冬季北太平洋副热带海洋锋区在季节内尺度与大气的相互作用

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海洋锋区是海洋表面冷暖海流交汇而形成的海表面南北温度梯度的大值区,是热带外海气相互作用的关键区域。近年来,对高分辨率观测资料的分析发现,冬季北太平洋海洋锋区呈现特有的双海洋锋结构,同时存在副热带海洋锋区及副极地海洋锋区。研究北太平洋副热带和副极地海洋锋区与大气的相互作用不仅有助于理解热带外尤其是北太平洋海气相互作用过程,还对提高东亚-北太平洋-北美的天气和气候预测能力有重要的科学意义。以往的研究多关注副极地海洋锋区与大气的相互作用,本文利用对观测资料的诊断以及数值试验,重点研究了副热带海洋锋区在季节内时间尺度与大气的相互作用过程,得到的主要结论如下:(1)揭示了冬季北太平洋副热带地区的海表面通量演变特征海表面通量是表征海洋与大气相互作用过程最直接的变量。因此,本文首先研究了副热带地区海表面通量的演变特征。在冬季的北太平洋地区,海表面通量存在两个大值区,其最大值位于黑潮-亲潮及其延伸体(Kuroshio-Oyashio extension,KOE)地区,而次大值位于副热带海洋锋区南侧的副热带地区。相比于研究较多的KOE区域的海表面通量,本文利用观测资料详细分析了副热带地区的海表面通量,发现其主要的变率为天气尺度的变率,并与KOE区域的海表面通量呈现出反相变化,即当副热带地区海表面通量增强(减弱)时,KOE区域海表面通量减弱(增强)。进一步分析显示,冬季北太平洋阿留申低压和副热带高压存的协同变化,通过影响中纬度和副热带地区风应力以及大气低层湿度,进而引起了副热带地区和KOE区域海表面通量的反相变化。此外,副热带地区海表面通量发生变化常伴随着副热带地区对流活动的异常。(2)揭示了冬季北太平洋副热带海洋锋区在季节内尺度与大气存在显著的相互作用过程利用逐日的观测资料,本文的研究发现,冬季副热带海洋锋区强度存在显著地季节内尺度变率,并与大气存在季节内尺度的相互作用。具体过程为:冬季北太平洋大气环流场偶极型的正压结构异常会通过影响海气温度差和风应力的强度使得副热带海洋锋区两侧海表面通量产生异常,使副热带海洋锋区南侧海温升高,北侧海温降低,副热带海洋锋区的强度增强。随着副热带海洋锋区不断增强,锋区南侧的暖海温异常通过向上的海表面通量加热大气,维持其上方大气低层温度的暖异常。而锋区北侧由大气经向风场的持续异常和异常向下的海表面通量异常维持了低层大气的温度冷异常。海表面通量和大气环流的共同作用维持了副热带海洋锋区上方的大气低层斜压性和风暴轴的持续性异常。(3)揭示了冬季副热带海洋锋区在北太平洋海气相互作用中的重要性本文利用高分辨率的WRF模式,基于多年的模拟以及集合模拟研究,通过对比北太平洋副热带和副极地海洋锋区对大气环流场的不同影响,本文的结果表明尽管副热带海洋锋区强度较弱,但其对大气环流场的影响却不弱于副极地海洋锋区,并对低层以及高层的大气环流均产生显著且一致的影响,使风暴轴、西风急流和阿留申低压向下游发展。副极地海洋锋区虽可以对大气低层的斜压性以及风暴轴产生较为一致的影响,但其对大气高层的风暴轴和大气环流场的影响却呈现出较强的逐年变化。模拟结果显示,非绝热加热的作用是副热带和副极地海洋锋区对大气产生如此不同影响的一个主要原因。副热带海洋锋区引起的非绝热加热常可延伸至对流层高层,进而改变整层对流层大气的斜压性,引起整层大气的瞬变涡旋活动异常。然而,副极地海洋锋区在冬季引起的非绝热加热及大气斜压性的改变仅局限在大气的中低层。大气高层对此浅层的非绝热加热变化随着背景场尤其是背景西风急流的不同而呈现出不同的响应。
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