李智 劉宣飛 李傳浩

南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044

1 引言

中高緯地區(qū)海洋鋒和渦旋附近的中、小尺度海氣相互作用與海盆尺度大不相同。海盆尺度的海表面溫度與海面風(fēng)速之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（Frankignoul,1985；Kwon et al., 2010），表現(xiàn)為大氣對海洋的強(qiáng)迫作用，這可通過海表面的感熱和潛熱通量得到解釋（Namias and Cayan, 1981；李博等，2011）。而海洋鋒和渦旋附近的海表面溫度與海表面風(fēng)速之間卻為正相關(guān)關(guān)系，這種正相關(guān)關(guān)系在全球主要海洋鋒區(qū)是普遍存在的（Xie et al., 2002；Nonaka and Xie, 2003；White and Annis, 2003；Vecchi et al.,2004；Xie, 2004；O’Neill et al., 2005；Tokinaga et al.,2005；徐海明等，2008；Minobe et al., 2008；徐蜜蜜等，2010，2012），這被認(rèn)為是海洋對大氣的強(qiáng)迫作用。

目前有兩種理論用于解釋海洋鋒附近大氣對海洋的局地響應(yīng)。一種為Lindzen and Nigam（1987）提出的海平面氣壓調(diào)整機(jī)制，即高（低）海溫區(qū)使得表層空氣增暖（變冷），從而造成海平面氣壓降低（升高），這樣在鋒區(qū)兩側(cè)就形成了穿越鋒區(qū)的附加氣壓梯度，使得大氣由冷水區(qū)一側(cè)向暖水區(qū)一側(cè)加速運(yùn)動(dòng)，從而造成暖水區(qū)的風(fēng)速增大。另一種為 Wallace et al.（1989）和 Hayes et al.（1989）提出的垂直混合機(jī)制，即高（低）海溫區(qū)使得大氣的不穩(wěn)定性增強(qiáng)（減弱），垂直混合作用增強(qiáng)（抑制），高層風(fēng)動(dòng)量向下傳遞增強(qiáng)（減弱），海表面風(fēng)速也由此增強(qiáng)（減?。?。這兩種機(jī)制均被大量觀測事實(shí)和模式研究所證實(shí)。比如，Tokinaga et al.（2009）、Minobe et al.（2010）、Xu et al.（2010）、Sasaki et al.（2012）認(rèn)為氣壓調(diào)整機(jī)制在表層風(fēng)對海溫異常的響應(yīng)中起主要作用，Shimada and Minobe（2011）進(jìn)一步指出氣壓調(diào)整機(jī)制在全球主要海洋鋒區(qū)海氣相互作用中均存在，其中以墨西哥灣流區(qū)最為顯著。而 Hashizume et al.（2002）、Nonaka and Xie（2003）、Tokinaga et al.（2006）、Koseki and Watanabe（2010）、馬靜等（2014）則強(qiáng)調(diào)了垂直混合機(jī)制的重要性。也有一些作者指出，氣壓調(diào)整機(jī)制與垂直混合機(jī)制同時(shí)在起作用（Small et al.,2003；徐蜜蜜等，2010；Liu et al., 2013）。目前，對于上述兩種機(jī)制究竟哪一種起主要作用仍存爭議。

氣壓調(diào)整機(jī)制雖然早在 1980年代就已提出，但其影響因素有哪些并不清楚。Spall（2007）指出穿越鋒區(qū)的風(fēng)偏弱時(shí)更利于氣壓調(diào)整機(jī)制發(fā)揮作用，這似乎意味著盛行風(fēng)向與鋒區(qū)走向的配置是影響氣壓調(diào)整機(jī)制的一個(gè)重要因素，當(dāng)兩者方向一致時(shí)氣壓調(diào)整機(jī)制更加明顯。徐蜜蜜等（2010）證實(shí)由于海洋鋒的存在而產(chǎn)生的氣壓梯度力對穿越鋒區(qū)的空氣的加速有相當(dāng)重要的貢獻(xiàn)，從而用氣壓調(diào)整機(jī)制解釋了風(fēng)速的分布特征，但對于由此造成的散度、渦度、垂直速度、降水等大氣響應(yīng)特征以及它們?nèi)绾卧诖杭練鈮罕尘皥鱿掳l(fā)揮作用沒有涉及。Minobe et al.（2008）指出灣流區(qū)暖（冷）水一側(cè)對應(yīng)有氣壓偏低（高）、風(fēng)的輻合（散）、上升（下沉）運(yùn)動(dòng)及強(qiáng)（弱）降水，但也沒有分析大尺度背景氣壓場對氣壓調(diào)整機(jī)制的影響。Chelton and Xie（2010）分析了海洋鋒區(qū)影響風(fēng)應(yīng)力散度和渦度的分布，指出當(dāng)風(fēng)沿鋒區(qū)吹時(shí)鋒區(qū)附近渦度的會(huì)發(fā)生改變，而穿越鋒區(qū)時(shí)散度會(huì)改變。劉敬武（2010）認(rèn)為東海黑潮鋒的氣候效應(yīng)隨背景風(fēng)向的變化而顯著不同。謝傲等（2014）發(fā)現(xiàn)當(dāng)背景風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)時(shí)，春季東海黑潮鋒的氣壓調(diào)整機(jī)制更為重要。因此，背景風(fēng)向（大尺度氣壓背景場）對氣壓調(diào)整機(jī)制影響的物理原因仍需進(jìn)一步研究。只有在考慮了大尺度氣壓背景場的影響后，氣壓調(diào)整機(jī)制才能完整地解釋實(shí)際大氣所表現(xiàn)出的一系列響應(yīng)特征。

