北太平洋海洋锋区结构影响中纬度瞬变涡旋活动的机制研究

The North Pacific oceanic frontal zones (OFZ) are the key region for mid-latitude air-sea interactions, with crucial impacts on the transient eddy activities over the whole North Pacific and the downstream regions. With the aid of the high-resolution satellite observation data, the fine structure of the North Pacific OFZ has been illustrated recently. Instead of a simple baroclinic zone covering thousand of kilometers, the OFZ actually consists of both subarctic and subtropical OFZ, characterized with multiple strong baroclinic belt with a length scale of hundred kilometers. Numerical simulations with a high resolution atmospheric model show that the fine structure of the OFZ significantly changes the strength and the spatial distributions of the basin-scale transient eddy activities. However, the reasons for such evident influence are still unknown. This project aims to investigate the mechanisms though which the fine structure of the North Pacific OFZ affecting the mid-latitude transient eddy activity by diagnosing the high resolution reanalysis data and multi-model numerical simulations, which would practically benefit the improvements of the new generation high-resolution GCMs and the regional climate projections.

北太平洋海洋锋区是中纬度海气相互作用的关键区域，也是影响北太平洋及下游区域大气瞬变涡旋活动的关键区域。近年来，随着高分辨率卫星观测资料的使用，北太平洋海洋锋区的精细结构被清晰地揭示出来。北太平洋的西侧及该区域低层大气并不是经向尺度可达千公里的单一的斜压区，而是主要由副极地锋区和副热带锋区所代表的、多条尺度为百公里的强斜压带组成的、具有复杂温度梯度分布的区域。高分辨率大气模式的模拟结果显示，海洋锋区的精细结构与低分辨率的边界条件相比能显著改变整个北太平洋区域瞬变活动的强度和空间分布。然而，海洋锋区复杂结构影响中纬度大气瞬变涡旋活动的机制还有待揭示。本项目将综合利用对高分辨率再分析资料的诊断分析和多模式数值模拟，揭示北太平洋的海洋锋区结构影响中纬度大气瞬变涡旋活动的正压和斜压过程、及其与大气环流相互作用的具体机制。该研究对新一代高分辨率大气环流模式的改进及区域气候预测均有重要的现实意义。

近年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，即同时存在副热带海洋锋区和副极地海洋锋区。以往的研究多关注副极地海洋锋区与大气的相互作用。本项目通过对高分辨率资料的诊断分析及数值模式模拟，重点研究了北太平洋副热带海洋锋区与大气的相互作用，比较了副热带和副极地海洋锋区对大气环流的不同影响及相关的动力学机理。..项目揭示了冬季北太平洋副热带海洋锋区海表面通量的演变特征。作为表征海气相互作用最直接的变量，项目研究发现了北太平洋副热带与副极地海表面通量呈现反相变化的特征，揭示出冬季北太平洋阿留申低压和副热带高压的协同变化、通过影响中纬度和副热带地区风应力以及大气低层湿度、进而引起两锋区海表面通量呈反相变化的主要机制。项目利用高分辨率模式、基于多年及集合模拟研究，揭示出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。研究发现，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，并对低层和高层大气环流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。而副极地海洋锋区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。揭示出副热带海洋锋区引起的非绝热加热、通过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，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。项目研究结果对深入理解中纬度的海气相互作用过程，提高对东亚-北太平洋-北美区域的气候模拟和气候预测能力等均有理论和现实意义。..本项目相关的研究工作已整理成8篇文章发表在JCL、GRL、JGR、CD等大气科学的国际一流期刊上，并有后续文章已分别投往JAS、JGR或正在撰写。研究工作发表后被国内外知名学者多次引用，并在国际会议上做邀请报告。其中有两篇文章分别成为了AGU 期刊 JGR 和 GRL 的2018-2019年度高下载论文。项目执行期间，负责人入选2018年度“长江学者奖励计划”青年学者。