青岛市海雾海气通量观测及其作用初探

概述１９９３年６月下旬－７月上旬在青岛市小麦岛东侧进行的风、温、湿梯度观测。其资料经迭代计算得到了黄海北部、青岛市近海平流雾季节海气间动量、热量和水汽的通量。并对７月１—２日的一个海雾过程进行了微物理分析。     

2002年南海夏季风爆发期间南海北部海气通量分析与比较

基于2002年南海夏季风期间西沙海气通量观测试验, 采用梯度廓线法计算了观测期间的动量通量、潜热通量、感热通量及其相关要素, 并进行了分析与对比.结果表明: 南海夏季风爆发前后, 南海北部海气通量及其相关要素等都存在显著差异, 不同天气形势下也有较大变化; 南海北部海域在全球海气相互作用中的影响可能不如西太平洋显著; 平均而言, 三次试验的南海北部海气通量变化较小, 感热通量与潜热通量之间存在比较稳定的比例关系, 鲍恩比(Bowen Ratio)维持在大约0.05.     

2008年夏季风期间西沙海域海-气通量交换及热量收支

2008年4—10月在中国南海西沙永兴岛近海进行了第4次海-气通量观测试验,获得了整个夏季风期间近海面层湍流脉动量及辐射、表层水温、波浪及距水面3.5、7.0、10.5m高度温、湿、风梯度观测资料,根据涡动相关法和COARE3.0法计算结果研究了2008年南海西南季风爆发、发展、中断、衰退包括暴雨、台风、冷空气影响等天气过程中海-气通量交换和热量收支变化。结果表明:(1)季风爆发前的晴天太阳总辐射强,而海洋失热量较小,热量净收支为较大正值,海面温度迅速升高。季风爆发期太阳总辐射仍然较强,大气长波辐射也有所增强,而海面长波辐射变化很小,故海面净辐射收支仍为正值;(2)季风活跃期特别是降水阶段感热通量增大,季风中断阶段变小;季风活跃期虽然潜热通量增大,由于太阳短波辐射没有减少,海洋净热量收支稍有盈余;中断阶段潜热通量、感热通量减少,海洋吸热大于季风活跃期;降水阶段由于太阳短波辐射减小,感热通量增大,海洋热量收支出现较大负值,海面温度很快降低。季风衰退期风力减弱,湿度减小,潜热通量减小,海洋热量收入又出现较大正值,海面温度回升;(3)台风影响过程中潜热通量随着风速增强迅速增大;感热通量因降水情况不同而有差异,晴天时减小,大雨时剧烈增大;由于太阳短波辐射减少、潜热通量剧增,海洋热量净收支出现负值,促使海面温度迅速降低;(4)动量通量主要与海表面风速有关;动量通量τ与风速V的关系可以表示为τ=0.00171v~2-0.003809v+0.02213。     

西太平洋-南海地区潜热通量长期变化趋势的南北差异及成因分析

利用1958~2014年美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目(OAFlux)的月平均潜热通量和相关气象要素数据,以及NCEP/NCAR再分析表面气压数据,通过Trend-EOF分析方法,本文研究了西太平洋—南海地区潜热通量的长期变化趋势。发现西太平洋—南海地区潜热通量整体呈上升的趋势,其中冬季上升趋势最强。冬季潜热通量趋势存在明显的南北差异,特别是在南海地区,南海北部为上升趋势而南部为下降趋势。南海北部以及菲律宾海地区冬季潜热通量上升的主要原因是海气比湿差的增大,而南海南部潜热通量呈下降趋势,在东侧主要原因是风速减小,在西侧主要原因是海气比湿差减小。南海潜热通量长期趋势的南北差异是风速和海气比湿差的共同作用造成的。另外,研究发现风速变化趋势受到局地环流变化的影响,在表面气压下降中心线以北地区为上升趋势,在其以南为下降趋势,而海气比湿差的变化趋势则主要取决于海表温度的变化趋势。     

一次春季冷空气过程中东海海域海气通量与界面热交换分析

利用船测资料分析一次冷空气过程中东海海域海气通量特征及海洋表面热收支变化特征。2017年5月5日20时—6日14时冷空气过境期间,动量通量平均值为0.22 N·m-2。感热和潜热通量的平均值分别为27.17 W·m-2和90.25 W·m-2,是春季整个观测期间（2017年4月20日—5月26日）平均值的2.8倍和1.1倍。冷空气爆发当天,净热通量为-12.73 W·m-2,海洋失热。白天海表面热收入58.36 W·m-2,影响海面热收支变化的主要是净辐射通量和潜热通量。夜间海表面热支出156.89 W·m-2,海洋作为热源向大气释放潜热99.79 W·m-2,占海洋释放能量过程的63.61%,向大气释放感热27.11 W·m-2,占海表释放热量的17.28%,海表面损失的热量主要以潜热的形式向大气传输。     