東海黑潮鋒處于東亞季風(fēng)區(qū)，冬季盛行偏北風(fēng)、夏季盛行偏南風(fēng)，東海黑潮鋒區(qū)達(dá)到最強(qiáng)的春季卻是東亞冬、夏季風(fēng)的轉(zhuǎn)換季節(jié)，季風(fēng)的轉(zhuǎn)換必將伴隨大尺度背景氣壓場及其盛行風(fēng)向的改變。另外，東海黑潮鋒及其延伸體具有明顯的年際變化（郭春迓和劉秦玉，2013），對于年際尺度上氣壓調(diào)整機(jī)制是否仍存在及如何發(fā)揮作用尚不很清楚。因此，本文關(guān)注的兩個(gè)科學(xué)問題是：（1）東海黑潮鋒氣壓調(diào)整機(jī)制如何在春季大尺度氣壓場及其盛行風(fēng)向背景下發(fā)生作用？（2）東海黑潮鋒強(qiáng)、弱年，上述氣壓調(diào)整機(jī)制又如何起作用？期望得到大氣對春季東海黑潮鋒響應(yīng)的氣壓調(diào)整機(jī)制的完整圖像，從而深化我們對季風(fēng)區(qū)背景下海洋鋒區(qū)附近海—?dú)庀嗷プ饔玫恼J(rèn)識。

2 資料和方法

2.1 資料

海表面溫度資料取自美國國家海洋大氣局（National Oceanic And Atmospheric Administration，NOAA）的 AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）海溫資料，時(shí)間范圍為1982年3月1日至2010年5月31日，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 d。NOAA系列衛(wèi)星從1970年12月以來陸續(xù)發(fā)射了18顆，甚高分辨率輻射儀（AVHRR）是其主要探測儀器之一，它是一種五光譜通道的掃描輻射儀，衛(wèi)星上探測器掃描角為±55.4°，相當(dāng)于探測地面2800 km寬的帶狀區(qū)域，三條軌道即可完全覆蓋我國全部國土，其數(shù)據(jù)經(jīng)過船舶觀測、浮標(biāo)觀測以及大尺度衛(wèi)星偏差調(diào)整校正，在海洋、氣象等領(lǐng)域的研究中得到廣泛應(yīng)用。

1997年7月20日，美國宇航局（NASA）在范登堡空軍基地發(fā)射了 Quick Scatterometer（QuickSCAT）衛(wèi)星。該衛(wèi)星作為NASA地球觀測系統(tǒng)的第一部分，承擔(dān)測量全球海面風(fēng)場的任務(wù)。通過海表粗糙度反演出海面10 m的風(fēng)場數(shù)據(jù)。本文選取資料時(shí)長為2000年3月1日至2009年5月31日，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 d。

熱帶測雨衛(wèi)星（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）于1997年11月27日發(fā)射升空，是第一顆能夠穿透云層、專門用于測量熱帶以及亞熱帶降水的氣象衛(wèi)星。本文所用數(shù)據(jù)為其第7版的3B43降水，該數(shù)據(jù)結(jié)合了3B42 TRMM數(shù)據(jù)以及其他多種數(shù)據(jù)源，空間分辨率為 0.25°×0.25°，測量范圍在南、北緯度50°之間，時(shí)間分辨率為1月。資料時(shí)長取為與QuickSCAT資料一致。

