气象科技动态

大气与海洋热量输送也可致全球升温除了二氧化碳、水蒸气、大部制冷剂,还有什么能影响气候变暖?近日《自然-气候变化》上发表的一项研究表明,大气和海洋系统中热量传输方式的变化,对未来全球升温也有影响。     

海洋对大气加热场的区域性年变化特征

本文研究了热带和中纬度一些海表面温度年变化较强的区域中海洋对大气加热场的年度化特征。结果表明海洋向大气提供热通量的强度在冷海区呈年周期性变化,而在暖海区呈半年周期性变化。与潜热的湍流输送及海表面向上的长波辐射通量相比,感热的湍流输送量很小。在暖海区潜热输送总大于长波辐射,并且前者有较强的年变化而后者较弱;在冷海区二者的量级相当,年变化幅度也相当。海表风场和云的变化对海洋对大气加热场年变化的影响非常重要。     

1986年东海与南海的海-气界面热量交换

采用实测资料计算1986年7—12月东海和南海观测海域海-气界面热量交换。结果表明：7—9月上旬,大气向观测海域输送热量是主要现象,因为这时的气温比水温高,潜热通量与感热通量出现反相变化,天气晴好,海洋大量吸热;9月中旬—12月,观测海域向大气输送热量是主要现象,东海表现得比南海更为明显,主要贡献来自潜热通量和感热通量。受冷空气影响时,感热通量重要;在热带辐合带和热带气旋系统内海-气界面热量交换强烈,大气对海洋的响应为主。     

中国东海热量平衡的季节变化

研究了中国东海及其周围海域热量平衡的季节变化。冬季,显热、潜热都以西南诸岛的近海为最大,海面放出的热量以潜热形式为主。冬季的太阳辐射量以在云量少的台湾以南和黄海为大;在云量多的西南诸岛近海为小。夏季太阳辐射量各地差异不显著。根据海面太阳辐射、长波辐射、显热和潜热各项通量求得的大气-海洋间的年平均净的热输送是向上的,故海洋向大气放出热量。为补充这部分热量散失,有从周围海域向东海和黄海流入的能量,其流入量年平均约7.4×10~(13)!。如换算为单位面积值,相当于58Wm~(2-)。     

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。     

华北地区平流雾过程湍流输送及演变特征

利用2006年2月在天津市南部地区开展的大气湍流观测资料, 分析了平流雾生消过程中湍流输送及演变特征。结果表明: 平流雾生消过程中, 大气稳定度参数数值主要集中在弱不稳定到弱稳定范围内, 且多呈现弱不稳定状态。雾前, 大气呈弱不稳定状态, 热量的垂直和水平输送短时加强, 且水平输送较垂直输送更显著; 雾生成初期, 大气呈弱稳定层结, 湍流动量和热量的垂直及水平输送均很弱; 雾中, 大气多呈弱不稳定状态, 稳定度参数、 动量、 热量及水平与垂直热通量之比值随时间均呈多峰形振荡, 随着雾的消散, 大气由弱不稳定逐渐演变为稳定状态; 雾后, 低层大气再次呈现弱不稳定层结特征, 动量和热量输送呈单峰形日变化特征。平流雾生消过程中, 热量的水平输送随不稳定度增强而迅速减小; 大气呈稳定层结时, 热量的水平输送显著大于垂直输送, 其比值约为2。同时, 摩擦速度、 水平与垂直热通量之比值呈多峰形振荡, 振幅分别可达1.2 m/s及50。     

海表动量和热量通量的数值模拟

本文分析了用IAP两层大气环流模式模拟的海表动量和热量通量,并将其同Han等和Esbensen等的气候资料比较.模拟的热量通量与观测估计值有类似的水平分布和季节变化,但在中低纬地区有偏多的热量由海洋向大气输送,尤其1月北半球中纬大气需要从海洋获得过分多的热量;模拟的海表动量通量和气候估计值也类似,但模拟的北半球冬季中高纬西风动量通量中心位置偏东,赤道中西太平洋和大西洋的东风动量通量偏弱,南半球环绕南极的西风带模拟得过分弱(尤其在7月份).本文还检验了基本变量的日变化和日际变化对计算海表动量和湍流扩散热量通量的影响,结果表明用月平均,日平均和每小时的基本量计算的动量和湍流扩散热量通量依次增大,尤其在中高纬地区更明显.     

