绍尔群岛附近洋面,其中关岛附近洋面TC发生数最多,是TC发生的一个主要源地.TC生成位置分布存在显著的季节和年际变化特征,这种变化与局地SST存在密切的关系,局地SST升高,TC生成位置偏西、偏北,反之,则偏东、偏南.同时发现,TC生成位置西北边界与月平均SST的27.5℃等温线具有较好的匹配关系,绝大多数TC都发生在月平均SST≥27.5℃的海区.TC强度、路径与TC生成位置之间存在一定的关系.TC生成位置偏东偏南,其发展强度相对较强,路径偏东偏南,可导致影响我国南部海区和日本东部沿海的TC个数增加;TC生成位置偏西偏北,其发展强度相对较弱,路径偏西北,可导致影响我国东部和北部沿海的TC个数增加.     

热带西太平洋海表温度长期变化的特殊性

揭示了５０年代以来热带三大洋海表温度（ＳＳＴ）长期变化的两个基本构成（线性增温及Ｅｌ Ｎｉｎｏ－Ｌａ Ｎｉｎａ振荡）,并比较了它们在三大洋中的典型程度。在此基础上重点分析了热带太平洋西、中、东部ＳＳＴ长期变化的差异,指出热带西太平洋ＳＳＴ长期变化中Ｅｌ Ｎｉｎｏ－Ｌａ Ｎｉｎａ振荡相对较弱,线性增温趋势被年代际强弱振荡代替。     

西北太平洋热带气旋频数变化特征及其与海表温度关系的进一步研究

根据西北太平洋56年(1949—2004年)热带气旋系列资料,分析了不同级别的热带气旋频数多年变化的统计特征及其与太平洋海表温度(SST)的关系。结果表明: 西北太平洋热带气旋频数主要的变化特征是年际和年代际变化,不同等级的热带气旋频数变化特征存在差异,但就变化趋势而言随时间减少,均无明显因全球增暖导致的热带气旋增加的现象。对不同海区分别讨论SST对热带气旋的影响,从存在的超前滞后相关发现赤道东太平洋SST负异常会引起更多的热带气旋频数,而且强度越大的热带气旋受到海温的影响越早;更多的热带气旋频数又会引起西北太平洋的SST负异常,热带气旋强度越大产生负异常的周期越短;北太平洋中部的SST与热带气旋的频数存在较好的正相关关系。这些关系体现了热带气旋强涡旋风场导致局地海洋上层混合作用和太平洋海气耦合经向模态对热带气旋的影响。     

热带印度洋春季海表温度异常与南海夏季风强度变化的关系

利用50年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋春季海温异常对南海夏季风强度变化的影响。结果表明:1)热带印度洋春季海表温度距平(SSTA)的模态主要是全区一致型(USBM)和热带南印度洋偶极型(SIODM),USBM模态既有年际时间尺度的变化特征,又有年际以上时间尺度的变化特征,既包含有对冬季ENSO信号响应的变化特征,又有独立于ENSO的变化特征;SIODM模态主要表现为独立于ENSO的年际时间尺度变化。2)USBM模态与南海夏季风强度变化呈显著负相关关系,且二者都是对冬季ENSO信号的响应,USBM模态的年际变化不能独立于ENSO信号影响南海夏季风的强度变化。3)经(1~8年)带通滤波及去除ENSO信号的热带印度洋春季SSTA的SIODM型分布是影响南海夏季风强度变化的主要模态,表现为热带东南印度洋为负(正)、其他海区为正(负)时,南海夏季风强度增强(减弱),大气环流对热带东南印度洋SSTA热力作用的响应是造成这一关系的直接原因,SIODM型的SSTA分布与南海夏季风年际异常关系在热带印度洋长期变化趋势的暖位相期显著,在长期变化趋势的冷位相期不显著。     

热带风场季内振荡强度与海表温度异常关系研究

利用NCEP/NCAR逐日风场及英国气象局逐月海表温度资料,研究了对流层高低层风场季内振荡强度季节变化特征,探讨了其年际及年代际异常特征与海表温度异常的关系。热带印度洋、热带西太平洋是高低层风场季内振荡终年均活跃的区域。对流层高低层风场季内振荡强度异常与海表温度异常均不存在确定的局地关系。风场季内振荡能量异常与海表温度异常在年代际尺度上具有良好对应关系,20世纪70年代中后期以来,赤道东太平洋海温异常升高,Walker环流减弱,导致亚洲区域季风季内振荡强度减弱,赤道太平洋区域200hPa（850hPa）风场季内振荡在赤道东太平洋增强（减弱）,在印度洋东南部—印尼—中西太平洋的暖池区域减弱（增强）,促进了ElNino事件的增强。对流层高低层风场季内振荡强度年际异常与ElNino事件关系密切,这一特征在低层（850hPa）风场表现更显著。在事件发展初期,热带中西太平洋区域850hPa风场季内振荡异常增强并东移,事件发生之后这些区域能量减弱。大气季内振荡可能是ElNino事件的激发因素。     