再分析資料選用美國國家環(huán)境預(yù)測中心（National Center for Environmental Prediction，簡稱NCEP）的氣候預(yù)測系統(tǒng)再分析數(shù)據(jù)集（Climate Forecast System Reanalysis，簡稱CFSR），其中，表層物理量采用高分辨率表層輻射通量場數(shù)據(jù)，空間分辨率在經(jīng)度方向上為0.3125°，緯度方向?yàn)楦咚狗植?，時(shí)間分辨率為 1 d；高層物理量采用高分辨率三維預(yù)報(bào)等壓層數(shù)據(jù)，空間分辨率為 0.5°×0.5°，垂直分層為1000～1 hPa共37層，時(shí)間分辨率為1 d。資料時(shí)長為1982年3月1日至2010年5月31日。本文所使用的逐日資料均先處理為逐月資料再加以使用。

2.2 方法

本文采用的月平均矢量風(fēng)速（以下簡稱矢量風(fēng)速）按照如下公式計(jì)算：

其中，（ui，vi）代表觀測風(fēng)速，N代表觀測次數(shù)，i、j分別代表西風(fēng)、南風(fēng)單位向量，u、v分別代表緯向、經(jīng)向平均風(fēng)速。在后面的分析中，我們選取了1982～2010年29年的CFSR再分析資料以及2000～2009年10年的QuickSCAT資料。

Laplace算子是n維歐幾里德空間中的一個(gè)二階微分算子，其含義為梯度的散度，即：?2F= ? ·?F，F(xiàn)為任意物理量。參照Minobe et al.（2008）的處理方法，Laplace算子相當(dāng)于高通濾波器的作用，可以揭示大尺度背景場下大氣對海洋鋒響應(yīng)的特征。本文將使用Laplace算子作為從觀測資料中提取小尺度變化的濾波器。與空間滑動(dòng)平均的高通濾波方法相比，雖然該算子分離出來的小尺度結(jié)構(gòu)的具體空間尺度并不確定，但這并不影響本文所要討論的問題。

3 大氣對春季東海黑潮鋒的響應(yīng)

3.1 春季東海黑潮鋒

圖1 1982～2010年春季（3～5月）平均的AVHRR海表面溫度（等值線，間隔 1°C；23°C、24°C 線加粗）及其梯度 [|?SST|，彩色陰影，表示≥1°C (100 km)-1的區(qū)域]。虛線AB表示跨鋒區(qū)的直線，其上的O、M點(diǎn)分別代表海表面溫度梯度、海表面溫度最大處。矩形框代表用于計(jì)算東海黑潮鋒強(qiáng)度的區(qū)域Fig. 1 Spring (March-April-May, MAM) mean AVHRR SSTs (contours at 1°C intervals, with thick contours at 23°C and 24°C) and their gradients[color shading for |?SST|≥1°C (100 km)-1] during 1982-2010. The dashed line AB is a cross-frontal transect on which points O and Mdenote maximum |?SST| and SST, respectively. The rectangular box is the region used to calculate the strength of the KF (Kuroshio front)

圖1 給出了1982～2010年春季（3～5月）平均的AVHRR海表面溫度及其梯度。春季東海黑潮暖流沿臺(tái)灣東部向東北方向流去，由于我國東海海區(qū)深度較淺，受海洋熱慣性與海洋深度成正比的影響，黑潮暖流與其西北側(cè)較冷海面形成明顯的水平梯度很大的海洋溫度鋒區(qū) （Xie et al., 2002）。圖1顯示東海黑潮鋒的多年平均強(qiáng)度超過 3°C (100 km)-1，中心位置在（29°N，127°E）附近，最大強(qiáng)度超過 4 °C (100 km)-1。23～24°C 的海表溫度（SST）等值線勾勒出了黑潮暖流的位置。從東海黑潮鋒與黑潮暖舌的相對位置可以看出，海洋鋒與暖舌大致平行，基本為西南—東北走向，且東海黑潮鋒位于黑潮暖流的西北側(cè)，兩者的中心位置相距150 km左右。與其他季節(jié)相比，春季黑潮路徑與海洋鋒的分布較為平直且穩(wěn)定，強(qiáng)度也最大，大氣對東海黑潮鋒的響應(yīng)特征也最為明顯（徐蜜蜜等，2012）。圖中還繪出了跨鋒區(qū)的直線AB，其上的O點(diǎn)代表東海黑潮鋒強(qiáng)度中心位置，M點(diǎn)則代表黑潮暖流最強(qiáng)位置，這將用于后面的分析。