西太平洋热带地区能量和热量的总收支——中美西太平洋海-气合作考察观测事实之五

根据“向阳红14号”考察船在中美海-气考察第一次航程(1986年2月8—14日)所获取的水文气象和日射观测资料,以及特定区域内站点的海洋气象资料,探讨了热带西太平洋有限区域内下垫面和大气的冷、热源以及海气系统向周围大气的能量水平输送的源、汇问题。分析计算指出,在考察期间热带西太平洋地区是一个热量积贮区。     

1998年SCSMEX期间南海夏季风海气交换的主要特征

根据1998年“南海季风试验（SCSMEX）”强化观测期间“实验3号”和“科学1号”科学考察船船基大气海洋自动观测系统两点连续观测的大气、海洋资料,使用考虑到风速和大气层结影响的整体输送公式计算海-气间的湍流通量交换。根据计算结果分析南海夏季风期间海表大气要素和海温日均值的逐日变化、海洋向大气输送的潜热通量和感热通量以及大气向海洋输送的动量通量等。结果表明：这次夏季风于5月21日从南海南部开始爆发,然后向北部扩展全面爆发。夏季风期间南海南部和南海北部的大气、海洋结构和海气交换特征等都有明显差别。此外,海表温度的变化除了与太阳总辐射有关外,主要是与海洋向大气输送的潜热通量变化有关,对本次夏季风发生较晚、强度较弱作了海-气交换的物理解释,并与1992～1993年西太平洋热带海域西风爆发过程作了比较。     

温盐环流与全球增暖的数值模拟 (二)温盐环流在全球增暖事件中的作用

本文是用简单海一气耦合模型模拟温盐环流在全球增暖事件中作用的研究工作的第二部分。在研究海－气耦合系统的增暖过程之前，我们先利用单独的大西洋温盐环流模式模拟和分析了海表热异常向深海的传输过程。结果表明温盐环流在海洋对热异常的响应过程中是被削弱的；对各种物理过程在热异常向深海传输过程中的作用的分析表明，对流在热异常由海表向深海的输送过程中起着关键的作用。在这基础上，我们利用本文第一部分中复制的二维海洋温盐环流模式和一个零维的能量平衡大气模式，在大气和海洋表层始终处于热平衡状态的假定下建立了一个高度简化的海气耦合系统，用数值试验方法研究了该系统对于和大气ＣＯ２浓度突然加倍相当的辐射强迫的迁延响应，着重分析了温盐环流在全球增暖过程中的作用。结果表明：１）两大洋的平衡响应结果有显著差别：太平洋是温盐环流的上翻区，热量主要通过扩散过程由海表向深海渗透，因而海表升温较快，深海加热较慢，而且增温幅度几乎是南北均一的；在北大西洋深水形成区。由于对流与垂直平流共同作用，海表吸收的热量迅速下传，使得大西洋平均海表增温速度要比太平洋慢。而其深海增温则要快得多，并且增温幅度在南北方向是不均匀的。（２）北大西洋在增暖过程中由于其温度垂     

夏季风期间南海南部海区海-气通量交换浅析

海洋考察资料分析表明，夏季风期间南海南部海区海洋输向大气的热通量倍增，热通量的增、减过程与对流天气密切相关，季风潮天气过程中的热通量值居各天气过程之首，某些时段感热通量会出现大气向海洋的反向输送过程，地理环境使同一天气过程影响下海区内各通量的水平分布明显不均，海洋输向大气的热通量明显影响500hPa以下各层大气。     

不同ENSO位相热带中东太平洋与低纬度大气的信息传输不对称性研究

基于传递熵和再分析数据,讨论了不同ENSO位相下热带中东太平洋与其上空大气的信息传输,研究结果表明:厄尔尼诺、拉尼娜及中性状态下均是以海洋输出信息、大气输入信息为主导的特征,且海洋和大气输入和输出信息的空间分布型较类似。相对中性状态而言,厄尔尼诺和拉尼娜状态下,海洋和大气输入和输出的信息均较强;拉尼娜状态相比厄尔尼诺状态,海洋与大气输入和输出的信息要稍强。通过重排滑动随机抽样方法分析了热带中东太平洋与其上空大气信息传输强度与海温异常的关系,重点分析了热带中东太平洋与其上空大气信息传输的不对称性。揭示了海洋对大气的信息传输随海温距平的变化可以分为类拉尼娜、类中性状态及类厄尔尼诺3个阶段:类拉尼娜阶段,随着低海温的减弱信息传输逐渐减弱;类中性状态,低海温向高海温的过渡过程,信息传输并不存在显著的变化趋势;类厄尔尼诺,随着高海温的增强信息传输逐渐增强。热带中东太平洋与其上空大气信息传输的不对称性更表现为类拉尼娜和类厄尔尼诺阶段信息传输与海温异常之间建立线性关系的阈值和线性趋势程度的不对称。此外,大气对海洋的信息传输随海温的变化与海洋对大气的信息传输随海温的变化类似,即海洋对大气信息传输较强时,大气对海洋的信息传输同样较强,反之亦然,并且大气对海洋的信息传输随海温的变化同样存在不对称性。     

