黑潮与亲潮延伸区海洋锋和涡旋对低云垂直结构的影响

SST fronts and oceanic meso-scale eddies near The Kurosawa–Oyashio Extension (KOE) greatly affect the weather and climate in the northwest Pacific. However, our understanding of the effects of oceanic fronts and eddies on atmosphere suffers from the scarcity of soundings over ocean. Previous studies show that the vertical structure of low clouds (including morphology, and vertical distribution of cloud phase and precipitation in clouds) can be served as a proxy of fronts and eddies’ effects. Thus, by studying the vertical structure of low clouds and carrying out satellite observations and numerical simulations, this project will focus on following important scientific question: How the latent heat release within clouds modulates the effects of oceanic fronts and eddies on atmosphere? This project will synthesize cloud profiles from 3 spaceborne radars to extract effects of fronts and eddies on the vertical structure of low clouds. High-resolution atmospheric model will be used to simulate low clouds in the KOE region, and the results will be compared with the ones from satellite observations. We will elaborate the effects of latent heat heating on processes of fronts and oceanic eddies influencing atmosphere and therefore the vertical structure of low clouds. The results will help to enrich the theory of ocean-atmosphere interaction in mid-latitude and improve the simulation and prediction standard of numerical model in KOE region.

黑潮和亲潮延伸（KOE）区海洋锋和涡旋对西北太平洋的天气和气候具有重要影响。然而，海上探空资料的缺乏严重限制了人们对海洋锋和涡旋影响大气的理解。研究表明，低云的垂直结构（包括形态、相态和云中降水的垂直分布）对海洋锋和涡旋的效应具有指示作用。因此，本项目以低云垂直结构为切入点，针对“云中潜热释放如何调制大气对海洋锋和涡旋的响应？”这一重要科学问题，开展卫星观测和数值模拟研究。拟整合3种星载雷达的云廓线资料，依据低云垂直结构的特征分别提取海洋锋和涡旋效应的信号；使用高分辨率大气模式模拟KOE区低云，通过将模拟结果与卫星观测比对，改善模式模拟低云的效果；在此基础上，定量计算潜热加热对海平面气压降低和垂直运动增强的贡献，进而探明潜热释放对海洋锋和涡旋效应的调制作用，阐明海洋锋和涡旋影响低云的机理。本项目可以丰富中纬度海洋-大气相互作用理论，为提高数值模式在KOE海区的模拟和预报能力提供观测依据。

本项目综合多种观测数据（包括卫星数据和船舶观测），以低云/海雾和降水为切入点，研究了东海黑潮锋、黑潮延伸体海洋锋和湾流锋对海洋大气边界层的影响，并取得了一系列的创新性成果。我们研究了湾流上空降水的年际变化，发现北大西洋涛动（NAO）通过调控湾流上空水汽的多寡控制着冬季湾流降水带的年际变化，这说明边界层中水汽调控大气对海洋锋响应的强度；我们另辟蹊径采用大样本合成的方法，在物理空间上合成分析了水汽对QuikSCAT海面风辐合的影响，结果表明水汽也会影响垂直混合机制造成海面风辐合的强度。另一方面，我们发现当海雾在黑潮延伸体冷水侧发生时，气温低于海温的概率达到30%，这一结果与黄海海雾的观测结果一致，并且雾中气温低于海温的概率呈现显著的日变化，分别在黎明前和午后达到最大值和最小值，说明雾顶长波辐射冷却对海雾的维持发挥着重要作用；我们进一步采用大涡模式（UCLA-LES）进行理想试验研究雾顶长波辐射对海雾的作用，并成功模拟出了海雾中气温下降至海温以下的现象。定量分析表明，在海雾形成3个小时后，雾顶长波辐射冷却的强度超过了海雾底部湍流冷却的强度，可见雾顶长波辐射冷却是维持海雾的重要机制；雾顶长波辐射冷却引起的雾顶夹卷会使自由大气的湿空气进入雾层，从而使海雾转变为层云；此外，项目组研究了黑潮锋北侧黄海海雾的年际变化规律，发现局地海温解释了雾季海雾频率年际变化~40%的方差，为在季节到次季节尺度上预报山东沿岸海雾提供理论依据并明确的预报因子。本项目取得的丰富成果说明，以低云/海雾和降水为核心的湿物理过程在海洋锋/涡旋尺度海洋大气相互作用中扮演着重要角色，为进一步理解该尺度上海洋影响大气确定了研究方向，项目主持人获得了国家基金委的进一步资助。在本项目的支持下，有1位成员获得了国家留学基金委的资助并取得了国内外联合培养的博士学位，2位成员获得了高校教职。