西太平洋-南海地区潜热通量长期变化趋势的南北差异及成因分析

利用1958~2014年美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目(OAFlux)的月平均潜热通量和相关气象要素数据,以及NCEP/NCAR再分析表面气压数据,通过Trend-EOF分析方法,本文研究了西太平洋—南海地区潜热通量的长期变化趋势。发现西太平洋—南海地区潜热通量整体呈上升的趋势,其中冬季上升趋势最强。冬季潜热通量趋势存在明显的南北差异,特别是在南海地区,南海北部为上升趋势而南部为下降趋势。南海北部以及菲律宾海地区冬季潜热通量上升的主要原因是海气比湿差的增大,而南海南部潜热通量呈下降趋势,在东侧主要原因是风速减小,在西侧主要原因是海气比湿差减小。南海潜热通量长期趋势的南北差异是风速和海气比湿差的共同作用造成的。另外,研究发现风速变化趋势受到局地环流变化的影响,在表面气压下降中心线以北地区为上升趋势,在其以南为下降趋势,而海气比湿差的变化趋势则主要取决于海表温度的变化趋势。     

北太平洋海气界面湍流热通量的年际变化

本文采用美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目提供的1958～2006年月平均的湍流热通量及相关气象场数据, 利用EOF分析、小扰动方法、线性回归、相关分析等方法研究了北太平洋海气界面湍流热通量年际变化的时空特征、 影响因子及其与大气环流的关系。结果表明, 北太平洋湍流热通量的年际变化在冬季最为显著。我国东部海域及其向中东太平洋的延伸部分为冬季潜热通量和感热通量年际变化的关键区。冬季潜热通量的年际变化在副热带太平洋和菲律宾海域主要受风速变化影响, 在北太平洋的高纬和低纬海域尤其是赤道中太平洋主要受比湿差变化影响, 而冬季感热通量的年际变化在整个北太平洋都主要受海气温差变化影响。受大尺度环流影响, 异常低压中心的东 (西) 侧海气比湿差和海气温度差偏小 (偏大), 所以异常低压中心的东 (西) 侧潜热输送和感热输送偏弱 (偏强)。     

冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析

利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料,分析了冬季北太平洋海表湍流热通量（潜热和感热）异常及其对海表温度（SST）异常的影响,并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对SST变化的相对重要性。结果表明,冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响SST的主要因子,但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与SST倾向（而不是SST本身）之间存在着显著的相关,这同Cayan和Reynolds等利用COADS资料和NCEP资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法：和热带海洋不同,冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用,而不是相反。模式给出的SST倾向的第一个EOF分量及其与海平面气压场的相关特征同Wallace等从观测资料分析所得到的结果是一致的;进一步的分析表明：在冬季北太平洋的大部分区域（特别是西太平洋）,大尺度大气环流异常在很大程度上决定着SST的异常,而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。     

西太平洋热带海域厄尔尼诺年和非厄尔尼诺年期间湍流通量输送的不同特征

本文根据海洋科考船“实验三号”1986—1989年在西太平洋热带海域、使用系留气艇探测系统观测的140多次温度、湿度和风等廓线资料,利用Monin-Obukhov相似理论的半经验通量-廓线关系,计算给出该海域的动量通量M(特别是曳力系数C_D)、感热通量H_S和潜热通量H_L以及海表温度T_S和Richardson数Ri.结果表明:它们有明显的年际变化;感热通量H_S和潜热通量H_L与海表温度T_S呈明显正相关;曳力系数C_D与风速和Richardson数Ri也有明显相关关系,当风速一定时,C_D值随着Ri值的减少(Ri<0时的不稳定情况)而增加,而当Ri值不变时,C_D值随着风速值的增加而增加.     

