海表热通量反馈及海温变率

海气交界面的能量交换与海洋平流共同决定海表面温度(sea surface temperature,SST)异常的形成、维持与衰减。基于作者近期的研究,本文回顾了海表面热通量(surface heat flux,SHF)反馈以及SST方差与海表热通量及海洋热输送方差之间的关系。海表热通量异常可近似为一个与SST成正比的线性反馈项与一个大气强迫项之和。SHF的反馈参数取决于SST和SHF间的滞后交叉协方差以及SST自协方差。这种反馈总体上为负反馈,减弱SST异常,海表湍流部分起主导作用。最强的反馈可见于南北两半球的中纬度,最大值出现在大洋的西部和中部位置并延伸至高纬度地区。SHF反馈于北半球秋冬两季增强,春夏两季减弱。这些反馈特征在CMIP3耦合气候模式中得到合理的模拟。然而,多数模式中反馈的强度与再分析资料的估值相比略为偏弱。与再分析资料的估值相比,“平均模式”反馈参数比单一模式有更相似的空间形态以及较小的均方根差。基于海表面能量收支平衡,SST的方差可以表示为3个要素的积:1)海表面辐射和湍流通量以及海洋热输送的方差之和;2)一个衡量SST持续性的传输系数G;3)一个反映海表热通量以及海洋热输送之间协方差结构的有效因子e。SST方差的地理分布类似于海表热通量及海洋热输送的方差之和,但为G和e因子所修正。     

一个冰气相互作用数值模拟结果的可能统计解释

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(小)与来年的SST偏低(高)相联系,但二者同期相关性最大。当海气热通量交换变化超前一年时,其与SST相关性最大。模式最低层大气温度与海洋表面热通量之间的同时相关性最大,冬季模式最低层气温偏高(低)与海洋表面失去的感热、潜热通量偏少(多)相联系。气温、比湿都和冰岛低压区及格陵兰海的海平面气压相关性最强,冰岛低压气压偏低(高)与模式最低层气温和比湿偏高(低)相联系。所以,在海-冰-气年际尺度的相互作用中,主要关系是大气环流调整造成大气中云量和低层气温、湿度变化,进而影响海气界面上的通量交换,造成SST的变化。SST变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对SST变化有较明显影响。     

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。     

海气相互作用对台风结构的影响

利用前期工作中耦合试验和未耦合试验对台风Krovanh(2003年)数值模拟的结果,分析了海-气相互作用对台风结构的影响。结果表明,台风引起的海面降温大大降低了海洋向大气输送的潜热通量,同时使得感热通量向下传递到海洋。另一方面,台风引起的海表面温度(SST)降低,反馈到台风使其结构轴不对称性加强,且在中高层尤为显著。分析了台风对称结构的基本特征。     

系统辨识(1):辨识导引

海气交界面的能量交换与海洋平流共同决定海表面温度（sea surface temperature,SST）异常的形成、维持与衰减。基于作者近期的研究,本文回顾了海表面热通量（surface heat flux,SHF）反馈以及SST方差与海表热通量及海洋热输送方差之间的关系。海表热通量异常可近似为一个与SST成正比的线性反馈项与一个大气强迫项之和。SHF的反馈参数取决于SST和SHF间的滞后交叉协方差以及SST自协方差。这种反馈总体上为负反馈,减弱SST异常,海表湍流部分起主导作用。最强的反馈可见于南北两半球的中纬度,最大值出现在大洋的西部和中部位置并延伸至高纬度地区。SHF反馈于北半球秋冬两季增强,春夏两季减弱。这些反馈特征在CMIP3耦合气候模式中得到合理的模拟。然而,多数模式中反馈的强度与再分析资料的估值相比略为偏弱。与再分析资料的估值相比,＂平均模式＂反馈参数比单一模式有更相似的空间形态以及较小的均方根差。基于海表面能量收支平衡,SST的方差可以表示为3个要素的积：1）海表面辐射和湍流通量以及海洋热输送的方差之和;2）一个衡量SST持续性的传输系数G;3）一个反映海表热通量以及海洋热输送之间协方差结构的有效因子e。SST方差的地理分布类似于海表热通量及海洋热输送的方差之和,但为G和e因子所修正。     

