（气象学专业论文）春季黑潮海区海洋对大气的影响及其可能机制.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 中文摘要 利用2 0 0 3 - 2 0 0 6 年a m s r e ( a d v a n c e dm i c r o w a v es c a n n i n gr a d i o m e t e r ) 。 t 舢( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r e m e n tm i s s i o n ) ，q u i c k s c a t ( q u i c k s c a t t e r o m e t e r ) 和g h r s s t - p p ( g o d a eh i g hr e s o l u ti o ns e as u r f a c e t e m p e r a t u r ep i l o tp r o j e c t ) 等高分辨率卫星资料，分析了春季西北太平洋 i 的黑潮海区上空海洋与大气之间的关系，特别是海洋锋区上海气之间的关 系，并针对这十几年难得一见的黑潮海区大弯曲时海气相互作用的特征进行 分析研究，以及这种变化特征与整层大气的云中液态水含量，整层大气的水 汽量，日降水量的影响。 利用美国夏威夷大学国际太平洋研究中心最近发展的区域气候模式 ( i p r c - r e g c m ) 模拟黑潮海区大气对海温的响应，研究了其海气相互作用的可 能机制。 资料分析表明，黑潮海洋锋区上海温与海表面风速之间存在明显的正 相关关系，特别是当海洋锋区强并在其上产生明显的海洋波动时，海温与 海表面风速之间的正相关关系表现得更为显著。这种海温与海表面风速之 间的正相关关系与太平洋海盆尺度的海温与海表面风速之间的负相关关系 正好相反，清楚反映了春季黑潮海区海气之间表现为海洋对大气的作用。 随后，采用一个高分辨率的区域大气模式进一步研究了海洋影响大气的可 能机制。数值模拟表明，黑潮海区海洋锋区上海温变化可通过影响大气边 界层稳定度以及边界层垂直混合来影响海表面的风速，即海温升高时大气 边界层稳定性减弱，垂直混合增强，从而把高层较大风速带至海表面，海 表面风速增强；反之，海温降低则大气边界层稳定性增强，垂直混合受到 抑制，海表面风速减少。 关键词：卫星资料黑潮海区海洋锋春季海洋对大气的影响 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a t e s th i g h - r e s o l u t i o ns a t e l l i t em i c r o w a v em e a s u r e m e n t sa g eu s e dt os t u d y t h ea i r - s e ai n t e r a c t i o n so v e rt h ek u r o s h i oa n di t se x t e n s i o n0 正) i ns p r i n gs e a s o n , e s p e c i a l l yo v e rt h eo c e a n i cf r o n t s r e s u l t si n d i c a t et h a ts u r f a c ew i n ds p e e d o v e r t h ek ei sp o s i t i v e l yr e l a t e dt oi t su n d e r l y i n gs e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) ，i n p a r t i c u l a r , t h es u r f a c ew i i l ds p e e da n ds s ta r eh i g h l yc o r r e l a t e dw h e n t h eo c e a n i c f r o n t sa r ew e l ld e v e l o p e d ，a n do c e a nh y d r o d y n a m i ci n s t a b i l i t i e sc a u s et h ek et o m e a n d e ra n dr e s u l ti nl a r g es s tv a r i a t i o n s t l l i sp o s i t i v es s t - w i n dc o r r e l a t i o n o v e rt h es t r o n gk u r o s h i oc u r r e n ta n di t se x t e n s i o ni so p p o s i t et ot h en e g a t i v eo n e o f t e no b s e r v e di nb a s i ns c a l eo v e rt h en o r t hp a c i f i c t h el a t t e rc