一次春季冷空气过程中东海海域海气通量与界面热交换分析

利用船测资料分析一次冷空气过程中东海海域海气通量特征及海洋表面热收支变化特征。2017年5月5日20时—6日14时冷空气过境期间,动量通量平均值为0.22 N·m-2。感热和潜热通量的平均值分别为27.17 W·m-2和90.25 W·m-2,是春季整个观测期间（2017年4月20日—5月26日）平均值的2.8倍和1.1倍。冷空气爆发当天,净热通量为-12.73 W·m-2,海洋失热。白天海表面热收入58.36 W·m-2,影响海面热收支变化的主要是净辐射通量和潜热通量。夜间海表面热支出156.89 W·m-2,海洋作为热源向大气释放潜热99.79 W·m-2,占海洋释放能量过程的63.61%,向大气释放感热27.11 W·m-2,占海表释放热量的17.28%,海表面损失的热量主要以潜热的形式向大气传输。     

Evaluation of the surface heat budget over the tropical Indian Ocean in two versions of FGOALS

热带印度洋海表热收支平衡极大地影响着周边的气候变化,对此的精确模拟是提高海气耦合模式模拟区域气候能力的重要一方面。本文使用不同数据来源的格点资料集OAFlux和NOCS-V2的海表通量产品,评估了FGOALS-g2和FGOALS-s2两个模式对热带印度洋海表热收支平衡的模拟结果。发现模拟净热通量存在海盆尺度的低估,来源于潜热通量的高估。相对而言FGOALS-s2模拟的辐射通量误差更大。模式无法模拟出净热通量的减少趋势,主因在于对潜热通量趋势模拟能力不足。     

利用海-气-浪耦合模式(COAWST)对北印度洋一次强热带风暴\

相对中国其他海域,三面环陆的黄渤海区域海洋与中纬度大气间的相互作用有其独特性,在该区域开展海气耦合模式对气象要素的影响研究十分必要。本文基于大气和海洋的全球预报和再分析资料,利用高分辨率区域海气耦合模式（简称耦合模式）和非耦合模式,开展数值模拟试验。并根据国家地面常规气象观测站和埕北石油A平台实况观测资料,对比分析了2020年6月两种模式对近地层大气温湿要素预报结果,并结合海温、海气热通量变化和风场调整情况,分析了海气双向耦合过程对近地层温湿要素预报影响的原因。结果表明：耦合模式对近地层的湿度要素预报改进较大,以增湿效应为主;海气双向耦合对温湿要素的影响范围可扩展至黄渤海周边省市全域,可提升耦合模式对黄渤海周边区域近地层湿度和白天温度的预报效果;湿度对海气双向耦合的响应速度明显快于温度,说明耦合模式先改进了近地层湿度预报效果;耦合模式海表向上的潜热通量增加是近地层温湿要素预报改进的主要原因。

     

2008年夏季风期间西沙海域海-气通量交换及热量收支

2008年4—10月在中国南海西沙永兴岛近海进行了第4次海-气通量观测试验,获得了整个夏季风期间近海面层湍流脉动量及辐射、表层水温、波浪及距水面3.5、7.0、10.5m高度温、湿、风梯度观测资料,根据涡动相关法和COARE3.0法计算结果研究了2008年南海西南季风爆发、发展、中断、衰退包括暴雨、台风、冷空气影响等天气过程中海-气通量交换和热量收支变化。结果表明:(1)季风爆发前的晴天太阳总辐射强,而海洋失热量较小,热量净收支为较大正值,海面温度迅速升高。季风爆发期太阳总辐射仍然较强,大气长波辐射也有所增强,而海面长波辐射变化很小,故海面净辐射收支仍为正值;(2)季风活跃期特别是降水阶段感热通量增大,季风中断阶段变小;季风活跃期虽然潜热通量增大,由于太阳短波辐射没有减少,海洋净热量收支稍有盈余;中断阶段潜热通量、感热通量减少,海洋吸热大于季风活跃期;降水阶段由于太阳短波辐射减小,感热通量增大,海洋热量收支出现较大负值,海面温度很快降低。季风衰退期风力减弱,湿度减小,潜热通量减小,海洋热量收入又出现较大正值,海面温度回升;(3)台风影响过程中潜热通量随着风速增强迅速增大;感热通量因降水情况不同而有差异,晴天时减小,大雨时剧烈增大;由于太阳短波辐射减少、潜热通量剧增,海洋热量净收支出现负值,促使海面温度迅速降低;(4)动量通量主要与海表面风速有关;动量通量τ与风速V的关系可以表示为τ=0.00171v~2-0.003809v+0.02213。     

