一次黑潮海洋锋强迫下的蒸发波导突变性与非均匀性的观测与模拟研究

蒸发波导是影响海上雷达系统探测性能的主导机制,海表温度（SST）锋带来的蒸发波导非均匀性和突变性具有重要的研究价值。2018年春季航次“海气相互作用观测试验”,曾两次穿越黑潮海域获取了珍贵的观测资料。在此基础上,结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析资料（ERA-Interim）和HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectories）气块轨迹溯源,分离出两个重要的走航观测时段。S1段（持续约21 h）气流从暖海水区吹向冷海水区,以稳定层结为主,其间因黑潮海洋锋的存在,气流由黑潮主体的暖水区吹向大陆冷海区时,形成具有强逆温层的海洋边界层,并伴随海雾的生成,导致此处蒸发波导高度突降为0。此后为持续近66 h的S2段,气流由冷海水区吹向暖海水区,以近中性弱不稳定层结为主,蒸发波导高度基本维持在12 m高度。数值模拟结果表明,模拟时段内的黑潮海洋锋区,蒸发波导高度突变性和非均匀性始终存在,且伴随暖海水吹向冷海水的锋区突变性更强。黑潮海洋锋对蒸发波导的这种天气尺度强迫作用的加强与层结稳定度的突变和海雾的生成有关。      

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。     

亲潮延伸体海区一次海雾过程的观测研究

西北太平洋是全球海雾最多的海域,但由于观测资料匮乏,对开阔大洋上海雾形成机理的个例研究很少。2019年9月12—14日,中国北极科考船“向阳红01号”在亲潮延伸体水域捕捉到一次海雾事件。主要利用船载观测数据,分析了海雾形成的物理过程。结果表明,这是一次温带气旋的暖锋和局地海洋锋(海面温度锋)共同影响下的海雾过程。伴随暖锋的偏南气流将暖湿空气向北输送,在亲潮延伸体区,海面空气增湿效应大于增温效应,导致相对湿度不断增加接近饱和。北上暖空气遇到较冷水域上空的冷空气团,向上爬升形成大范围锋面逆温;局地海洋锋强迫出大气边界层内的次级环流,其下沉支使该锋面逆温层底的高度进一步降低,有利于雾滴局限在近海面成雾,雾区出现于暖锋锋面过后局地海洋锋的冷水侧。这项研究明确了海雾形成过程中作为背景环流的大气暖锋与作为局地强迫项的海洋锋的贡献,可为海雾预报提供新的理论支撑。     

大气对黑潮延伸区中尺度海洋涡旋的响应——冬季暖、冷涡个例分析

采用动态合成、带通滤波等方法,通过对冬季黑潮延伸区暖、冷两个中尺度海洋涡旋的分析,研究了大气对中尺度海洋涡旋的响应特征。结果表明,海表温度（SST）与近海面风速的正相关关系在涡旋的动态合成图上清晰可见,暖（冷）涡上空对应10 m风速的极大（小）值,即海洋对大气的强迫作用在日时间尺度上表现显著;SST高低值中心基本对应10 m风无辐散区,暖（冷）涡上空为异常正（负）涡度分布;暖（冷）涡上空潜热、感热通量增大（减小）,降低（增大）大气稳定度,从而加强（减弱）边界层垂直混合作用,使得海洋大气边界层增厚（变薄）。暖（冷）涡旋上空对应摩擦速度极大（小）值,反映了湍流粘性力在高（低）海温中心增大（减小）的特征,表明动量垂直混合机制在中小尺度海气相互作用中起着主要作用。中尺度海洋涡旋能够影响大气瞬变扰动,大气瞬变扰动强度在暖（冷）涡下游上空出现极大（小）值,该影响不仅表现在海洋大气边界层,在自由大气中低层也有较为清晰的反映。此外,从能量转换的角度入手,发现斜压能量转换在中尺度海洋涡旋影响大气瞬变扰动强度中贡献明显。     