o r r e l a t i o ni s u s u a l l yc o n s i d e r e dt ob ei n d i c a t i v eo fa t m o s p h e r e - t o - o c e a nf o r c i n gw h i l et h e f o r m e ro n ei sc l e a r l yi n d i c a t i v eo fo c e a n - t o a t m o s p h e r ef o r c i n g t h em i c r o w a v es c a t t e r o m e t e rs e a w i n d sw a sl a u n c h e do nt h eq u l k b i r d s a t e l l i t ei nj u n e19 9 9 w er e f e rt ot h i si n s t r u m e n ta sq u i k s c a t ( o rq s c a t ) t o d i s t i n g u i s hi tf r o mt h en e a r l yi d e n t i c a ls e a w i n d ss e a t t e r o m e t e ro nm i d o r i - i i ( a d e o s - i i ) ，l a u n c h e dd e c e m b e r , 2 0 0 2 t h ep r i m a r ym i s s i o no ft h e s es e a w i n d s s c a t t e r o m e t e r si st om e a s u r ew i n d sn e a rt h eo c e a ns u r f a c e t h e ya r ea l s ou s e f u l f o rs o m el a n da n ds e ai c ea p p l i c a t i o n s ，n l es e a w i n d si n s t r u m e n t sa l et h et h i r d i nas e r i e so fn a s as c a t t e r o m e t e r st h a to p e r a t ea tk u - b a n d ( i e ，af r e q u e n c yn e a r 1 4g h z ) 啊1 ef i r s tk u b a n ds c a t t e r o m e t e rw a sf l o w no ns e a s a ti n19 7 8 e i g h t e e ny e a r sl a t e r , n s c a tw a sl a u n c h e do nj a p a n sm i d o r i - i ( a d e o s - d s p a c e c r a f ti na u g u s t 19 9 6 1 r i l ee u r o p e a n sa l s of l ys a t e l l i t es c a t t e r o m e t e r s ， w h i c ho p e r a t ea tc b a n d ( a p p r o x 5g n z ) ，o nt h e i re r ss p a c e c r a f t s s i n c e2 0 0 0 ，t h en e wg e n e r a t i o ns e as u r f a c e t e m p e r a t u r e ( n o s s t ) d e v e l o p m e n tg r o u p ( l e a d e r ：h i r o s h ik a w a m u r a ) h a sb e e nw o r k i n go nan e w s a t e l l i t e - b a s e ds s tp r o d u c lw h i c hu t i l i z e sb e n e f i t so ft h em o d e ms a t e l l i t e i n s i t u b a s e do c e a no b s e r v i n gs y s t e m sa n do v e r c o m e sw e a k n e s s e so ft h ep r e s e n t o p e r a t i o n a ls s tp r o d u c t s ( l i t e r a t u r e s ，s a m p l ep r o d u c t s ) r e a l - t i m eg e n e r a t i o n n 南京信息工程大学硕士学位论文 a n dd i s t r i b u t i o no ft h en e ws s tp r o d u c t sf o ro p e no c e a n sh a ss t