3.2 大氣對春季東海黑潮鋒的響應(yīng)特征

3.2.1 水平風(fēng)場

圖2為春季氣候態(tài)下海表面10 m的矢量風(fēng)速和風(fēng)矢量分布。由圖2a、b可見，春季東海黑潮鋒區(qū)域盛行東北偏北風(fēng)（風(fēng)矢量表示），矢量風(fēng)速（陰影區(qū)表示）分布與東海黑潮鋒（藍(lán)色等值線表示）緊密聯(lián)系，西南—東北走向的矢量風(fēng)速大值帶位于東海黑潮鋒位置，與東海黑潮鋒西北、東南兩側(cè)較小的風(fēng)速形成鮮明對比，這與Liu et al.（2013）分析時(shí)間平均上矢量風(fēng)的響應(yīng)結(jié)果一致。特別值得指出的是，矢量風(fēng)速大值帶并不位于黑潮暖舌處，黑潮暖舌處對應(yīng)的是標(biāo)量風(fēng)速的大值分布（Nonaka and Xie, 2003；徐蜜蜜等，2010），說明在分析海洋鋒附近的風(fēng)速分布時(shí)，須區(qū)分矢量風(fēng)速和標(biāo)量風(fēng)速。圖2中黑潮鋒附近的矢量風(fēng)速分布特征是春季大背景下局地海氣相互作用的結(jié)果，其中的物理機(jī)制后文將詳細(xì)分析。比較圖2a、b的矢量風(fēng)速大小可見，CFSR再分析資料得到的矢量風(fēng)速較QuickSCAT偏弱，這可能與CFSR對物理量的估計(jì)偏弱有關(guān)，也可能是兩套資料時(shí)間段不同所致。另外，矢量風(fēng)速在臺(tái)灣海峽顯著升高可能與流體的峽谷效應(yīng)有關(guān)。進(jìn)一步分析水平風(fēng)沿直線AB的剖面（圖2c），由西北（A點(diǎn)）至東南（B點(diǎn)），CFSR和 QuickSCAT矢量風(fēng)速均經(jīng)歷了先增大后減小的過程，與∣?SST∣曲線的走勢基本吻合。

圖2 春季（3～5月）平均的海表面10 m高度處水平風(fēng)速（彩色陰影，m s-1）、風(fēng)矢量（箭頭）分布：（a）1982～2010年CFSR風(fēng)資料；（b）2000～2009年QuickSCAT風(fēng)資料。（c）兩種風(fēng)資料矢量風(fēng)速（黑實(shí)線為CFSR，黑虛線為QuickSCAT, QuickSCAT曲線中斷處為琉球群島）沿AB的剖面圖。（a，b）中疊加了23°C、24°C 海表面溫度（紅色等值線）和3°C (100 km)-1以上的海表面溫度梯度（藍(lán)色等值線）；（c）中疊加了海表面溫度（紅線）、海表面溫度梯度（藍(lán)線）沿AB的曲線，O、M點(diǎn)分別代表AB線上海表面溫度梯度、海表面溫度最大處Fig. 2 Spring (MAM) mean of (a) 1982-2010 CFSR wind vectors (arrows) and horizontal wind speeds (color shading; m s-1) at 10 m. (b) Same as in (a), but for 2000-2009 QuickSCAT products. (c) Curves of CFSR (black solid) and QuickSCAT (black dashed, broken in the Ryukyu Islands) vector wind speeds along line AB. The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C, and the blue contours are for |?SST| greater than 3°C (100 km)-1 in (a, b). Superimposed in (c) are curves of SST (red line) and |?SST| (blue line) along line AB. Points O and M on line AB in (c) denote maximum |?SST| and SST, respectively

3.2.2 散度、渦度、垂直運(yùn)動(dòng)和降水

除水平風(fēng)場外，大氣對春季東海黑潮鋒的響應(yīng)還表現(xiàn)在散度、渦度、垂直運(yùn)動(dòng)及降水等氣象要素上。圖3給出了春季（3～5月）平均的10 m風(fēng)散度、渦度和降水分布及垂直速度沿AB的垂直剖面圖。由圖3a可以看出，一條西南—東北走向的輻合帶（黑色等值線表示，負(fù)值代表輻合）正位于東海黑潮鋒東南側(cè)的黑潮暖舌位置，CFSR降水（圖中陰影區(qū)表示）的大值帶幾乎與該輻合帶重合，降水最大可達(dá)7 mm d-1左右。為進(jìn)一步驗(yàn)證CFSR降水資料，圖3b給出了TRMM降水和QuickSCAT散度分布，發(fā)現(xiàn)該降水大值帶依然存在，只是強(qiáng)度稍弱，且QuickSCAT輻合區(qū)也主要位于黑潮暖舌，但局地特征更強(qiáng)。再看CFSR資料反映的渦度分布（圖3c），正渦度大值帶位于東海黑潮鋒東南側(cè)，也呈西南—東北走向，這一特征在QuickSCAT資料上也有體現(xiàn)（圖3d）。東海黑潮鋒能激發(fā)出暖（冷）水區(qū)上升（下層）運(yùn)動(dòng)的跨鋒區(qū)次級環(huán)流（Small et al., 2008），這一特征在圖3e中也得到了清晰反映，最強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)出現(xiàn)在暖舌附近的M點(diǎn)，下沉運(yùn)動(dòng)中心則位于鋒區(qū)中心O點(diǎn)的西北側(cè)。因此，在黑潮鋒東南側(cè)的暖舌（西北側(cè)的冷水）附近，對應(yīng)有輻合（散）、正（負(fù)）渦度、上升（下沉）運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)（弱）降水分布。