非定常天气海面通量特征

本文研究了天气尺度系统(如冷锋)过境时的海面通量特征及计算通量的方法。发现冷锋前几小时的暖区内,湍流切应力急剧增大,总体输送系数 C_D,C_H出现突变,与地面风速的突然增加是同步的。这是地转适应过程在边界层内的一种响应,为海面上动力学过程的研究提供了重要信息。     

海表动量和热量通量的数值模拟

本文分析了用IAP两层大气环流模式模拟的海表动量和热量通量,并将其同Han等和Esbensen等的气候资料比较.模拟的热量通量与观测估计值有类似的水平分布和季节变化,但在中低纬地区有偏多的热量由海洋向大气输送,尤其1月北半球中纬大气需要从海洋获得过分多的热量;模拟的海表动量通量和气候估计值也类似,但模拟的北半球冬季中高纬西风动量通量中心位置偏东,赤道中西太平洋和大西洋的东风动量通量偏弱,南半球环绕南极的西风带模拟得过分弱(尤其在7月份).本文还检验了基本变量的日变化和日际变化对计算海表动量和湍流扩散热量通量的影响,结果表明用月平均,日平均和每小时的基本量计算的动量和湍流扩散热量通量依次增大,尤其在中高纬地区更明显.     

利用船测近海层湍流热通量资料验证OAFlux数据集

美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)的客观分析海气通量(Objectively Analyzed air-sea Fluxes,OAFlux)数据集中的近海层湍流热通量数据被公认为最可信,并被广泛地用于气候模式模拟结果检验。利用NOAA ETL(Environmental Technology Laboratory)两个固定观测站点的科学试验的船测通量数据库(TOGA COARE试验观测资料和KAWJEX试验观测资料),对OAFlux的热通量进行验证。结果表明:OAFlux的潜热通量普遍高于船测值,并且风速较大时,两者差异较大。风速对潜热通量的变化趋势起主导作用,海表和大气湿度差影响甚微。低风条件下,OAFlux的潜热通量和船测值差异则很小。海面湍流感热交换很弱,通量值本身依然受到风速的主导作用,但由于感热通量值与观测仪器误差十分接近,导致比较分析异常困难。分析结果表明:在上述两个观测试验期内,由于海表空气湿度和大气的湿度差变化不显著,海气相互作用的强度主要取决于海面风速的变化。     

2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析

利用FY和MTSAT卫星资料、ERA Interim再分析资料、黄渤海浮标站资料、黄渤海自动站逐小时观测资料,对发生在2015年4月28—29日的渤海海雾成因进行分析,着重探讨了海雾形成过程中的海气相互作用。结果发现,近海面处大气低层逆温层抬升,大于90%的大湿度区向上、向西扩展,对海雾形成非常有利;海雾生成前、生成发展过程中存在明显的东到东南风,有利于黄海水汽向渤海输送,海面上空有水汽通量大值区由渤海海峡向渤海中部移动,使得渤海上空水汽输送加强,提供了海雾形成所需的水汽;在海雾形成过程中渤海上空气温高于海温,风切变造成的海气界面湍流热交换为大气输送向海洋,使得冷海面上空暖湿空气降温冷却达到饱和形成海雾,是平流冷却雾。      

南海土台风生成及发展过程海气热通量交换特征

利用1985—2007年西北太平洋热带气旋(TC)资料,定义生成于南海范围内并且发展强度达到热带风暴(TS)等级及以上的热带气旋为南海土台风,统计了南海土台风的季节演变特征,发现南海生成的TC约有68%发展成为土台风,其强度普遍较弱且与TC生成纬度和路径均有关。其频数的季节变化呈双峰结构,5月和7—9月是南海土台风的高发期。结合同期美国伍兹霍尔海洋研究所的1 °×1 °客观分析海气通量(WHOI_ OAFlux)日平均资料,分析了南海土台风生成及发展各阶段的海气热通量分布特征。结果表明:南海土台风形成过程中,海洋向大气释放的热通量逐日递增,台风眼南侧的海洋为台风形成提供主要能量来源,随着台风发展热通量高值区都沿顺时针方向向台风北侧传播,体现了台风外围涡旋罗斯贝波的能量频散特征,土台风形成后,热通量的加强不再明显。在土台风整个形成及发展过程中,净热通量、潜热通量和感热通量三者的变化较为一致,以潜热对净热的贡献为主,最大热量交换位于台风移动方向的南半圆,可能与南海西南季风作用有关。      