热带太平洋海表温度年际变化对降水季节内振荡的影响

根据 １９８２—１９９２年期间的日平均 ＭＳＵ（Ｓｐｅｎｃｅｒ, １９９３）海洋降水和 ５天平均的ＣＭＡＰ（Ｘｉｅ＆ Ａｒｋｉｎ, １９９７）降水观测资料,分析了热带太平洋大气季节内振荡（ＭＪＯ）的年际变化特征。在太平洋海表温度（ＳＳＴ）年际变化的正常年份（１９８２—８３年, １９８６—８８年, １９９１—９２年）,均有明显的ＭＪＯ信号传到日界线以东并在中、东太平洋维持数月。热带ＭＪＯ活动强度的年际变化与局地ＳＳＴ的变化存在正相关。中、东太平洋降水的季节内振荡的年际变化与热带太平洋ＳＳＴ的最强正相关在Ｎｉｎｏ３区附近。以观测ＳＳＴ场强迫ＣＣＭ３大气模式的数值试验基本上真实地再现了１１年期间热带太平洋降水季节内振荡的年际变化总趋势,但模拟季节内振荡的强度较观测平均偏弱。对比分别采用周平均和月平均ＳＳＴ强迫场的积分结果,发现在中、东太平洋,二个积分模拟的降水季节内振荡强度的年际变化接近并且趋势与观测基本一致,而在西太平洋二个积分的模拟结果差别较大。这表明在热带中、东太平洋,ＳＳＴ强迫的年际变化对ＭＪＯ强度的变化有强的制约。而在ＭＪＯ总体活跃的热带西太平洋,ＳＳＴ强迫场的季节变化对模拟ＭＪＯ活动也有较大影响。ＣＣＭ３模拟     

热带对流季内振荡强度异常特征及其与海表温度的关系

利用外逸长波辐射 (outgoing longwave radiation, OLR) 资料分析了热带对流季内振荡 (ISO) 强度的季节变化及年际异常特征, 重点研究其与海表温度的关系。结果表明:最强的OLR季内振荡主要位于高海表温度 (SST) 区, 即热带印度洋和热带西太平洋区域, 终年存在, 冬、春季最强, 振荡中心偏于夏半球。OLR季内振荡强度年际异常显著区域是热带中东太平洋区域、西北太平洋区域和西南太平洋区域, 它与SST年际异常存在局地正相关关系, 伴随环流的辐合辐散, 并与ENSO事件关系密切。另外, El Ni?o事件发生之前, 热带印度洋和热带西太平区域OLR季内振荡增强, 其中心随事件的发展逐渐东移, 事件发生后这两个区域ISO减弱, 这与OLR季内振荡强度年际异常显著的区域具有内在连贯性。海表温度是决定OLR季内振荡强度季节变化、年际异常的一个关键因子。     

SST日变化对西太平洋暖池海表热通量季节内变化的影响

基于利用日最大太阳辐射、日平均海面风和日降水量近似计算海表温度(SST)日变化的振幅的方法，发展了一个计算SST日循环的参数化方案。利用周平均SST强迫美国国家大气研究中心(NCAR)的CCM3大气模式进行了有、无考虑SST日变化的比较试验。热带海洋与全球大气计划之耦合海气响应实验(TOGA COARE)的强化观测期间IMET浮标的逐时海表观测资料不仅验证了该参数化方案的合理性，也表明了利用参数化方案对强迫场SST迭加日变化使CCM3较真实地模拟出西太平洋暖池海表热通量的季节内变化的位相结构。     

华西秋雨与海表温度的关系

利用1951-2011年华西地区25个测站逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA ERSST海表温度资料,分析了影响华西秋雨降水异常的环流场特征,并探讨了华西秋雨变化与海表温度的联系。研究表明:多雨期(少雨期)东亚500 h Pa高度距平场呈东高西低(西高东低)态势,西太平洋副高东退(西伸);700 h Pa风矢量合成分析亦表明,典型多雨年华西地区位于反气旋后部,盛行偏南气流,水汽供应充足。赤道西太平洋以及赤道中太平洋海域是影响华西秋雨异常变化的关键海区,该海区夏季海表温度变化可以作为华西地区秋季降水变化的预测指标之一。     