冬季黑潮延伸体海区海洋锋强度变化及其与北太平洋风暴轴的关系

利用英国哈德莱中心（Hadley Center）1949~2014年表层海温资料,将黑潮延伸体海区海温经向梯度的大值区域的平均值定义为黑潮延伸体及其北部海洋锋强度指数（KEFI）,利用数据分析方法研究了各季节KEFI的变化特征及其与北太平洋风暴轴的关系。分析表明,各季节的KEFI存在明显的年际和年代际变化特征,同时在冬季与北太平洋瞬时方差有显著正相关,两者在风暴轴主体位置的相关性最为显著,并且这种相关性在KEFI超前一个月时就所显现,同时对后期风暴轴也有一定影响,即冬季黑潮延伸体海区海洋锋的强度会影响风暴轴区域瞬时方差的变化。之后主要分析了这种影响的可能机制,发现在冬季KEFI高值年,由于海洋锋两侧的热量输送差异更加明显,导致海洋锋附近的近表面气温经向梯度增强,维持了近表面的斜压性,促进涡动热量的向极输送和海洋锋南侧的向上输送,有利于瞬时涡旋的发展。另外大尺度环流场与冬季黑潮延伸体海洋锋也有关系,具体表现为,在海洋锋强年,阿留申低压加深,副热带高压略有加强,对应的对流层低层位势高度场在40°N以北有负变高,以南有正变高,同时高空极锋急流加强,副热带西风急流减弱加宽北抬,海洋锋偏弱年的变化则相反。因此,冬季黑潮延伸体及其北部的海洋锋主要通过两侧海表热量输送差异不断产生气温梯度,进而维持斜压性以促进上层风暴轴的发展。     

春季东海黑潮锋影响强对流的个例分析

利用卫星观测和再分析资料,研究了2018 年 4 月 30 日东海黑潮海面温度锋(黑潮锋)影响低云突破边界层发展为对流云团,并导致强降水的过程。结果表明：(1)29 日 12 时东海 500 hPa 上受短波槽控制,低空处于高低压之间的偏南气流中;黑潮锋大气边界层稳定,有利于低云发展。 (2)黑潮锋的暖水侧向大气不断输送热量和水汽,稳定性减弱;而冷水侧对大气的冷却作用显著, 大气稳定性增加。(3)经过约12 h 的调整,黑潮锋通过垂直混合机制强迫表层风速发生变化,在黑潮锋上空形成风速辐合,叠加背景辐合场,导致辐合明显增强。(4)受平流效应影响,黑潮锋上空大气增湿增温,抬升凝结高度降低。(5)潜热释放与低空辐合之间形成正反馈,最终导致对流云团发展,降水强度显著增强。     

一次阵风锋的观测实例和分析

应用多普勒雷达观测资料和自动气象站资料,对2007年7月31目发生在陕西中部一次阵风锋天气过程分析,结果表明：阵风锋的强度为15-25dBz,生命史可达3h以上;阵风锋上有风向和（或）风速的辐合;阵风锋一般都对应边界层的弱辐合线,弱辐合线的演变与对流风暴和阵风锋的发生、发展、消亡密切相关;阵风锋过境时无降水产生,但会引起阵风涌升和产生灾害性大风;阵风锋可以作为未来目标区域大风预警的重要参考指标;阵风锋是触发新对流的因子之一。     

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。     

我国东部海洋温度锋区对大气的强迫作用——季节变化

采用一系列高分辨率的卫星资料研究了我国东部海区的海洋温度锋对局地大气的强迫作用及其季节变化。分析表明, 当春季海洋锋增强时, 海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 并且在海洋锋的暖 (冷) 侧形成海表风的辐合 (辐散), 表现为海洋对大气的强迫作用。海温对表面风场的影响程度与海洋锋的强度成正比, 春季影响程度最大, 夏、秋季最小。海洋锋对其附近的总降水、对流、层云降水均有影响, 尤其在春季海洋锋暖侧的降水强度增大, 对流降水的频次增多, "雨顶" 高度也有明显的抬升。暖流对大气的影响不仅局限在边界层, 其影响可达整个对流层。另外, 分析发现对流降水对海温的响应比层云降水更加敏感。研究还表明, 暖流上空高、低云呈现相反的年循环特点, 冬季多0.5~2 km的边界层云, 夏季多云底在10 km以上的高云。深对流云集中出现在3~6月, 从冬季到初夏, 30%以上的云量中心抬高了接近8 km。春季和初夏在海洋锋的暖侧频繁地出现深对流活动。     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

Observations Of A Progressive Warm-Fresh Oceanic Front and A Cool-Moist Atmospheric Front At Duck, North Carolina