a r t e d n 呤 d e m o n s t r a t i o no p e r a t i o no fn g s s t ov e r 1 0i sc a r r i e do u ta tt h ef o l l o w i n g w e b f t ps i t e ss a t e l l i t es s to b s e r v a t i o n sf r o mi n f r a r e dr a d i o m e t e r s ( a v h r r , m o d i s ) a n dam i c r o w a v er a d i o m e t e r ( a m s r - e ) a r eo b j e c t i v e l ym e r g e dt o g e n e r a t et h es s tp r o d u c t ，w h i c hi s 删i t y - c o n t r o l l e d ，c l o u d f r e e ，h i g h - s p a t i a l r e s o l u t i o n ( 0 0 5d e g r e e g r i d e d ) ，w i d e c o v e r i n g ( 5 0d e g r e ex5 0d e g r e e ) ，a n dd a i l y s s td i g i t a lm a p u s i n gt h es a t e l l i t e - d e r i v e ds s t s ，af w s tg u e s s ( m e a ns s t w e i g h t e db yt h ea u t o - c o r r e l a t i o n si na l lo b s e r v a t i o n a lw i n d o w ) i sc a l c u l a t e d , a n d t h e nt h eg r i ds s t sa r ep r o d u c e dt h r o u g ha no p t i m u mi n t e r p o l a t i o ns c h e m ew i t h d e - c o r r e l a t i o ns c a l e so f2 0 0 k mi nl a t i t u d e l o n g i t u d ed i r e c t i o n sa n d5d a y si nt i m e i no r d e rt or e p r e s e n tt h es m a l l - s c a l ea n dh i g h - f r e q u e n c ys s tv a r i a t i o n s ，t h e s e p r o c e s s e sh a v eb e e nt e s t e da n de s t a b l i s h e d t h ea n a l y z e da r e ao fn e ws s t ( 13 - 6 3 n ，116 16 6 e ) c o v e r st h ew h o l ea r e a so ft h eo k h o t ks e a , b o h a i y e l l o w s e aa n de a s tc h i n as e aa sw e l la st h ew e s t e mn o r t hp a c i f i co c e a n s i n c et h e g r i ds i z ei so 0 5d e g r e e ，t h ep i x e la n dl i n en u m b e r so fs s tm a pa r eb o t h10 0 0 a 1 1 i 曲r e s o l u t i o nr e g i o n a la t m o s p h e r i cm o d e li su s e dt os t u d yt h ep o s s i b l e m e c h a n i s mf o rs u r f a c ew i n da d j u s t m e n tt os s tv a r i a t i o n s a st h er e g i o n a lm o d e l i sf o r c e db yn c e p n c a rr e a n a l y s i sa n do b s e r v e ds s t st h em o d e lw e l l s i m u l a t e st h ep o s i t i v es s t - w i n dc o r r e l a t i o n , i e ，h i g h ( w e a k ) s u r f a c ew i n d sa r f o u n dt ob ea s s o c i a t e dw i t hw a r m ( c o l d ) s s t s f u r t h