近日，未來海洋學院導師、物理海洋教育部重點實驗室陳朝暉教授領銜的科研團隊在Geophysical Research Letters期刊發表題為“Observations Reveal Intense Air-Sea Exchanges Over Submesoscale Ocean Front”（《觀測證明海洋亞中尺度鋒面上空強烈的海洋-大氣交換》）的最新研究成果，描述了海-氣介面交換、大氣運動以及邊界層高度對海洋亞中尺度鋒面的響應特徵，並揭示控制這些現象的動力學機理。該成果由實驗室楊海源副教授為第一作者、陳朝暉教授與嶗山實驗室孫善同教授為通訊作者的研究團隊完成。
海洋亞中尺度鋒面在世界大洋中有著廣泛的分佈，其空間尺度為1-10km並且有著較強的海表溫度梯度。然而，受觀測手段以及模式解析度的限制，亞中尺度鋒面對上空大氣有何影響仍然不清楚。科研團隊基於2016年4月的高解析度現場觀測，對黑潮-親潮混合區的一個暖渦北緣的亞中尺度鋒面（圖1a）進行了斷面分析，該鋒面具有很強的海溫梯度，比衛星觀測和渦分辨模式中常見的海溫梯度大3-10倍（圖1b和1c）。跨鋒面10千米範圍內，海表面溫度變化了12°C，鋒面最大海溫梯度達到2.4 °C km−1。劇烈的SST梯度導致鋒面兩側的大氣溫度、溼度和穩定性都有很大不同，鋒面南側5千米範圍內，表面空氣溫度（SAT）增加了4°C，向上湍流熱通量（THF）增加了200W/m2，表面風速變化了3m/s，並引起了強烈的海面風幅合以及大氣混合，增厚了大氣邊界層（圖1d）。
圖1：觀測到的大氣對亞中尺度鋒面的響應。（a） 海面高度異常場（填色）和海面風（箭頭）。（b） 跨鋒面的海表面溫度（SST；紅色）和湍流熱通量（THF；藍色）。（c） 跨鋒面的SST梯度和熱通量梯度的比較，其中黑色星號來自直接觀測，其他顏色圓點來自其他產品。誤差條表示標準偏差。（d） 相對溼度（%），位勢溫度（°C；等高線）、MABL（黑色虛線）和雲底（灰色點），黑色三角形表示鋒面的位置。船載觀測揭示了亞中尺度鋒面上的大SST和THF梯度，它們在驅動MABL中的強混合起到重要作用，目前的資料產品無法分辨這種鋒面。
基於數值試驗結果，研究團隊發現，相比於中尺度鋒面，海洋亞中尺度鋒面強烈的非線性性質進一步增加了熱通量係數，強化了海-氣介面熱交換。在強烈的海表溫度梯度的驅動下，THF的梯度比典型的中尺度鋒面引發的梯度強得多。強烈的海氣通量誘發強混合過程，進一步導致大氣邊界層高度的跨鋒面梯度增加，亞中尺度鋒面暖側的雲覆蓋範圍比中尺度鋒面更大（圖2）。由此可知，強烈的亞中尺度海氣相互作用對氣候和天氣預測具有深遠的影響：在亞中尺度鋒面影響下，海洋可以向大氣釋放更多的熱量和水分，驅動更強的區域性對流系統，包括垂直運動、雲形成和降水等。此外，由於大氣鋒面活動和風暴軸強度是由鋒面區域的海氣相互作用推動的，如果缺失亞中尺度海氣相互作用的氣候模型，將可能會低估這些極端大氣事件。
該研究成果證實了海洋亞中尺度過程在大氣活動中扮演了重要角色，為氣候與天氣的模擬和預報工作提供了重要參考。該工作得到了國家傑出青年科學基金和國家自然科學基金面上專案等資助。
圖2：亞中尺度鋒面對上空大氣的影響示意圖
文章引用：
YANG H. -Y., Z. -H. Chen*, S. -T. Sun*, M. -K. Li, W. -J. Cai1, L. -X. Wu, J. -Z. Cai, B. -R. Sun, K. Ma, X. -H. Ma, Z. Jing, and B. -L. Gan, 2024: Observations Reveal Intense Air-Sea Exchanges over Submesoscale Ocean Front. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL106840.
論文連結：
https://doi.org/10.1029/2023GL106840
資訊來源：物理海洋教育部重點實驗室微信公眾號。
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