热通量和风应力影响北太平洋SST年际和年代际变率的数值模拟

利用一个大洋环流模式LICOM, 通过1958～2001年风应力 (ERA40) 和热通量驱动下的两组模拟试验, 检验了二者在北太平洋年际和年代际变率形成中的作用。结果表明, 尽管在年际尺度上热带太平洋变率主要受风应力影响, 但合理考虑热通量异常的强迫作用能够显著改进模式对El Niño的模拟效果, 包括对El Niño周期非规则性的成功模拟; 北太平洋SST的年际和年代际异常主要受热通量异常的影响, 合理考虑热通量强迫的年代际变化能够改善模式对北太平洋年代际变率的模拟效果。在北太平洋海盆的不同区域, 导致SST变率异常的因子不同: 在加利福尼亚沿岸, 冬季平均海温的变率异常主要由热通量的异常决定; 在北太平洋中部, 温度趋势异常主要受热通量和水平平流的作用影响; 在黑潮及其延伸体区域, 对温度趋势异常起主导作用的是热通量和海洋非线性作用, 与此同时, 水平平流和扩散的作用亦不容忽视。     

不同海表面温度对南海台风“杜鹃”的影响试验

采用水平分辨率0.25 °×0.25 °的日平均和周平均的卫星微波成像仪(TMI)和卫星微波辐射计(AMSRE)的海温资料(TMI-AMSRE SST)作为下强迫源,利用中尺度数值模式MM5对南海过境台风"杜鹃"进行了模拟.试验结果表明:台风中心附近SST的差异会导致大气风场的差异,从而使模式对SST有比较快速而且明显的响应;不同的SST对台风的强度和路径都有一定的影响,而对台风降水和台风中心附近潜热通量有明显的影响;不同SST对台风的影响主要是通过改变海-气潜热通量来实现的.     

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。     

降水对热带海表温度异常的邻域响应 II. 资料分析

对最近10年海表温（SST）的分析表明，东赤道太平洋（EEP）及中赤道印度洋（CEI）的SST存在显著正相关。西赤道太平洋（WEP）及西北太平洋（WNP）的SST也存在相关。流场和降水分析表明，当低空流场存在对EEP正的SST异常响应时，也存在对CEI正的SST异常的响应。前者位置偏东，对我国天气无直接影响；后者导致南方少雨，江淮多雨。在WNP和WEP海区SST异常的共同强迫下，我国南海及西太平洋出现低空反气旋式环流。由于其位置偏南，异常雨带位于华南，使我国华南多雨，江淮少雨。本文还用最近38年的海温和降水资料对上述结果进行检验。资料分析证实了数值模拟的结果，即降水对热带海表温度异常的响应是一种邻域响应。     

北半球高纬地区年际尺度循环过程中的气-海-冰相互作用关系

基于一个全球气-海-冰耦合模式数值模拟结果,对北半球高纬度地区年际尺度的气-海-冰相互作用进行了分析。在所使用的全球气-海-冰耦合模式中,大气环流模式和陆面过程模式来自国家气候中心,海洋环流模式和海冰模式来自中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室。采用一种逐日通量距平耦合方案实现次网格尺度海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式在高纬地区的耦合。只对50 a模拟结果中的后30 a结果进行了分析。在分析中,首先对滤波后的北半球高纬度地区海平面气压、表面大气温度、海表面温度、海冰密集度及海表面感热通量的标准化距平做联合复经验正交函数分解,取第一模进行重建,然后讨论了在一个循环周期(约4 a)中北半球高纬度地区气-海-冰的作用关系。结果表明:(1)当北大西洋涛动处于正位相时,格陵兰海出现南风异常,使表面大气温度升高,海洋失去感热通量减少,海洋表面温度升高,海冰密集度减小;当北大西洋涛动处于负位相时,格陵兰海出现北风异常,使表面大气温度降低,海洋失去感热通量增多,海洋表面温度降低,海冰密集度增加。巴伦支海变化特点与格陵兰海相似,但在时间上并不完全一致。(2)多年平均而言,北冰洋内部靠近极点区域为冷中心。当北冰洋内部为低压异常时,因异常中心偏向太平洋一侧,使北冰洋内部靠近太平洋部分为暖平流异常,靠近大西洋一侧为冷平流异常。伴随着暖、冷平流异常,这两侧分别出现暖异常和冷异常,海表面给大气的感热通量分别偏少和偏多,上述海区海表面温度分别偏高和偏低,海冰密集度分别偏小和偏大。当北冰洋内部为高压异常时特点正好与上述相反。由上述分析结果可知,在海洋、大气年际循环中,大尺度大气环流变率起主导作用,海洋表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应。     