e ra n a l y s i sd e m o n s t r a t e st h a t t h ev e r t i c a lm i x i n go fm o m e n t u mn e a rt h es u r f a c ep r o p o s e db yw a l l a c ee ta 1 ( 19 9 0 ) i sr e s p o n s i b l ef o rt h ea t m o s p h e r i cr e s p o n s et os s tv a r i a t i o n so v e rt h ek e o c e a n i cf r o n t s n a m e l ya l li n c r e a s ei ns s tr e d u c e st h es t a t i cs t a b i l i t yo ft h e n e a r - s u r f a c ea t m o s p h e r e ，i n t e n s i f y i n gt h ev e r t i c a lt u r b u l e n c em i x i n ga n d b r i n g i n g f a s t e rm o v i n ga i rf r o ma l o f tt ot h es e as u r f a c e ，a n dv i c ev e r s a k e yw o r d s ：k u r o s h i oe x t e n s i o n ， o c e a n i cf r o n t ， o c e a n a t m o s p h e r e f e e d b a c k ，s a t e l l i t eo b s e r v a t i o n s ，s p r i n gs e a s o n 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：a 雌 e l 期：叱i 2 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章引言 在北太平洋西部海域，有一股强劲的海流犹如一条巨大的江河，从南向北，滚滚向 前，昼夜不息地流淌着，它就是黑潮。它从我国台湾东侧流入东海，继续北上，过吐噶 喇海峡，沿日本列岛南面海区流向东北；大约在3 5 。n 、1 4 1 。e 附近海域，离开日本 海岸婉蜒东去；最后在1 6 5 9e 左右的海域里向东逐渐散开。黑潮流到了这里，人们就 叫它北太平洋流了。黑潮从它的源头，从太平洋的低纬度海域流向高纬度，南北跨越约 1 6 个纬度( 2 0 。3 6 。n ) ，东西跨越约1 1 5 个经度( 5 0 。一1 6 5 。e ) 流经东海和日本 南面海区，行程4 0 0 0 多公里，如果加上黑潮续流，全程约6 0 0 0 公里n 1 。 当冷空气南下，会造成气温迅速降低，而当寒冷的气流到达黑潮流经的海域时，强 烈的水汽温差，导致接近海面的空气非常不稳定，乱流、对流强烈，容易产生大风和雷 暴天气。这时该海域产生的风力往往比一般要大2 0 - - 5 0 口1 。 夏季，它的表层水温达3 0 ，到了冬季，水温也不低于2 0 。在春、夏两季黑潮 的主干温度比多年平均值要略低一些，最大的温差出现在春末夏初的6 月的下2 周和7 月第l 周，当时黑潮主干温度比多年同期平均要低出1 1 左右。秋、冬两季就平均而 言比多年平均值略高一些，特别是在秋冬交会时，差别比较大n 1 。 1 1 国内外关于黑潮地区海气相互作用研究的现状与进展 l 1 1 我国学者对黑潮的研究成果 黑潮是热带西太平洋最强劲的海流，在由南向北的质量和热量通量中起着重要的作 用。蒲书箴等1 4 1 分析了1 9 8 7 年和1 9 8 8 年黑潮异常输送的变化，认为黑潮输送异常导致 了西北太平洋水温、水位和潜热通量变化的差异。当它从菲律宾以东洋面起源并进入西 北太平洋时，就把大量的海水质量、热量以及它本身的高温高盐水体所富含的各种其他 物质和生物量输往西北太平洋。海洋气象学家障1 的研究告诉人们，通过对冬季黑潮水温 的变化，可以预测来年的气候。对我国与日本等国气候影响最大的，是黑潮的“蛇形大 弯曲”，是指黑潮主干流有时会形如蛇爬那样弯弯曲曲。如果“蛇形大弯曲”远离日本 海岸，结果是沿岸的气温下降，寒冷干燥；相反，则使日本沿岸气温升高，空气温暖湿 润。 南京信息工程大学硕士学位论文 谷德军等m 1 的研究结果表明，黑潮输送的增加减小了北太平洋中部的s s t 梯度，大 气对此的响应是西风减弱，减弱的西风导致了海洋副热带环流的减弱，潜沉水也相应减 少。孙湘平订1 指出黑潮是流速很强且较稳定的单支海流，没有多支现象；黑潮逆流则不 同，有时为单支，有时为2 支甚至3 支出现，带有多支性成份。多年平均而言，该断面 上3 rn 为黑潮与黑潮逆流的分界线。冬季，黑潮主要出现在3 1 。一3 3 。n 之间，黑潮 逆流主要出现在2 9 。 3 0 9n 之间；夏季，黑潮主要出现在3 l9 3 4 。n 之间，黑潮逆 流主要出现在2 8 6 胡1 9n 之间。