热带气旋过程中海-气界面热量交换

为探索热带气旋与海洋相互作用,采用国家海洋局南海分局Marex(马瑞克斯)数据浮标实测资料,计算了1986年南海的7个热带气旋海气界面热量交换值.结果表明:热带气旋海气界面热量交换强烈,主要贡献来自潜热通量;热带气旋环流内水温、气温均是下降趋势,气温下降更为明显;夏季热带气旋环流内,感热通量会出现负值,海面有效反射辐射通量出现减弱现象;秋季热带气旋环流内,感热通量和海面有效反射辐射通量显著加强;在热带气旋环流内,海面吸收的短波辐射通量均出现减弱现象;热带气旋环流内受到冷空气影响时,感热变得相当重要,热带气旋表现为对海洋的响应为主.     

Intercomparison of Air–Sea Interface Fluxes over the Yellow Sea and Korea Strait: Impact of Tsushima Warm Current

Surface-layer meteorological observations obtained from oceanic buoys over the Korean Strait and the Yellow Sea are used to estimate surface-layer turbulent fluxes of heat, moisture and momentum over the East-Asian Marginal Seas. Special emphasis is paid towards explanation of the impact of the Tsushima warm current flowing through the Korean Strait on air–sea interface fluxes. During the active phase of the Tsushima warm current, when the difference in sea surface temperature and air temperature becomes as large as 8°C, the sensible heat flux increases to a value of about 135 W m⁻², while the latent heat flux is around 200 W m⁻². The study attempts to broaden our understanding on the air-sea interaction processes over the Yellow Sea and Korean Strait.     

Modelling Air-Sea Fluxes during a Western Pacific Typhoon： Role of Sea Spray

It has long been recognized that the evolution ot marine storms may De strongly alIected Dy the nuxtransfer processes over the ocean. High winds in a storm can generate large amounts of spray, which canmodify the transfer of momentum, heat, and moisture across the air-sea interface. However, the role of seaspray and air-sea processes in western Pacific typhoons has remained elusive. In this study, the impact ofsea spray on air-sea fluxes and the evolution of a typhoon over the western Pacific is investigated using acoupled atmosphere-sea-spray modeling system. Through the case study of the recent Typhoon Fengshenfrom 2002, we found that: (1) Sea spray can cause a significant latent heat flux increase of up to 40% ofthe interfacial fluxes in the typhoon; (2) Taking into account the effects of sea spray, the intensity of themodeled typhoon can be increased by 30% in the 10-m wind speed, which may greatly improve estimatesof storm maximum intensity and, to some extent, improve the simulations of overall storm structure in theatmospheric model; (3) The effects of sea spray are mainly focused over the high wind regions around thestorm center and are mainly felt in the lower part of the troposphere.     

THE CHARACTERISTICS OF AIR-SEA HEAT FLUX EXCHANGE DURING THE GENERATION AND DEVELOPMENT OF LOCAL TYPHOONS OVER THE SOUTH CHINA SEA

A South China Sea （SCS） local TC （SLT） is defined as a tropical cyclone （TC） that forms within the SCS region and can reach the grade of tropical storm （TS） or above. The statistical features of the SLTs from 1985 to 2007 are analyzed first. It is found that over the SCS about 68% of the TCs can develop into TSs. The SLT intensity is relatively weak and associated with its genesis latitude as well as its track. The SLT monthly number presents a seasonal variation with two peaks in May and July to September. Based on the daily heat flux data from the Woods Hole Oceanographic Institution_Objectively Analyzed air-sea Fluxes （WHOI_OAFlux） in the same period, the air-sea exchange during the process of generation and development of the SLT is studied. Results show that the heat fluxes released to the atmosphere increase significantly day by day before cyclogenesis. The ocean to the south to the TC center provides the main energy. Along with the development of SLT, the regions with large heat fluxes spread clockwise to the north of TC, which reflects the energy dispersion property of vortex Rossby waves in the periphery of the TC. Once the SLT forms the heat fluxes are not intensified as much. During the whole process, the net heat, latent heat and sensible heat flux display a similar evolution, while the latent heat flux makes a main contribution to the net heat flux. The maximum air-sea heat exchange always occurs at the left side of the TC moving direction, which may reflect the influence of the SCS summer monsoon on TC structure.     