This paper presents a unique set of observations of nearlycoincident and progressive oceanic and marine atmospheric boundary-layer (MABL) fronts in a coastal zone. The event was observed during the afternoon of 12 May 1996 at the United States Army Corps of Engineers, Coastal Engineering Research Center, Field Research Facility pier at Duck, North Carolina. The oceanic front was warm and fresh. Current variabilityaccompanied the oceanic front. A marked MABL front preceded the oceanic front by several minutes and had characteristics of a sea-breezefront. This MABL front separated warmer and dryer pre-frontal air from cooler and moister post-frontal air. Wind direction and wind speedvariability accompanied the MABL front. The sea-surface roughness signatures of both fronts were detected by an X-band pulsed Doppler radar. Supporting data are used to identify each front detected by the radar and to calculate each front's velocity. In an attempt to explain the sea-surface roughness variations associated with each front, the radar data are compared to corresponding variations in wind speed, wind direction, and air-sea temperature difference.     

黑潮延伸体区域海表温度锋的季节变化对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度(SST)资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,本文分析了黑潮延伸体区域海表温度锋的变化对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,黑潮延伸体区域海表温度锋位置的季节变化很弱,而其强度的变化则非常显著,北太平洋风暴轴强度与海表温度锋强度具有一致的协同变化。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度最强,增强了其上空大气的斜压性,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均在黑潮延伸体区域显著增加,斜压涡旋在此区域生成更加频繁,在随西风向下游运动过程中不断从背景平均流中获得能量,从而导致北太平洋风暴轴增强,且将其中心轴线固定在黑潮延伸体区域上空,而夏季黑潮延伸体区域海表温度锋强度非常弱,其上空大气斜压性减弱,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均显著减少,斜压涡旋在此区域生成减少,导致北太平洋风暴轴减弱,且中心移至太平洋中部,位置偏北。     

A Sensitivity Study Of The Subtropical Ocean Surface Energy Balance To The Parameterization Of Precipitation From Stratocumulus Clouds

In the `First Lagrangian' of the Atlantic Stratocumulus Experiment(ASTEX), a cloudy air mass was tracked as it was advected by thetrade winds toward higher sea surface temperatures. In this study,a full diurnal cycle observed during this experiment is simulated andthe impact of the precipitation parameterization is examined. The modelwe use is the one dimensional version of the hydrostatic primitiveequation model MAR (Modéle Atmosphérique Régional) developed at the Université catholique de Louvain (UCL).It includes an E- turbulence closure, a wide-band formulationof the radiative transfer, and a parameterized microphysical schemeallowing partial condensation. The model realistically reproducesthe diurnal clearing of the cloud layer as well as the formation ofcumulus clouds under the stratocumulus deck. Nevertheless, as thesurface warms and the boundary layer becomes more convective,the simulation progressively differs from the observed evolution.Further experiments are carried out with different precipitationparameterizations commonly used in mesoscale modelsand general circulation models (GCMs).A strong sensitivity of the simulated liquid water path evolution isfound. The impact on the surface energy flux and the solar fluxreflected by the cloud is also examined. For both fluxes averagedover 24 hours, differences as large as 20 W m^-2 are obtainedbetween the various simulations. Low cloudiness covers large areasover the ocean and such errors on the reflected solar flux may stronglyaffect the Earth's radiative budget in GCM simulations. We estimatethat the impact on the globally averaged outgoing solar flux could beas large as 5 W m^-2. Furthermore, when atmospheric models arecoupled to ocean models, errors in the surface energy exchanges mayinduce significant drift in the simulated climate.     

Variability of Mixed-Layer Heights over the Indian Ocean and Central Arabian Sea during INDOEX, IFP-99

The upper air data collected from the balloon-borne GLASS Sondes launched from the Oceanic Research Vessel (ORV) Sagar Kanya during the Intensive Field Phase of the Indian Ocean experiment (INDOEX, IFP-99;SK-141 Cruise) are utilized forstudying the variability in the mixed-layer heights observed over the western tropical Indian Ocean and central Arabian Sea. During the entire cruise, typical daytime convective mixed-layer heights (roughly corresponding to 1400 LT) obtained from _V and q profiles, were observed to be in the range 200–900 m. Shallowmixed -layer heights are observed, in general, over the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ). Over the central Arabian Sea, vertical profiles of _V and q demonstrate a double mixed-layer structure of the marine atmospheric boundary layer (MABL), which gradually disappears close to the Indian coastline.     