我国学者嘲对黑潮体积输送也进行了一定的研究。就 对黑潮热输送变化的贡献来说，来自低纬度的黑潮体积输送的强弱处于第l 位，而水体 温度的高低是第2 位的，两者的贡献有量级的差异。 李忠贤等饽1 的结果表明：1 月份黑潮区域海温偏高( 低) 时，乌拉尔山附近和雅库茨 克附近的阻高加强( 减弱) ，在这两个阻高之间的低压槽加深( 减弱) ，西北太平洋副热 带高压加强( 减弱) 、西伸( 东撤) ，亚洲夏季风明显偏弱( 强) ，导致副热带高压西侧的暖 湿气流输送到长江中下游地区( 我国北方地区) ，从而使长江中下游地区的夏季降水增多 ( 减少) 。而倪东鸿等n 的研究指出夏季黑潮海温正异常年时，长江流域降水偏多，洞 庭湖流域显著偏多；负异常年时则反之。夏季黑潮海温正( 负) 异常时，东亚环流发生异 常，长江流域有南北距平风交汇( 中国东部一致为偏北风距平) ，对流旺盛( 对流不旺盛) ， 有利于中国长江中下游降水偏多( 少) 。 徐海明川的分析结果表明，华南夏季降水与前期冬季1 月的黑潮海温存在显著的负 相关，冬季1 月黑潮异常增暖有利于华南夏季干旱的产生，而异常偏冷则有利于洪涝的 产生。黑潮的存在和异常与北半球大气环流有着密切的联系。王黎娟等n 2 1 认为季节转 换时期( 4 6 月) 黑潮地区海温对南海夏季风爆发早迟有一定影响，且通过数值试验研 究表明，黑潮地区海温正异常，将导致西太平洋副高位置偏南，强度偏强，南海大部分 地区还处于副高南侧的偏东气流之下，阻碍南半球越赤道气流的东伸北抬，导致南海夏 季风建立较晚，强度偏弱，江淮流域偏涝；反之亦然。 1 1 2 国外的研究成果 黑潮主要位于上层5 0 0 m 内，在其东侧有南、北向流交替出现，可能与吕宋岛东侧暖 涡有关n 3 1 4 3 。 m a s a m in o n a k a 等n 钉利用卫星资料揭示了日本东部黑潮续流上空海表温度与风速 2 南京信息工程大学硕士学位论文 的强烈变化。海洋动力不稳定使得黑潮续流蜿蜒而行并导致大面积的海表温变化。风速 的增加( 减少) 与暖( 冷) 的海表温度异常有关。用浮标检测了在黑潮地区的这种海表 温与风场的正相关并由垂直切变机制而持续。换句话说，海表温度的增加使得近表面大 气的静力稳定度减少，垂直扰动混合层增强，并将高处快速移动的大气带到海表面。众 所周知，日本南部的黑潮有离岸和近岸两种路径变化，这两种路径可以持续几个月甚至 数年。当黑潮变化路径时，卫星资料就可以观测到随之的风场变化。尤其当黑潮近岸时 东京南部的风速很大，而这暖流改变成离岸路径时风减小了很多。n o n a k a 等n 酣用海洋 环流模式研究了副热带经向环流的年代际变化和赤道太平洋s s t 的关系，认为年代际尺 度的s s t 变化中赤道风和热带离赤道风( o f f e q u a t o r i a lw i n d ) 同样重要，热带离赤道风通 过加强或减弱对热带输送冷水的s t c 而影响赤道太平洋的s s t ，这种影响比赤道局地风 的影响滞后2 a 。 s h a n gp i n gx i e n 从风场和云这两个方面研究对冷洋表面温度的响应，研究表明在 赤道冷舌到中纬北太平洋及南海的海表温度导致的动量的垂直混合是普遍存在的，表面 风随之调整。而由于锋的宽度小于大气调整的尺度以及近表面大气的静力稳定度变化非 常快，所以垂直混合机制主导了整个近海洋锋。而由此导致的海表温度和风场的变化是 正相关的。在小尺度情况下水汽辐合是云形成的重要机制，从而使得海表温度和云形成 正相关。 w y r t k i u 引认为事件发生前期，赤道太平洋地区有东风异常出现，在西太平洋地区有 大量暖水堆积。一旦异常东风减弱或转为异常西风，就使得西太平洋暖池的暖水回流向 赤道中东太平洋，同时也会激发出东传的k e l v i n 波。当k e l v i n 波传播到中东太平洋以 后，使得赤道中东太平洋地区的海水上翻减弱甚至下沉，从而使中东太平洋s s t 升高。 q i ub o u 训指出1 9 9 3 - 9 6 ( 1 9 9 7 - 2 0 0 1 ) 年的平均黑潮续流减弱( 增强) 趋势是由于 黑潮流域南部的s s h 负( 正) 异常和北部的s s h 正( 负) 异常向西扩张引起的。 众所周知无论是海表面还是高空，基本尺度的北太平洋的海表温度变化与风速有着 极大的相关。在冬季正的海表温异常常常伴随着盛行风的减弱1 。这种s s t 和风速的 负相关被认为是通过表面潜能和热通量的手段使大气响应到海洋的显著表现他。但是 另一方面在温带海洋反馈到大气的还没有确凿的证据，这是因为一方面由于高层的天气 扰动，另一方面是因为记录资料的短缺。而大气环流模式对于大气是否以及怎么响应到 温带海洋的s s t 异常还存在不一致删。目前研究最大的障碍是资料问题，特别是缺乏 3 南京信息工程大学硕士学位论文 长时间序列的、直接的海流观测资料洲。 1 2 本文拟研究的问题与研究意义 对于海洋一大气系统来说，海气相互作用是一种相互调整，相互制约和相互适应的 反馈过程，大气和海洋是两种不同的介质，它们之间紧密相连，它们的运动相互作用、 相互制约。