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海洋所在中高緯度中小尺度海洋-大氣相互作用研究方面取得新進展

撰稿: 海洋研究所 發布時間:2021-12-16

  近日,中國科學院海洋研究所張榮華研究團隊在中高緯度中小尺度海氣相互作用機制研究等方面取得新進展,研究結果發表在國際學術期刊Journal of Advances in Modeling Earth Systems (IF=6.66)上。 

  目前,熱帶海區大尺度海洋-大氣相互作用在觀測、認知、模擬和預測等方面都取得了重大進展,而中高緯度區域中小尺度海洋-大氣相互作用研究還非常有限,如對中高緯度區域中小尺度海洋-大氣耦合動力學過程的認知嚴重不足,更缺乏系統性的理論體系;模式對中小尺度海洋-大氣耦合的表征和模擬仍然存在著極大的不確定性和模擬間的差異性;中小尺度海洋-大氣耦合過程對大尺度海氣相互作用和氣候的影響很不清楚。為此,張榮華研究團隊開拓對中高緯度區域中小尺度海洋-大氣相互作用等研究工作,旨在認識中高緯度區域中小尺度海洋-大氣相互作用機理,提高多尺度海氣相互作用認知水平,增強模式對其表征和模擬及預測預估等能力。 

  高分辨衛星觀測資料顯示,全球大洋中普遍存在中小尺度海-氣耦合和相互作用過程,特別在中尺度渦旋活躍區以及存在強海表溫度(SST)鋒的熱帶外區域尤為顯著,如黑潮延伸體(KE)和厄古勒斯回流(ARC)區域等。中小尺度海氣耦合過程主要表現為中尺度海表風應力和SST擾動之間存在明顯的正相關關系。由于目前對中小尺度海氣耦合的觀測仍相對匱乏,所以大多研究是基于海氣耦合模式來開展的,隨著高分辨率耦合模式的發展,特別是在渦分辨率的模式中,這種正相關關系能較好地刻畫出來。然而模擬的耦合強度卻依舊弱于觀測,其原因有待于進一步探究?;诖?,張榮華研究團隊使用由青島海洋科學與技術試點國家實驗室高分辨率地球系統預測國際實驗室最新發布的高分辨率CESM(CESM-HR)數據,聚焦于KE和ARC區域,評估了其對中尺度海氣耦合的表征能力,揭示出該模式對中尺度海氣耦合模擬能力存在區域及季節的依賴性,進一步探討了其耦合機制。 

(a)壓強調整機制和(b)垂向混合機制主導時大氣對SST擾動響應的空間結構示意圖

  與衛星觀測結果對比表明,CESM-HR能很好地模擬出中小尺度海氣耦合的基本特征,在大部分海區其模擬的中小尺度海氣耦合強度基本上與觀測相當,但在KE區域的夏季僅能達到觀測的一半。團隊進一步分析了大氣邊界層對SST擾動響應過程的兩個主要機制,即壓強調整機制(PA)和垂向動量輸送(MDT)機制,結果表明大氣響應的主導機制具有明顯的季節和區域依賴性。在ARC區域,冬季和夏季海表氣壓和大氣垂向速度擾動都呈現出以SST擾動為中心的偶極子分布型態,這表明在該區域DMT機制在冬季和夏季都起著主導作用。而在KE區域,夏季海表氣壓和垂向速度擾動呈單極子分布型態,表明PA機制占主導;而冬季呈偶極子型態,表明DMT機制占主導。由于PA機制占主導的風場響應與海表氣壓擾動緊密相關,而大氣垂向熱輸送可調整氣溫進而影響氣壓擾動,這表明該模式在KE區域夏季模擬的耦合強度偏弱(僅為觀測的一半)與大氣模式中垂向熱量混合參數化方案不合理性有關。這一發現對于改進CESM-HR的參數化方法、提高模式模擬和預測能力等都具有重要的科學意義。 

  該研究由中科院海洋所博士研究生湯芷葭、張榮華研究員(通訊作者)、王宏娜副研究員和中國海洋大學張紹晴教授、王宏老師共同完成。研究得到了中科院海洋大科學研究中心、青島海洋科學與技術試點國家實驗室、中科院第四紀科學與全球變化卓越創新中心、中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、國家重點研發項目等資助。 

  相關文章鏈接: 

  Tang, Z., Zhang, R.-H. *, Wang, H., Zhang, S., & Wang, H. (2021). Mesoscale surface wind-SST coupling in a high-resolution CESM over the KE and ARC regions. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 13, e2021MS002822. https://doi.org/10.1029/2021MS002822  

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