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。     

北太平洋海水表层铅直热通量收支的季节变化及与海温的联系

分析表明，北太平洋中纬度地区海水表层铅直热通量收支的分布特征与海流密切有关。暖流区的受热相对较小或失热相对较大，冷流区则反之。海水表层铅直热通量收支的季节变化分别具有一年、半年和四个月三种周期，并分别与太阳辐射、海流以及大气环流等相系。海温变化的滞后时间，基本场为２个月，扰动场为１个月。     

Indian Ocean SST Biases in a Flexible Regional Ocean Atmosphere Land System (FROALS) Model

The authors examine the Indian Ocean sea surface temperature(SST) biases simulated by a Flexible Regional Ocean Atmosphere Land System(FROALS) model.The regional coupled model exhibits pronounced cold SST biases in a large portion of the Indian Ocean warm pool.Negative biases in the net surface heat fluxes are evident in the model,leading to the cold biases of the SST.Further analysis indicates that the negative biases in the net surface heat fluxes are mainly contributed by the biases of sensible heat and latent heat flux.Near-surface meteorological variables that could contribute to the SST biases are also examined.It is found that the biases of sensible heat and latent heat flux are caused by the colder and dryer near-surface air in the model.     

印度洋海气热通量交换研究

基于综合海洋大气资料集(COADS)资料的研究表明,热带印度洋的海气热通量交换具有明显的区域性特征,在部分海域,如冬季热带印度洋的中东部、夏季的热带西印度洋和北印度洋,它主要表现为海洋对大气的强迫.海洋对大气的这种强迫,主要是通过潜热加热实现的.与潜热加热相比,感热加热尽管是一个小量,但感热异常与表层海温的显著相关,较之潜热明显超前.无论冬季还是夏季,热带印度洋都存在大面积海域,其SST变化难以通过海气热通量交换来解释.     

Covariability of SST and surface heat fluxes in reanalyses and CMIP3 climate models

The generation and dissipation of SST anomalies is mediated by the covariability of SST and surface heat fluxes. The connection between the variability of heat flux (including its radiative and turbulent components) and that of SST is investigated using the NCEP-NCAR and ERA-40 reanalyses and the CMIP3 multi-model collection of climate simulations. The covariance patterns of SST and heat flux are broadly similar in the two reanalyses. The upward heat fluxes are positively correlated with the SST anomalies in the tropics, the northern Pacific mid-latitudes, and over the Gulf Stream, and negatively correlated in the northern subtropics and the SPCZ region. Common covariance features are seen in all climate models in the tropics and the subtropics, while covariances differ considerably among models at northern mid-latitudes, where weak values of the ensemble mean are seen. Lagged covariances are broadly similar in the two reanalyses and among the models, implying that heat flux feedback is also similar. The heat flux feedback parameter is determined from the lagged cross-covariances together with the auto-covariance of SST. Feedback is generally negative and is dominated by the turbulent component. The strongest feedback is found at mid-latitudes in both hemispheres, with the largest values occurring in the western and central portions of the oceans with extensions to higher latitudes. The latter are also areas with large inter-model differences. The heat flux feedback strengthens in winter and fall and weakens in spring and summer. The magnitudes of the annual and seasonal feedback parameters are slightly weaker in most models compared to the reanalysis-based estimates. The mean model feedback parameter has the best pattern correlation and the smallest mean square difference compared to the reanalysis-based values, although spatial variances are weak. Model resolution shows no relationship with the heat flux feedback parameters obtained from model results. The SST-heat flux covariance is decomposed into components associated with surface heat flux feedback and atmospheric forcing processes. Heat flux feedback dominates over the atmospheric forcing and heat flux damps SST anomalies on average at northern Pacific mid-latitudes and southern Atlantic mid-latitudes; while the reverse occurs in the SPCZ and northern Atlantic mid-latitudes.     