一方面，海洋对大气加热影响大气运动：另一方面，大气运动通过风应力对 海流产生影响，使海水产生风吹流和上翻运动，使海温分布发生变化以致改变海洋对 大气的加热作用，这样海洋对大气产生热力影响，而大气对海洋产生动力影响，使海气 相互作用过程复杂化。 海表温度( s s t ) 是海洋影响大气和其他气候子系统的最重要的物理量，它的季节 变化，年际变化及更长时间的变化对气候系统的变化都很重要，因此有必要对其进行深 入的研究。 从以上的国内外关于黑潮海温的研究中我们也发现，大多数从事黑潮研究的学者把 注意力集中在黑潮本身的变化，对黑潮海域的海气相互作用研究较少。仅有的研究也只 是集中于一些研究海温、海气热交换等各种海洋热力因子及其对大气的影响，但对大洋 风场、风应力及其对海洋的影响研究较少。近年来，大量的高分辨率卫星观测资料( 譬 如t r m m 、s s m i 、a m s r e 和0 u i k s c a t 等) 揭示了很多以前无法观测到的新现象，对于以 前我们由于缺乏中纬度地区高分辨率资料而使温带海洋反馈到大气的还没有确凿的证 据是很有帮助的。 1 3 主要研究内容 本文采用多种高分辨率的卫星资料，分析研究西太平洋的黑潮海区在春季其海气相 互作用是如何进行的，用数值模式对其相互作用的物理机制进行一定的研究，并针对近 十几年来的一次黑潮海流大弯曲进行详尽的分析，考察黑潮地区海气相互作用的具体变 化特征。 本文将4 年( 2 0 0 3 年 - 2 0 0 6 年) 春季的t r m m ，a m s r ，q s c a t 与g h r s s t 这四种卫星 资料分别对黑潮海区的海表温度，风场，降水，云水以及水汽进行分析比较，采用这几 组资料来考察黑潮地区春季海气相互作用的特征，其年际变化特征等等。然后利用区域 气候模式i p r c - r e g o a 对黑潮海区进行模拟分析，得出高时空分辨率的输出结果，用以 4 南京信息工程大学硕士学位论文 检验模式对黑潮海区变化特征的模拟能力并验证观测分析的一些结果。 具体各章的主要内容如下：第一章为引言，阐述了有关西北太平洋黑潮海区海气相 互作用的研究现状和进展，选题的主要目的和其意义，以及本文主要的研究内容；第二 章介绍文章所用的数据资料和模式中简单的物理机制：第三章对春季黑潮海区的海气相 互作用特征进行了诊断分析；第四章对近十几年来出现的唯一一次的黑潮大弯曲进行了 诊断分析，研究其成因；第五章利用i p r c - r e g c m 模式对西北太平洋黑潮海区进行了模 拟，对其模式结果进行初步分析；第六章给出了观测分析和模拟研究后的主要成果和结 论，提出有待于进一步研究的问题，展望今后所要开展的研究工作。 5 - 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章资料说明及模式简介 2 1 所用的数据资料介绍 白上个世纪九十年代以来，美国宇航局( n a s a ) 发射了一系列搭载了不同遥感器的 海洋和气象观测卫星。由这些卫星观测的高分辨率的资料已被广泛用来揭示广阔海洋上 海洋和大气的一些细微结构和特征瓦矧。 1 9 9 7 年8 月，美国宇航局发射了一个热带测雨( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n g m i s s i o n ，简称t r 姒) 卫星，t r 删卫星上的微波遥感器可穿透云层观测全球热带地区的 海表面温度( s s t ) 以及降水率、整层大气的云中液态水含量、整层大气的水汽量等。 t r m m 卫星观测的高分辨率资料被广泛用来研究热带地区的海气相互作用，其水平分 辨率为0 2 5 。0 2 5 。经纬度。 2 0 0 2 年，美国宇航局发射了一颗载有比t r 胤卫星上的微波遥感器更先进的a g u a 卫星，该卫星载有先进的微波扫描辐射仪( a d v a n c e dm i c r o w a v es c a n n i n gr a d i o m e t e r ， 简称a m s r ) ，a m s r 可对每天的海表面温度作全天候的观测，同时把观测范围扩展到全球 并提高了观测精度，a l s r 同时也观测每天全球的海表面风速、降水率、整层大气的云 中液态水含量、整层大气的水汽量等，其水平分辨率为0 2 5 0 0 2 5 0 经纬度。 1 9 9 9 年7 月，美国宇航局发射了一颗专门用来观测海表面风场的q u i c k s c a t t e r o m e t e r ( 简称q u i c k s c a t ) 卫星，该卫星搭载的微波散射仪可观铡每天全球海 洋上的海表面1 0 米处风矢量场啪1 ，其水平分辨率也为o 2 5 0 0 2 5 0 经纬度。 