1958—2001年全球海域海表风速变化趋势

基于ECMWF的ERA-40海表10m风场,对1958—2001年全球海表风速的变化趋势进行分析,主要分析了整体变化趋势、变化趋势的季节性差异、区域性差异、变化周期。结果表明:①近44年期间,全球海域海表风速整体上以0.0067m·s-1·a-1的速度显著性逐年线性递增。1958—1975年全球海域的海表风速变化较为平缓,1975—1983年递增趋势较为强劲,年平均海表风速的峰值出现在1999年,波谷出现在1975年。②全球海表风速的变化趋势表现出较大的区域性差异。递增趋势明显的区域主要分布于:南极、热带大西洋海域、北太平洋西风带海域、印度洋中低纬度海域、南半球60°S附近大面积带状海域;呈显著性逐年递减的区域主要分布于:赤道中东太平洋、胡安·费尔南德斯群岛附近海域、南大西洋西风带的中部海域,以及一些零星海域。③全球海表风速的变化趋势表现出较大的季节性差异。在各月均表现出显著的线性递增趋势,以1月的递增趋势最为强劲,达到0.0103m·s-1·a-1,7月的递增趋势弱于其余月份,约0.0033m·s-1·a-1。④全球海域海表风速存在明显的2.2~4.3年变化周期,以及6.5年以上长周期震荡。     

Vanishing Horizontal Sea Surface Temperature Gradients at Low Wind Speeds

Sea surface temperature (SST) is a result of multiple interactions in air-sea processes. During days with strong insolation and low wind speed, there may be uneven net heating of the water layer near the surface of the ocean, when there are horizontal temperature gradients at the sea surface. Cooling of the water caused by evaporation, sensible, or longwave radiative, heat loss would be greater from warm water compared to that from relatively cold water. As a result, under low wind speed conditions and clear skies, the horizontal SST discontinuities, occurring at fronts, eddies, or in storm wakes, may diminish or even vanish. This phenomenon is illustrated here with some field and modelling results. The dependence on latitude and mean environmental conditions of the difference in warming on the cold and warm side of SST discontinuities is explored. The time dependence is important for the impact on remote sensing of SST, and it is found to be short enough that substantial masking of SST gradients can occur during the first six hours of the diurnal heating cycle, but the effect would continue to grow if calm and solar heating persist for several subsequent days. An integrated effect of this uneven net heating is seen in the seasonal masking of subsurface temperature gradients in the Gulf of Mexico and Florida Straits.     

海面热带气旋域内风速分布

在原始方程中引入藤田气压模式、最大风速半径和风向内偏角等因子,经过合理的简化,推导出了适合计算海面热带气旋域内风速分布的公式。检验表明,该方法的计算结果与强、弱、西行或北上转向型的热带气旋的观测风场基本相符,对环境气压受副热带高压明显影响的热带气旋风场的计算效果尤好。     

热带气旋海面最大风速半径的计算

利用含有摩擦的平面极坐标水平运动方程组, 引入藤田气压模式, 在热带气旋域内最大风速为已知的条件下, 经过合理的简化和推导, 得到了呈稳定状态的海面移动非对称热带气旋的最大风速半径的计算方案。分析结果表明, 当最大风速越小、中心气压越低、环境温度和气压越高、纬度越低或摩擦系数越小时, 热带气旋的最大风速半径就越大;反之, 最大风速半径就越小。最大风速和它半径上的最小风向内偏角出现在热带气旋移向的右后侧。对9109号和9115号热带气旋的计算表明, 最大风速半径在发展初期增加, 在发展后期减小, 而在衰减期迅速增加。     