Mechanisms of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) Variability in a Coupled Ocean–Atmosphere GCM简

The mechanisms involved in the variability of Atlantic Meridional Overturning Circulation （AMOC） are studied using a 2000-yr control simulation of the coupled Fast Ocean-Atmosphere Model （FOAM）.This study identifies a coupled mode between SST and surface heat flux in the North Atlantic at the decadal timescale,as well as a forcing mode of surface heat flux at the interannual timescale.The coupled mode is regulated by AMOC through meridional heat transport.The increase in surface heating in the North Atlantic weakens the AMOC approximately 10 yr later,and the weakened AMOC in turn decreases SST and sea surface salinity.The decreased SST results in an increase in surface heating in the North Atlantic,thus forming a positive feedback loop.Meanwhile,the weakened AMOC weakens northward heat transport and therefore lowers subsurface temperature approximately 19 yr later,which prevents the AMOC from weakening.In the forcing mode,the surface heat flux leads AMOC by approximately 4 yr.     

冬季台风“南玛都”结构性质的初步研究

利用1982～2001年NCEP/NCAR再分析的周平均SST场、逐日表面热通量场及近地层10米高度风场资料,分析了南海地区季风爆发前后几周南海多年平均SST随时间的变化和空间分布特征及其影响因子.结果表明,南海季风爆发前,SST急剧升高,季风爆发后,SST的变化呈现比较明显的空间差异,南海北部SST继续上升,而南部SST持续下降.南海季风爆发前,海面净得热,这是季风爆发前南海SST上升的主要原因.季风爆发后几周,海面净得热减少,此时的海表净热通量收支与SST无显著相关.而季风爆发期和爆发后几周,南海SST变化的不均匀性与西南气流具有很好的相关性,南海的降温区呈东北-西南走向,与低层西南气流的方向一致.因而,在季风爆发后的一段时间内,近地层风场导致的海洋表面及内部动力过程是影响南海SST变化的另一重要因子.     

热带太平洋海表能量收支平衡特征及其与两类ENSO事件的联系

利用月平均的HadISST海表温度、NCEP再分析资料、OAFlux海表面热通量及相关物理量资料、NCAR/NOAA云量场资料,分析了热带太平洋海表热通量的年际特征,并且进一步分析了传统El Ni?o和El Ni?o Modoki事件中湍流热通量的异常演变特征以及影响因子。在热带太平洋上,净热通量的年际变化最大振幅出现在赤道太平洋上,且主要取决于潜热通量和短波辐射通量的变化。本文还利用两类ENSO事件旺盛期海温指数对不同时期海面热通量场的偏回归分析,考察了热带太平洋海表面热通量与两类ENSO事件中海温的联系。两类海温指数对各时期热带太平洋净热通量的回归均表现为赤道太平洋上存在显著的负异常,在Ni?o3指数偏回归下的负异常范围和强度都较El Ni?o Modoki指数回归的要大,且更偏于赤道东太平洋,而旺盛期海温对同期赤道东太平洋上湍流热通量的影响最大。     

Coupled variability and air-sea interaction in the South Atlantic Ocean

A total of 52 years of data (1949–2000) from the NCEP/NCAR reanalysis are used to investigate mechanisms involved in forcing and damping of sea surface temperature (SST) variability in the South Atlantic Ocean. Organized patterns of coupled ocean–atmosphere variability are identified using EOF and SVD analyses. The leading mode of coupled variability consists of an SST pattern with a strong northeast–southwest gradient and an SLP monopole centered at 15°W, 45°S. The anomalous winds associated with this monopole generate the SST pattern through anomalous latent heat flux and mixed layer deepening. Other heat flux components and anomalous Ekman transport play only a secondary role. Once established, the SST pattern is attenuated through latent heat flux. The higher SST modes are also induced by anomalous winds and destroyed by latent heat flux. It thus appears that the coupled variability in the South Atlantic Ocean consists of atmospheric circulation anomalies that induce SST anomalies through anomalous latent heat fluxes and wind-induced mixed layer deepening. These SST anomalies are destroyed by latent heat flux with no detectable systematic feedback onto the atmospheric circulation. Atmospheric variability in the South Atlantic is found to be largely independent of that elsewhere, although there is a weak relation with ENSO (El Niño-Southern Oscillation).