2 0 0 3 年n g s s t ( n e wg e n e r a t i o ns e as u r f a c et e m p e r a t u r e ，g o d a eh i g hr e s o l u t i o ns e a s u r f a c et e m p e r a t u r ep i l o tp r o j e c t 的一部分) 小组开发了一种新的高分辨率海表温度卫星 资料，它综合了红外散射仪a v h r r ( a d v a n c e dv e r y h i g hr e s o l u t i o nr a d i o m e t e r ) ， m o d i s ( m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o - r a d i o m e t e r ) 和微波散射仪a m s r e 三种 卫星资料，区域为1 1 6 。e 1 6 6 。e ，1 3 。n 6 3 。n ，覆盖了o k h o t k 海，渤海黄海， 中国东海以及西北太平洋。其水平分辨率为0 0 5 。0 0 5 。经纬度。 本文采用了上述卫星资料从2 0 0 3 年1 月到2 0 0 6 年1 2 月的日及月平均资料，其中 t r 姗卫星观测资料为从1 9 9 7 年开始到2 0 0 5 年 6 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 数值模式简介 本文采用由美国夏威夷大学国际太平洋研究中心的王玉请研制开发的区域气候模 式( i p r c r e g c m ) 。该模式是在高分辨率的热带气旋模式t c m 3 的基础上发展而成的。 它补充了精确的辐射收支计算船9 。矧和显式云微物理方案，改进了云参数化和b a t s 陆面 模块，并包含了一个湍流垂直混合参数化方案，还考虑到气候系统中一些细节的反馈过 程，例如云、辐射和地表之间直接的相互作用，格点尺度内和格点尺度云过程的相互作 用，云浮力对产生扰动造成的影响和耗散热量的计算等。这里对i p r c r e g c m 进行简 要的介绍。模式的详细介绍可以参见w a n g 等口的文章。 模式原理是，给定大尺度大气环流为背景，具有能够分辨出精细化的复杂地形、海 陆差异、陆面过程和物理过程的高分辨率的有限区域模式，在由再分析资料或全球大气 环流模式提供的大尺度环流的驱动下，能够生成实际的高时空分辨率信息。模式的主要 特点是( 1 ) 积云中云水和云冰直接反馈入格点解析的量；( 2 ) 考虑云浮力和混合冰相 云对扰动生成的影响；( 3 ) 通过云的各种特性对云的微物理过程和云辐射进行复杂耦合； ( 4 ) 通过地表反照率和直接散射通量，考虑地表和辐射之间的复杂耦合：( 5 ) 考虑摩 擦耗散热量的影响。 模式采用球坐标系下的原始水汽方程，o 作为垂直坐标。为了实现长时间高精度、 高准确率的积分，模式采用一个四次保守有限差分方案口羽和二次蛙跳方案，在时间积 分上采用欧拉后差积分方案。模式垂直方向上从i 到0 分为2 8 个不等距0 层，在行星 边界层上层数较为集中，以更好的反映出大气边界层过程。 模式物理过程方案依照最新的研究进展而选定。综合的云微物理过程方案用来处理 格点尺度的湿过程，方案中共考虑了3 6 个不同的云微物理方案1 。方案中的诊断量包 括水汽、云水、雨水、云冰、雪和霰的混合比。次网格对流过程，如浅对流，中层对流 和深对流，都基于起初由t i e d t k e 1 发展而后由n o r d e n g 汹1 修改的积云质量通量参数化 方案而考虑。次网格尺度的垂直混合由e i - 一e 闭合方案完成瑚1 ，方案中扰动动能( t k e ) 及其耗散率作为诊断量，海表通量采用t o g ac o a r e 算法计算嘴1 。陆面模式中采 用b u l ka e r o d y n a m i c 方法和生物圈一大气传输方案m 1 。地表土壤和植被温度初始场从 模式最低层并按照6 。c k = 的标准递减率而得。土壤湿度场的初始化依赖于植被和土壤 类型模式h 0 1 。模式采用的辐射方案是起初由e d w a r d s 和s l i n g o h n l 9 9 6 年发展，而后由 s u n 和r i k u s m 3 修改的辐射计算方案，其中长波辐射包含了7 个带，短波辐射包含了4 7 南京信息工程大学硕士学位论文 个带。模式中设定了随季节变化的气候平均臭氧含量以及根据现今气候而定的一定比例 的二氧化碳含量。 w a n g 等对模式进行了细节的描述，并评价了模式对东亚区域气候的模拟性能。 模式也用来模拟东太平洋的区域气候，很多学者利用i p r c - r e g c 2 模拟东太平洋的区域 气候取得了不少成果，包括大气对热带不稳定海洋波的响应m 1 ，东南太平洋的边界层 云m 3 ，安第斯山脉和中美洲山脉的影响h 洲1 。 - 8 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章春季黑潮海区的海气相互作用 在低纬度和热带海表面温度相对较高的暖洋面上，海温的变化往往通过引起深对流 的调整从而对大气环流产生影响，而这种深对流调整主要表现为第一斜压模态结构h 卜 删。所以，在热带暖洋面上，海温、深对流以及海表面风场之间存在很好的耦合关系， 正是这种海气之间的关系很好地用来解释像e n s 0 这样的热带海气相互作用的现象1 。 在海温相对较低的中高纬洋面上，相对而言深对流较少出现，大气对海温变化的调 整明显不同于海温较高的热带洋面上n 。