SURFACE OBSERVATIONS IN THE TROPICAL CYCLONE ENVIRONMENT OVER THE SOUTH CHINA SEA

In this paper,the observational data from Marine and Meteorological Observation Platform(MMOP)at Bohe,Maoming and buoys located in Shanwei and Maoming are used to study the characteristics of air-sea temperature and specific humidity difference and the relationship between wind and wave with the tropical cyclones over the South China Sea(SCS).The heat and momentum fluxes from eddy covariance measurement(EC)are compared with these fluxes calculated by the COARE 3.0 algorithm for Typhoon Koppu.The results show that at the developing and weakening stages of Koppu,both these differences between the sea surface and the near-surface atmosphere from the MMOP are negative,and data from the buoys also indicate that the differences are negative between the sea surface and near-surface atmosphere on the right rear portion of tropical cyclones(TCs)Molave and Chanthu.However,the differences are positive on the left front portion of Molave and Chanthu.These positive differences suggest that the heat flux is transferred from the ocean to the atmosphere,thus intensifying and maintaining the two TCs.The negative differences indicate that the ocean removes heat fluxes from the atmosphere,thus weakening the TCs.The wind-wave curves of TCs Molave and Chanthu show that significant wave height increases linearly with 2-min wind speed at 10-m height when the wind speed is less than 25 m/s,but when the wind speed is greater than 25 m/s,the significant wave height increases slightly with the wind speed.By comparing the observed sensible heat,latent heat,and friction velocity from EC with these variables from COARE 3.0 algorithm,a great bias between the observed and calculated sensible heat and latent heat fluxes is revealed,and the observed friction velocity is found to be almost the same as the calculated friction velocity.     

近海面风场对黄东海域海平面特征影响的分析与模拟

基于1993—2012年TOPEX/Poseidon(T/P)卫星海平面异常SLA(Sea Level Anomaly)数据和FSCR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析风场资料,分析黄东海域近20 a海平面的时空分布特征,尤其是不同时间尺度风场影响的变化特征,进而通过区域海洋模式对海面高度短期变化的可能机制进行探讨。结果表明:1)黄东海域海平面多年平均状态为南高北低,近海面季节性风场在岸线分布和海水热膨胀特征下,造成海面冬春季偏低,夏秋季偏高。近20 a黄东海域平均风速逐步减弱,平均海面上升速率为2.9 mm/a。2)风场的短期活动主要为灾害性大风,统计显示冬夏寒潮大风和台风大风均呈频数减少、强度增强的趋势。运用FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)模拟分析台风和寒潮作用下黄东海域海平面的变化,发现台风强风可形成辐散式海流气旋式涡旋,对应海面为下凹负值中心;北路寒潮大风可形成海流反气旋式涡旋,对应海面为上凸正值中心。两类涡旋的强海流部分增强了海面倾斜度。3)强海流部分动能和动量迅速向海水深部下传,无论在深度和强度上,寒潮造成的海流涡旋动能和动量下传比台风涡旋更迅速,更强。这与寒潮降温引起的海洋层结不稳定对流作用有关。     

冬季北大西洋涛动对热带印度洋海表热通量的影响

利用1979—2017年TropFlux海气热通量资料、ERA5再分析资料及HadISST资料,分析了冬季北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation,NAO）与同期热带印度洋海气热通量的关系。结果表明,NAO指数与热带印度洋海气净热通量整体上呈负相关,意味着NAO为正位相时,海洋向大气输送热量,其显著区域主要位于热带西印度洋（50°～70°E,10°S～10°N）。净热通量的变化主要依赖于潜热通量和短波辐射的变化;潜热通量和短波辐射在NAO正（负）位相事件期间的贡献率分别为72.96％和61.48％（71.72％和57.06％）。NAO可通过Rossby波列影响印度洋地区局地大气环流,进而影响海气热通量;当NAO为正位相时,波列沿中低纬路径传播至印度洋地区,在阿拉伯海北部对流层高层触发异常反气旋环流。该异常反气旋性环流加强了阿拉伯高压,使得北印度洋偏北风及越赤道气流加强。伴随风速的加强,海面蒸发增强,同时加强的越赤道气流导致热带辐合带强度偏强,深对流加强引起对流层水汽和云量增多,进而引起海表下行短波辐射减少。