热带气旋“苏迪罗”（2015）海上活动时段降水物理过程模拟诊断研究——海表温度敏感性试验

利用WRF模式,在前期工作（王晓慧等,2018）模拟试验基础上,设计敏感性试验,借助三维降水诊断方程,分析揭示了海表温度（SST）变化对热带气旋（TC）“苏迪罗”（2015）海上活动时段降水物理过程的可能影响。对照试验（CTL试验:SST随时间变化）和敏感性试验（SNC试验:SST固定为初始值）的SST存在明显差异（CTL试验平均SST低于SNC试验）。对比分析表明:两试验模拟的海上时段TC路径差异不大,但SNC试验模拟的TC强度较CTL试验偏强;TC环流区域内,两试验垂直速度差值在对流层基本为正（SNC试验上升运动更强）,随着SST差值不断增大,垂直运动差值也不断加大;SNC试验的降水强度（P_S）大于CTL试验,但P_S差值随SST差值增大并非线性变化,体现了P_S变化的复杂性;SNC试验的Q_WVA（垂直积分的三维水汽通量辐合/辐散率）均基本大于CTL试验（后期差别更大）,SST的不同可通过影响垂直运动,造成Q_WVA的差异,进而影响P_S;分析时段内,两试验TC环流区域大气均持续变干（正值Q_WVL）,且存在较明显海面蒸发（正值Q_WVE）,其中,两试验之间的Q_WVL差异不明显,但SNC试验的Q_WVE总体上强于CTL试验（尤其是分析时段中后期）;两试验间云相关过程变率差异的时间变化复杂,最大差异量级与Q_WVE相当;SST对水凝物发展和深对流活动有一定影响,伴随SST差异的逐渐增大,水凝物含量差异也逐渐增大,液相水凝物中,雨滴差异较大,而与液相水凝物相比,冰相水凝物差异更为突出,尤其是较大的冰相粒子（雪和霰）;SNC试验中,零度层下更多的霰粒子和雨滴,在更强上升运动配合下,有助于云滴和雨滴碰并（P_racw）及霰粒子融化（P_gmlt）微物理过程的加强,进而造成更强降水。TC环流区域时间和空间平均的物理量对比分析揭示,两试验降水物理过程定性上基本相似,但定量上存在明显不同,SNC试验的P_S与CTL试验相比,增幅达8.8%,这种差异主要源于降水宏、微观物理过程的差异,其中,不同SST环境下Q_WVE的差异最为显著。     

台风强度模拟的海温目标观测研究

根据非线性强迫奇异向量(NFSV)型海温(SST)强迫误差识别的敏感性特征,通过观测系统模拟试验(OSSE)确定了12个热带气旋(TC)的强度模拟的海温目标观测最优布局。NFSV型SST强迫误差敏感区一般沿着台风移动路径,主要位于台风快速增强阶段。结果表明,在NFSV型SST强迫目标观测敏感区内以90km间隔加密海温观测,这些额外观测能够更加有效地改善TC强度的模拟技巧;与空间范围更大的非敏感区相比,在NFSV型SST强迫目标观测敏感区内进行目标观测,能够更加有效地改进TC强度的模拟能力,而当非敏感区内的局地观测区域逐步接近目标观测敏感区时,该局地区域的加密观测对TC强度模拟改善程度也逐步提高。进一步研究表明,上述目标观测对台风强度模拟水平的改善尤以NFSV型SST强迫误差大值区所对应的TC快速增强阶段最为明显。所以,在由NFSV型SST强迫误差确定的目标观测敏感区和敏感时段内加密观测,对台风强度模拟能力的提高最有效,而且在敏感区内以合适的间隔实施外场观测是最经济的观测策略。     

中国周边海域海面温度日变化对区域气候的影响

利用区域气候模式,分别以逐时海面温度(sea surface temperature, SST)数据及逐日SST数据作为模式的海表温度进行强迫,开展了1991～2010年共计20年的数值模拟,探讨SST日变化对中国区域气候变化的影响。对比结果表明,两组试验均能合理地再现中国区域气候的主要气候态特征。同时发现,两组试验模拟的气候特征在我国沿海区域以及近海洋面上存在明显差异:考虑SST日变化之后,2 m气温和感热通量差异呈现夏季(冬季)升高(降低)为主的趋势;潜热通量则与之相反;低层风场差异在夏季以海洋吹向大陆的东南风为主,冬季则以陆面吹向海洋的西北风差异为主;另外,水汽输送差异呈气旋式(反气旋式)时,降水出现正差异(负差异)。SST日变化对上述气候因子的影响在夏季更为显著。     

Diurnal Variation of Meteorological Parameters in the Land Surface Interface

A pilot land surface processes experiment was conducted at Anand, Gujarat, situated in the western part of India, from April to July 1995. The diurnal variation of air and soil temperature with respect to solar radiation was studied in two selected periods, one in summer and the other during monsoon. It was observed that during summer, there was a considerable lag in the temperature maxima with respect to solar radiation, as compared to the monsoon period. Also, in summer, when there was an increase in wind speed from near zero values in the early morning hours, the soil surface as well as the air temperature minima were raised.