海洋-大气相互作用研究取得新进展

压强调整机制和(b)垂向混合机制主导时大气对SST扰动响应的空间结构示意图  课题组供图

近日，中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室 研究员张荣华研究团队在中高纬度中小尺度海气相互作用机制研究等方面取得新进展，研究结果发表在国际学术期刊Journal of Advances in Modeling Earth Systems (IF=6.66)上。

目前，热带海区大尺度海洋-大气相互作用在观测、认知、模拟和预测等方面都取得了重大进展，而中高纬度区域中小尺度海洋-大气相互作用研究还非常有限，如对中高纬度区域中小尺度海洋-大气耦合动力学过程的认知严重不足，更缺乏系统性的理论体系；模式对中小尺度海洋-大气耦合的表征和模拟仍然存在着极大的不确定性和模拟间的差异性；中小尺度海洋-大气耦合过程对大尺度海气相互作用和气候的影响很不清楚。为此，张荣华研究团队开拓对中高纬度区域中小尺度海洋-大气相互作用等研究工作，旨在认识中高纬度区域中小尺度海洋-大气相互作用机理，提高多尺度海气相互作用认知水平，增强模式对其表征和模拟及预测预估等能力。

高分辨卫星观测资料显示，全球大洋中普遍存在中小尺度海-气耦合和相互作用过程，特别在中尺度涡旋活跃区以及存在强海表温度（SST）锋的热带外区域尤为显著，如黑潮延伸体（KE）和厄古勒斯回流（ARC）区域等。中小尺度海气耦合过程主要表现为中尺度海表风应力和SST扰动之间存在明显的正相关关系。由于目前对中小尺度海气耦合的观测仍相对匮乏，所以大多研究是基于海气耦合模式来开展的，随着高分辨率耦合模式的发展，特别是在涡分辨率的模式中，这种正相关关系能较好地刻画出来。然而模拟的耦合强度却依旧弱于观测，其原因有待于进一步探究。基于此，张荣华研究团队使用由青岛海洋科学与技术试点国家实验室高分辨率地球系统预测国际实验室最新发布的高分辨率CESM（CESM-HR）数据，聚焦于KE和ARC区域，评估了其对中尺度海气耦合的表征能力，揭示出该模式对中尺度海气耦合模拟能力存在区域及季节的依赖性，进一步探讨了其耦合机制。

与卫星观测结果对比表明，CESM-HR能很好地模拟出中小尺度海气耦合的基本特征，在大部分海区其模拟的中小尺度海气耦合强度基本上与观测相当，但在KE区域的夏季仅能达到观测的一半。团队进一步分析了大气边界层对SST扰动响应过程的两个主要机制，即压强调整机制（PA）和垂向动量输送（MDT）机制，结果表明大气响应的主导机制具有明显的季节和区域依赖性。在ARC区域，冬季和夏季海表气压和大气垂向速度扰动都呈现出以SST扰动为中心的偶极子分布型态，这表明在该区域DMT机制在冬季和夏季都起着主导作用。而在KE区域，夏季海表气压和垂向速度扰动呈单极子分布型态，表明PA机制占主导；而冬季呈偶极子型态，表明DMT机制占主导。由于PA机制占主导的风场响应与海表气压扰动紧密相关，而大气垂向热输送可调整气温进而影响气压扰动，这表明该模式在KE区域夏季模拟的耦合强度偏弱（仅为观测的一半）与大气模式中垂向热量混合参数化方案不合理性有关。这一发现对于改进CESM-HR的参数化方法、提高模式模拟和预测能力等都具有重要的科学意义。

研究得到了中科院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中科院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、国家重点研发项目等资助。

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https://doi.org/10.1029/2021MS002822