长期以来，人们对中纬度地区的海气相互作 用进行了广泛的研究拍1 一圳。大量研究表明海盆尺度的太平洋海表面温度与海表面风速 存在显著的负相关旧1 。人们发现冬季负( 正) 海温异常往往出现在海表面盛行风风速 增强( 减弱) 的地区踟隅1 ，这种海温与海表面风速之间的负相关关系表明了大气对海 洋的强迫作用1 ，而这种大气对海洋的强迫作用明显可通过海表面感热和潜热通量来 解释阢2 3 儿刚。 至于中纬度海洋对大气的反馈作用一直缺乏有效的观测证据，其原因在于：一方面， 中纬度地区有频繁的天气尺度系统的活动，另一方面缺乏长时间和高分辨率的观测资 料。以往的研究主要通过大尺度的相关关系来讨论中高纬海洋对大气的影响。n a m i a s 发现夏季阿留申地区的海温异常与后期大气环流存在显著的相关，表明海洋对大气可能 存在影响。赵永平等剐也指出冬季黑潮海域海洋异常加热对后期海平面气压和5 0 0 h p a 高度场都存在一定的影响。通过计算黑潮海区海温与海平面气压的滞后相关，l i ua n d w u 呻1 指出在秋季黑潮海区可能存在大气对海温的响应。最近，f r a n k i g n o u l 等嵋1 采用滞 后最大协方差分析方法，指出在夏末和秋末初冬北太平洋存在海温异常对大尺度大气环 流的影响。至于海洋是如何影响大气的，其影响的过程和机理如何还没有得到很好解释。 上个世纪9 0 年代后期，全球大气环流模式被广泛用来研究大气对中高纬海温异常 的响应。研究表明，大气对海温异常的响应很大程度取决于大气的基本状态和海温异常 的位置，由于基本状态的不同，相同的海温异常可以导致完全不同的大气响应池1 。至 于在大气环流模式中大气是如何响应海温异常的，到目前为止仍没有达成共识哺3 1 。 海洋锋区( 类似于大气中的锋区，表现为海表面水平温度梯度大的狭窄区域) 提供 了一个独一无二的机会来研究海洋对大气的反馈作用。海洋锋区通常与强海流相联系， 9 南京信息工程大学硕士学位论文 海流的水动力不稳定导致了海洋锋区产生波动从而引起海温变化。由于海洋锋区本身较 窄( 几十千米) 而且往往出现在远离海岸的大洋海上，常规的观测很难监测到。近年 来大量高分辨率的卫星观测资料使人们研究海洋锋区上的海气相互作用特征成为可 能。h a s h i z t n n e 等洲利用高分辨率的卫星资料研究了赤道东太平洋海洋锋区上海洋不稳 定波引起的大气变化，他们的观测研究清楚地揭示了海温与海表面风速显著的正相关关 系这种海温与海表面风速之间的正相关与冬季中高纬海温与风速之间负相关关系刚好 相反。 本章的目的就是要利用最新的高分辨率卫星观测资料，研究西北太平洋黑潮海区海 洋锋区上的海气之间的关系。作为北太平洋副热带西边界流，强大的黑潮暖海流与来自 极地的冷海流在日本南部沿海汇合，形成南北水平温度相对较大区域，即海洋锋区。作 为一个典型例子，图3 1 给出了由美国a g u a 卫星上搭载的先进微波扫描辐射仪a m s r 观测的2 0 0 5 年3 月1 日西北太平洋黑潮海区的海温分布。由图可见，在日本以东的洋 面上明显存在南北两条海洋锋区，其中南锋区位于3 5 0 n 附近，呈东西走向，并具有明 显的波状结构，形成明显的暖脊和冷槽。北锋区位于4 0 。n 附近，略呈西南一东北走向。 3 1黑潮海区春季海温的多年平均特征 图3 2 a 给出了0 3 - - - 0 6 年春季( 3 - 4 月) 平均的a m s r 海表面温度和海表面1 0 米 高处的风速。尽管已取了4 年资料的平均，但从图3 2 a 中还可以清楚看到，在日本以 东的洋面上仍然明显存在南北两条海洋锋区。南锋区位于3 5 。附近，自日本沿海向东 呈波状形式，形成明显的暖脊、冷槽，其波长约为6 0 0 - - - 8 0 0 千米n 钉嘲1 ，研究已表明这 些锋区上的波动主要是由黑潮急流的动力不稳定所造成的乜5 脚1 。比较锋区上的海洋波动 与a m s r 卫星资料观测的海表面风速的分布，不难发现海表面风速与锋区上海温的冷暖 分布存在很好的一一对应关系，在暖的温度脊上空，对应于海表面风速的大值区，而冷 的温度槽上空则对应于风速的小值区。例如，位于1 5 0 。e 、3 5 。n 附近为一明显的暖脊， 明显对应于一风速大于9 米秒的大风速区，而在东西两侧的冷槽区( 1 4 7 。e 、3 5 。n 和1 5 5 。e 、3 5 。n 附近) 风速明显减弱。这种暖海温对应于海表面风速增强、冷海温对 1 0 - 南京信息工程大学硕士学位论文 应于海表面风速减少的关系同样清楚地反映在位于4 0 。n 附近的北锋区上。尽管北锋区 的走向与南锋区的东西向明显不同，呈西南一东北走向，其上的波动振幅和波长也明显 小于南锋区上波动振幅和波长，但同样可以清楚可到，锋区上暖脊上空明显对应于海表 面风速的大值区，而冷槽上空对应于海表面风速的小值区。 为了进一步验证上述海温与海表面风速之间关系的可信性，图3 2 b 给出了 o u i c k s c a t 卫星同期观测的海表面1 0 米高处的风矢量和风速场。比较图3 2 a 和图3 2 b ， 不难发现，尽管q u i c k s c a t 卫星采用与媸t s r 完全不同的遥感器，但是除o u i c k s c a t 卫 星观测