北大西洋高纬度海区湍流热通量对全球增暖的响应

大西洋经向翻转环流(the Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)由低纬输送大量热量至高纬度北大西洋海区,并通过热通量由海洋输送给大气,主导了附近区域的气候形态,并对北半球尺度的气候变化产生显著影响。本文根据CMIP5多模式多增暖情景的预估模拟结果,通过与增暖前控制试验的对比发现,全球增暖可导致该海区湍流热通量的减小,且减小的幅度随增暖强度增大,模拟结果与观测一致。进一步研究发现,热通量的减小存在季节差异,冬季的减小幅度远大于夏季。结合淡水扰动试验的分析表明,全球增暖下AMOC强度的减弱导致大西洋经向热输送减少,进而导致高纬度北大西洋海洋向大气的热输送减小。     

海洋环流也参与调节气候变化

<正>大多数对气候变化的关注集中在释放到大气中的温室气体含量,而美国罗格斯大学的研究人员发现,海洋环流对调节地球气候起着同样重要的作用。该研究发表在最新一期《科学》杂志上。研究人员认为,在270万年前,地球北半球的冷却和大陆冰川的积聚与海洋环流的变化一致,大西洋深处的二氧化碳和热量被从北到南输送到太平洋中释放。研究人员认为,海洋输送系统变化的同时,北半球冰川体积扩张,以及海平面大幅下降。     

1986年冬季热带西太平洋区域性大气总能量收支

本文采用中美海-气合作考察第一次航程(1986.1.9—15,2.1—14)和若干站点的海洋气象资料,计算了热带西太平洋不同区域的大气湿静力能量的水平输送和局地变化、大气非绝热加热诸分量以及各区域海面与大气的热交换项。分析指出,在考察期间热带西太平洋上空,西部区是大气能量水平输送的能汇区,而东、中部区则反之。同时,热带西太平洋上空大气和海洋下垫面是个热源区,尤以西部区最为明显。由此可知,热带西太平洋大气能量收支具有明显的区域性差异,其西部区是较强的大气和海洋下垫面的热源区域,是热量、能量积存最多的地区。     

城市化对北京一次极端降水过程影响的数值分析

通过敏感性试验探讨了城市化对北京2011年6月23日局地极端降水事件的影响.结果表明耦合了城市冠层模式的WRF系统能较好地模拟出强降水的局地性和突发性特征,考虑了精细下垫面分类的敏感性试验模拟降水更接近实况;下垫面城市化对地表能量平衡影响明显,对大气的热量影响除加强地表对边界层大气向上感热输送外,还会减少局地地表蒸发及大气水分供应,增加边界层高度,并对移经本地的天气系统强度及水汽输送产生较明显的影响.     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。     

西太平洋黑潮、流冰和中国东部地区降水的关系

前言海-气作用是近年来人们感兴趣的课题,把大尺度海气相互作用与天气、气候相联系,开始取得某些有实际预报意义的结果。现试从海-气长期反馈效应来探讨我国东部地区降水气候趋势。海洋的巨大体积和热容量以及它的内部交换使得它的变化比大气缓慢得多,具有明显的滞后性,特别是下层海洋参数比较稳定,似可作为长期预报的一个指标。某些研究表明,强洋流区是海洋与大气之间相互作用最活跃的区域。黑潮是太平洋西部一股巨大的暖洋流,它经台湾向北至日本,约在35°N—40°N转向东去,挟带了大量热量向北输送,因而在海洋的反馈作用上占有重要位置,东亚及西太平洋大气环流及气候状况已经     

上海市气象局海洋气象数值预报技术研究进展

为满足上海海洋区域中心海洋气象业务的需求,近十多年来中国气象局上海台风研究所和上海海洋气象预报台承担完成了多项国家、上海市和气象部门的海洋气象数值预报技术研究方面的科研课题,在海气相互作用物理过程观测研究方面揭示了台风和海雾边界层大气湍流能量输送一些新的事实,通过合理地表达海洋飞沫对于动量和热量输送作用和改进海面拖曳系数方案等手段,有效提高了海气耦合模式对于台风强度的模拟和预报能力。研发了全球和西北太平洋风浪数值预报系统,特别是发展了包括波流相互作用等复杂物理过程的近岸高分辨率海浪和风暴潮数值预报系统,还基于观测和数值模式波浪要素研发了浅滩效应指数、波浪陡度指数、涌浪占比指数和谐摇指数等船舶风险指数产品,使海洋气象预报服务更有针对性,并取得了很好的应用效果。     

南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。