冬季北大西洋涛动对热带印度洋海表热通量的影响

利用1979—2017年TropFlux海气热通量资料、ERA5再分析资料及HadISST资料,分析了冬季北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)与同期热带印度洋海气热通量的关系。结果表明,NAO指数与热带印度洋海气净热通量整体上呈负相关,意味着NAO为正位相时,海洋向大气输送热量,其显著区域主要位于热带西印度洋(50°～70°E,10°S～10°N)。净热通量的变化主要依赖于潜热通量和短波辐射的变化;潜热通量和短波辐射在NAO正(负)位相事件期间的贡献率分别为72.96%和61.48%(71.72%和57.06%)。NAO可通过Rossby波列影响印度洋地区局地大气环流,进而影响海气热通量;当NAO为正位相时,波列沿中低纬路径传播至印度洋地区,在阿拉伯海北部对流层高层触发异常反气旋环流。该异常反气旋性环流加强了阿拉伯高压,使得北印度洋偏北风及越赤道气流加强。伴随风速的加强,海面蒸发增强,同时加强的越赤道气流导致热带辐合带强度偏强,深对流加强引起对流层水汽和云量增多,进而引起海表下行短波辐射减少。     

海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式

本文结出一个海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式,其中粗糙度是摩擦速度的函数,湍流交换系数是湍流热通量和风切变的函数,而热通量在海气温差已知时由近地层通量梯度关系求出。解得的风和若干边界层特征参数符合观测及理论考虑。因此,只要知道地转风、纬度及海气温差即可用本模式计算海面大气边界层中不同高度的风。     

Modelling the Interaction Between a River Surface and the Atmosphere at the Bottom of a Valley

The role of a river of small dimensions in driving the surface exchange of sensible and latent heat fluxes at the bottom of a valley is investigated using large-eddy simulation (LES). Simulations were performed using different valley topographies, river widths and large-scale wind speed and direction. In all cases, the river acted as a sink of both sensible and latent heat during daytime. Despite the general agreement concerning the flux direction above the river surface, specific differences exist between the simulations. The topography enhances the wind divergence caused by the river, and the larger negative surface fluxes above the river occur when there are no slopes, a consequence of larger wind speeds above the river. For large-scale winds aligned with the valley axis, the surface fluxes depend on the large-scale wind speed, but this dependence is reduced if the large-scale wind is perpendicular to the valley axis. There is a minimum of temperature and a maximum of specific humidity above the river surface. The scalar budgets show that sensible heat flux converges above the river, being balanced by the warm air subsidence at the centre of the valley. Latent heat fluxes, on the other hand, converge above the river surface, and they are balanced by the horizontal advection of humidity towards the river margins.     

A DIAGNOSTIC ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE FLUXES AND METEOROLOGICAL ELEMENTS OVER TROPICAL WESTERN PACIFIC

Through the use of the hourly wind, air temperature and humidity, sea surface temperature data measured on board the observing vessel Moana Wave and buoy in the warm pool of western Pacific during the IOP of TOGA COARE, we compute the fluxes over sea surface and analyze the characteristics of the variation ofthe latent heat flux with sea surface temperature. During weak rather than strong wind periods a maximum valueof latent heat flux appears at some points of SST, which is caused mainly by the variations of wind, then by the humidity difference between air and sea and the transfer coefficient with SAT. Using correlation analysis. we also analyze the relationship between the fluxes and meteorological elements during weak wind periods. wester lywind burst periods, and convective disturbed periods etc. The main conclusions are that the latent heat flux ismainly determined by wind, sensible heat flux by the potential temperature difference between air and sea and the momentum flux by wind. The precipitation affects the sensible heat flux through the potential temperature difference and wind.     

