黑潮延伸区海洋锋与海洋涡旋对大气的强迫作用和机制研究

发布时间：2020-06-02 17:54

【摘要】：本文首先应用海洋涡旋判别资料、高分辨率卫星观测资料、CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料和 WRF(Weather Research and Forecasting)数值模式研究了黑潮延伸区海洋涡旋对大气的影响及其机制,并进一步揭示了大气对海洋涡旋响应的季节差异特征。接着采用高分辨率卫星观测资料和再分析资料等研究了春季黑潮延伸区海洋锋经向位置变化和强度变化特征及其对大气的影响。在此基础上,评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)中不同海洋分辨率模式对黑潮-亲潮延伸区海洋锋的模拟情况,并研究了与海洋锋相联系的海表温度模拟误差和东亚副热带西风急流(EASJ)模拟误差之间的联系,强调了准确描述海洋锋的重要性。主要结论如下:(1)与冷涡相联系的海表温度负异常能够减小海表风速,减弱潜热、感热通量,引起云中液态水含量、水汽含量和降水率减小,暖涡反之。海表风散度异常与下风方海表温度梯度呈线性相关,表明动量垂直混合机制在海洋涡旋影响大气的过程中起着重要作用。涡旋引起的垂直速度异常能够穿越边界层,同时海表温度异常与对流降水异常之间也具有显著的正相关关系,这表明海洋涡旋能够影响自由大气。通过对冬季两个典型中尺度涡旋的个例分析还发现,中尺度海洋涡旋能够影响大气瞬变扰动强度,该影响可达自由大气中低层。大气瞬变扰动强度在暖(冷)涡下游上空出现极大(小)值,平流作用和斜压能量转换贡献显著。(2)观测、再分析资料分析和WRF模拟结果均表明大气对黑潮延伸区中尺度海洋涡旋响应存在显著的季节差异。海表风速、海气热通量、云中液态水含量和降水率在冷季的响应强于暖季,其中冬季最强,夏季最弱。边界层高度响应则是暖季强于冷季,可能是由于暖季垂直混合弱,虚位温垂直梯度的变化较强。此外,纬向扰动动量的垂直输送、风速和垂直速度的响应均是冷季强于暖季,且响应的最大伸展高度在冷季明显大于暖季。大气响应的季节差异与背景大气边界层的稳定度紧密联系,大气越不稳定,风速、热通量和垂直速度等对涡旋的响应越强。(3)春季黑潮延伸区海洋锋的经向位移存在明显的年际、年代际变化。春季黑潮延伸区海洋锋与6月高空急流的南北位置和降水雨带有较好的对应关系:当春季海洋锋偏北(南),6月高空急流、风暴轴和雨带亦偏北(南)。对应于春季海洋锋偏北,6月副热带高压偏北,其西北侧的西南气流控制朝鲜半岛南部和日本本州岛大部地区,有利于降水量的增加。同时,春季黑潮延伸区海洋锋强度有着显著的年际变化。从20世纪90年代中后期开始,海洋锋强度变化振幅显著增大。在黑潮延伸区海洋锋偏强年,同期黑潮延伸区北侧海表温度降低,南侧海表温度升高,东亚-西北太平洋上空出现异常反气旋,使得我国中东部、朝鲜半岛和日本岛中部降水明显增多,偏弱年反之。总体上,海洋锋强度的变化主要通过影响气温分布来改变大气斜压性,从而对大气环流产生作用。(4)CMIP5模式中低(高)分辨率海洋模式模拟的黑潮-亲潮延伸区海洋锋偏南(北),该区海表温度相比集合平均偏低(高)3K(2K),该差异主要源于海洋热输送的差异。此外,海洋模式分辨率较低(高)的海气耦合模式模拟的EASJ位置在四个季节均偏南(北),而EASJ的经向位置又与黑潮-亲潮延伸区海表温度紧密相关。因此,海气耦合模式对黑潮-亲潮延伸区海洋锋更为准确的描述可以改善其对EASJ经向位置的模拟。
【图文】：

示意图,海洋锋,大气边界层,示意图

表风速的正相关关系在全球普遍存在，但关于物理机制的争论仍在继续（Ｓｍａｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．，逡逑２００５；邋Ｓｚｏｅｋｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００４；邋Ｓｐａｌｌ，邋２００７）。逡逑Ｓｍａｌｌｅｔａｌ．邋（２００８）总结了大气边界层对海洋锋的响应过程（图１．２）。在强风条件逡逑下（图１．２ａ），气温没有足够的时间与海表温度达到平衡。此外，尽管海表浮力通量很逡逑强，但强平流作用仍然使得内部边界层获得缓慢发展。与此同时，表面稳定度的快速变逡逑化增大海表粗糙度，动量收支方程中的混合项（Ｆｍｉｘ）增大，引起大动量下传。在这种逡逑情景下，气温和气压变化较小，且由海表向高处衰减。在弱风条件下（图１．２ｂ），气温逡逑有足够的时间向海表温度调整，气团能够通过浮力通量获得快速上升（受水平平流影响逡逑小），内部边界层迅速发展。在逆温层下，强浮力通量致使气温异常均一。但由于逆温逡逑８逡逑

冷涡,暖涡,涡旋,形状

逑度较大，涡旋中心分布在１７２°＿１７４．５°Ｅ、２８．５°—３１．５°Ｎ较为广阔的范围内。该涡旋的逡逑面积于１月２９日达到最大（形态见图２．１ｂ），纬向跨度近２度，经向跨度为３度左右，逡逑属典型中尺度海洋涡旋。另一个个例是在１５４°邋—邋１５６Ｔ、３０°—３５°Ｎ范围内移动的冷涡，逡逑路径见图２．１ｃ。该冷涡持续时间为２００６年１１月３日至１２月３１日，１２月２９日该冷涡逡逑面积达最大（形态见图２．１ｄ），纬向跨度近２度，经向跨度则大于３度，也属于典型中逡逑尺度海洋涡旋。逡逑３２邋逦邋＇Ｓ：逦逡逑３１邋３１邋ｂ邋0逡逑２８邋逦逦逦邋２８邋逦逡逑１７２逦１７２．５逦１７３逦１７３．５逦！７４逦１７４．５逦１７５逦１７２逦１７２．Ｓ逦１７３逦１７３．５逦１７４逦１：４．ｆ）逦１７５逡逑３５．５邋逦邋３４邋逦——逦逡逑：：Ｃ＾Ｙ逦；；逡逑；：：：：邋Ｌ邋＾逡逑３０．５逦逦邋３０邋逦逡逑１５４．５逦１５５逦１５６逦１５Ｂ．５逦１５４逦１５４．５逦１５５逦１５５．５逦１５６逦１５６．ｆｉ逡逑图２．１暖涡（ａ，邋ｂ）、冷涡（ｃ，邋ｄ）路径（ａ，，邋ｃ）（圆点表示涡旋初始位置，三角形表示涡旋终点位逡逑置）和形状（ｂ，邋ｄ）邋（１月２９日的暖涡形状及１２月２９日的冷涡形状）逡逑（２）动态合成方法逡逑为跟踪移动中的中尺度海洋涡旋，考虑其结构、周围环境的分布及变化，参照李英逡逑等（２００５）提出的跟随热带气旋的动态合成方法，类似得到跟随海洋涡旋中心的动态合逡逑成分析方法
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P732.6

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