Simulation of marine stratocumulus: effect of precipitation parameterization and sensitivity to droplet number concentration

Marine stratocumulus observations show a large variability in cloud droplet number concentration (CDNC) related to variability in aerosol concentration. Changes in CDNC modify the cloud reflectivity, but also affect cloud water content, cloud lifetime, and cloudiness, through changes in precipitation. In mesoscale models and general circulation models (GCMs), precipitation mechanisms are parameterized. Here we examine how the precipitation parameterization can affect the simulated cloud. Simulations are carried out with the one-dimensional version of the hydrostatic primitive equation model MAR (Modéle Atmosphérique Régional) developed at the Université catholique de Louvain. It includes a E- turbulence closure, a wide-band formulation of the radiative transfer, and a parameterized microphysics including prognostic equations for water vapour, cloud droplets and rain drops concentrations. In a first step, the model is used to simulate a horizontally homogeneous stratocumulus deck observed during the Atlantic Stratocumulus Transition Experiment (ASTEX) on the night of 12–13 June 1992. The observations show that the model is able to realistically reproduce the vertical structure of the cloud-topped boundary layer. In a second step, several precipitation parameterizations commonly used in mesoscale models and GCMs are tested. It is found that most parameterizations tend to overestimate the precipitation, which results in an underestimation of the vertically integrated liquid water content. Afterwards, using those parameterizations that are sensitive to CDNC, several simulations are performed to estimate the effect of CDNC variations on the simulated cloud. Based upon the simulation results, we argue that currently used parameterizations do not enable assessment of such a sensitivity.     

冬季黑潮延伸体区域海表温度锋对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,分析了冬季黑潮延伸体区域海表温度锋的变化及其对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和纬度位置既存在年际变化,也存在年代际变化,且强度和位置的变化是相互独立的。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度的年际变化对北太平洋风暴轴没有显著的影响,而其年代际变化则对北太平洋风暴轴具有非常显著的影响,当冬季海表温度锋偏强时,大气斜压性在鄂霍次克海及阿拉斯加附近区域上空增强,而在海表温度锋下游至东太平洋区域上空显著减弱,平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换在45°N以北的太平洋区域上空有所增多,而在30°-45°N的太平洋区域上空有所减少,涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换在35°N以北的西太平洋区域以及45°N以北的东太平洋区域都显著增加,而仅在其南部边缘存在东西带状的减弱区域,导致40°N以北海区北太平洋风暴轴增强,40°N以南海区北太平洋风暴轴减弱,冬季海表温度锋偏弱时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋纬度位置的变化对北太平洋风暴轴也存在较显著的影响,当海表温度锋位置偏北时,在其下游45°N以南的太平洋区域上空大气斜压性减弱,45°N以南的中东太平洋区域上空区域平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都减少;而在45°N以北的太平洋区域上空大气斜压性增强,在阿拉斯加湾附近上空尤其显著,在黑潮延伸体区域附近以及45°N以北的中东太平洋上空平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都显著增加,导致北太平洋风暴轴在其气候平均态轴线两侧呈现北正南负的偶极子形态;海表温度锋位置偏南时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和位置的变化均对北太平洋风暴轴具有显著的影响,其具体的物理机制还需要进一步的研究。      

冷锋天气大气边界层内臭氧及 氮氧化物的观测研究

利用北京325 m气象塔作为高空平台,于1997年10月观测到一次冷锋过程大气边界层内O3及NOx体积分数的变化,研究了O3及NOx体积分数与气象要素之间的关系,着重讨论了冷锋过境前后O3及NOx的体积分数变化及其与输送过程的关系。研究表明:北京大气边界层中下层存在明显的O3体积分数垂直梯度,O3的垂直输送与风速及温度梯度密切相关。冷锋过程有利于高层O3向低层输送,使O3体积分数垂直梯度明显减小,并使NOx体积分数显著降低。     

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.     

锋面结构的MM5数值模拟

利用美国PSU／NCAR具有嵌套功能的非静力中尺度大气模式MM5，对发生在2000年4月8-9日的一次强冷锋进行数值模拟。分析模拟结果发现，锋面结构的演变与适应锋生理论相一致，并且具有一种不连续结构。