地表热通量对陕南强降水的影响

基于通量观测、邻近自动气象观测站和ERA5-Land再分析数据,结合重庆西部暴雨个例,讨论了重庆山地通量观测资料的可靠性和适用性,并对通量观测在2019年度的不同时间尺度变化特征进行分析,结果如下：（1）通量站与邻近气象站有相似的气象背景,通量观测相对于ERA5-land再分析资料更能反映出地表感热和潜热通量在降水期间的时间演变情况,该数据是可靠的,通量站的降水量可以用邻近站点平均降水量代替。（2）三种通量及其增量与温度、相对湿度、风速和降水均呈现出不同的相关关系,其中动量通量与降水和风速为正相关;感热和潜热通量与温度、风速为正相关,与相对湿度为负相关;槽上站的潜热和感热通量的增量与局部降水为负相关,这些特征均表明通量观测可以用于该次暴雨研究中。（3）感热、潜热通量的季节和月变化特征表明在长时间尺度上,地面对大气主要表现为加热和蒸发作用,动量通量的季节变化特征表明春季湍流运动最强而秋季最弱;潜热和感热通量的日变化主要表现为单峰型,即白天以增温和蒸发为主,夜间以冷却和凝结为主;动量通量的日变化也以单峰型为主,即白天湍流活动较强,夜间相对较弱,只有金佛山站在春夏秋三季表现出双峰型,即在夜间也有会出现湍流活动增强的情况。

     

Estimating heat fluxes by merging profile formulae and the energy budget with a variational technique

A variational technique (VT) is applied to estimate surface sensible and latent heat fluxes based on observations of air temperature, wind speed, and humidity, respectively, at three heights (1 m, 4 m, and 10 m), and the surface energy and radiation budgets by the surface energy and radiation system (SERBS). The method fully uses all information provided by the measurements of air temperature, wind, and humidity profiles, the surface energy budget, and the similarity profile formulae as well. Data collected at Feixi experiment station installed by the China Heavy Rain Experiment and Study (HeRES) Program are used to test the method. Results show that the proposed technique can overcome the well-known unstablility problem that occurs when the Bowen method becomes singular; in comparison with the profile method, it reduces both the sensitivities of latent heat fluxes to observational errors in humidity and those of sensible heat fluxes to observational errors in temperature, while the estimated heat fluxes approximately satisfy the surface energy budget. Therefore, the variational technique is more reliable and stable than the two conventional methods in estimating surface sensible and latent heat fluxes.     

BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋潜热通量的评估

利用1979—2005年OAFlux (Objectively Analyzed air-sea Fluxes) 观测资料以及CMIP5的15个耦合模式的模拟结果,评估了BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量气候态和变化趋势的模拟能力,并分析造成趋势偏差的可能原因。结果表明:BCC_CSM1.1(m) 模式模拟热带太平洋年平均潜热通量气候态在各纬度上差异较大, 其中在赤道的模拟能力较佳,而在10°N和8°S附近模拟偏差较大;BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量趋势的模拟能力一般,造成趋势偏差的主要原因是该模式低估了风速对潜热通量的局地贡献以及它对风速的非局地贡献的模拟存在较大偏差。此外,该模式未能较好地模拟出风速对全球变暖响应。因此,BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量趋势模拟的改进需加强其对风速模拟的改进。     

利用简化动力学近似分析黑河实验区的感热通量

本文利用简化动力学近似．运用统计和参数化两种方法分析了黑河实验区的感热通量．结果表明：不稳定条件下绿洲区的感热通量与近地面辐射温度(T3)和空气温度(Ta)之差符合幂定律方程；沙漠地区符合形式为H=f[u(T2-Ta)]的幂定律方程。利用从实验得到的热传输附加阻尼表示式kB^-1=0．2u(T2-Ta)用于对空气动力学阻尼(ra)的参数化，可适用于不同下垫面．并得到了比较满意的感热通量值．最后利用以上结果计算了实验区的潜热通量并做了比较分析。     

南海卫星遥感海表湍流热通量资料的评估

利用现场观测资料、OAFlux的湍流热通量,评估了JOFURO（Japanese Ocean Flux Data Sets with use of Remote Sensing Observations）、HOAPS-2（Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite data version 2）、GSSTF-2（Goddard Satellite-Based Surface Turbulent Fluxes version 2）3种卫星资料在南海区域的表现。3套卫星资料可以说各有千秋,总体而言JOFURO和GSSTF-2资料的空间分布和时间变化与OAFlux资料整体上较一致,但是这两套资料都在很大程度上低估了海盆平均的潜热和感热,前者低估约10%~20%,后者则可以达到50%以上。HOAPS-2资料与现场观测资料有较好的一致性,但在时间变化上和其他资料的差异则较大,特别是感热方面,季节变化振幅、年际变化位相等都与其他资料不一致。通过比较我们发现,海南岛周边以及南海南部区域估算的潜热和感热释放偏小是造成整体偏小的主要原因。     

东海黑潮区潜热变化对中国春季降水的影响及其影响过程

本文利用美国NCEP/NCAR再分析资料、哈德来(Hadley)中心海温数据、国家气候中心的观测站降水和客观分析海气通量(OAFlux)潜热感热通量资料,研究了1960~2010年春季黑潮区潜热输送对中国春季降水的影响及其影响过程。本文以黑潮流经的中国东部海域及邻近海域为研究对象,该区域是黑潮的主体区域,在文中简称为东海黑潮区。对中国东海以及邻近海域海温与降水的分析表明,在夏季该区域可能以大气强迫海洋为主,而在春冬两季可能主要为海洋强迫大气为主,秋季则可能为不明显的海气相互作用。在春季西北太平洋区域中感热和潜热都对黑潮流经的区域有比较好的敏感性,黑潮流经区域感热和潜热的气候平均值分别约为30 W m-2与120 W m-2;春季的感热通量标准差大值区主要集中在日本以西区域,潜热通量标准差主要集中在中国东海区域与日本东南区域(即东海黑潮区域)。春季潜热EOF第一模态的主要变化就集中在东海黑潮流域。相关分析与合成分析的结果表明,当黑潮潜热指数为正时,华南地区春季降水偏多,长江以北地区偏少,反之亦然。在物理过程分析中,黑潮潜热指数大于0.8时,长江以南的中国大陆有比较强盛的异常北风,使得水汽无法输送到更北的地区,导致在华南地区水汽的积累,并且在海面出现有利于降水的垂直运动异常延伸到大陆上,使华南地区降水增多,而长江以北的东部地区由于水汽输送偏弱,导致水汽积累偏少,从而降水减少。当黑潮指数小于-0.8时,有较强盛的异常南风,有利于水汽输送到北方地区,水汽在华北地区积累,导致长江以北出现降水正异常,而华南地区由于南风偏强,水汽输送加强,导致水汽无法在此区域积累,并且出现不利于降水的垂直运动异常,从而导致降水偏少。     

青藏高原及周边地区近地层小气候特征分析

利用中国气象局成都高原气象研究所建立的5个边界层站（湄潭、巴中、什邡、曲麻莱、狮泉河）2019年的观测资料,对比分析青藏高原及周边地区近地层大气要素变化和陆—气能量交换特征及异同点,探讨其原因。结果表明：（1）青藏高原及周边地区近地层大气温度、相对湿度、风速、感热通量、潜热通量、动量通量均符合一峰一谷的常规日变化特征,气压具有双峰双谷的日变化特征。（2）高海拔台站近地层温度日变幅（12℃）高于周边低海拔地区（4～6℃）,季变幅与海拔高度的关系不显著。（3）相对湿度与温度关系密切,相对湿度的垂直结构和日变化都具有明显的区域差异,其垂直梯度夜间显著高于白天,峰值出现时间随夏、秋、春、冬季呈现季节性滞后,而谷值超前。（4）风速春季较大,夏、秋季次之,冬季小,季变幅略小于日变幅;低海拔区域的风速及其日变幅均显著低于高海拔区域。（5）低海拔区域气压季变幅（>13 hPa）远高于日变幅（2.5 hPa左右）,而高海拔区域气压季变幅（>3 hPa）略低于日变幅（2 hPa左右）。（6）感热通量春季大、冬季小;感热通量和动量通量在高海拔区域均较高,二者具有较一致的日、季变化特征,表明大气动...