3.3 大氣對春季東海黑潮鋒響應(yīng)的氣壓調(diào)整機(jī)制

在垂直混合機(jī)制下，海表面風(fēng)速與海溫之間為同位相變化，而在海平面氣壓調(diào)整機(jī)制下，風(fēng)速極值與海溫極值存在 90°的位相差（Lindzen and Nigam, 1987；Wallace et al., 1989；Hayes et al.,1989）。那么，上節(jié)得到的大氣對春季東海黑潮鋒的響應(yīng)特征是否可以用氣壓調(diào)整機(jī)制來解釋呢？先通過春季東海黑潮鋒附近的海平面氣壓場及其梯度的分布（圖4）來看氣壓調(diào)整機(jī)制的作用。春季雖屬東亞冬、夏季風(fēng)的轉(zhuǎn)換季節(jié)，但在海平面氣壓場上（圖4a中的黑色等值線）卻依然維持著更像冬季時(shí)的分布形態(tài)，即圖中西北角的黃海地區(qū)為高壓控制，而東南側(cè)的太平洋地區(qū)為低壓分布，東海黑潮鋒區(qū)的海平面氣壓等值線大致為西南—東北走向，與春季東海黑潮鋒的走向（圖1）基本一致，等壓線的密度在東海黑潮鋒區(qū)顯得更大些，氣壓梯度（圖4a中的矢量）的方向在鋒區(qū)以北（含鋒區(qū)附近）主要由西北指向東南（與鋒區(qū)走向垂直），鋒區(qū)以南則轉(zhuǎn)為東北指向西南，氣壓梯度的大?。▓D4a中的陰影）則表現(xiàn)為鋒區(qū)附近和臺(tái)灣海峽地區(qū)最大，大值帶也呈西南—東北走向。從沿AB的剖面圖上（圖4b）可以更為清楚地看出氣壓梯度大小在鋒區(qū)附近O點(diǎn)達(dá)到最大，而氣壓場本身表現(xiàn)為由西北（A點(diǎn)）向東南（B點(diǎn)）的單調(diào)下降趨勢。按照氣壓調(diào)整機(jī)制，春季東海黑潮鋒東南（西北）側(cè)的高（低）海溫區(qū)使得表層空氣增暖（變冷），從而造成海平面氣壓降低（升高），這樣就形成了穿越鋒區(qū)的由西北指向東南的氣壓梯度，而這一附加的氣壓梯度恰與春季東海黑潮區(qū)域的大尺度氣壓背景場一致，使得大尺度背景氣壓場掩蓋了海洋鋒對氣壓局地調(diào)整的影響。因此，單從圖4中的氣壓場本身并不能看出氣壓調(diào)整機(jī)制在起作用，但氣壓梯度在鋒區(qū)附近達(dá)最大這一特征卻清楚地反映了氣壓調(diào)整機(jī)制的影響，根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)理論，它能解釋鋒區(qū)附近的NNE風(fēng)速最大（圖2）這一現(xiàn)象。

氣壓調(diào)整機(jī)制還可以用海表面溫度、邊界層厚度、海平面氣壓這三者的Laplace分別與海表面風(fēng)散度的空間分布匹配程度來衡量（Minobe et al.,2008, 2010）。圖5給出春季東海黑潮區(qū)域的海表溫度、1000～850 hPa氣層厚度和海平面氣壓的Laplace分布，可以看出，這三者的最大值均出現(xiàn)在東海黑潮鋒東南側(cè)的暖水區(qū)，且與黑潮暖舌帶幾乎重合，也與圖3a、b中的輻合中心幾近重疊。可見，氣壓調(diào)整機(jī)制的確在大氣對春季東海黑潮鋒的響應(yīng)中起著重要作用。綜合以上分析，春季氣候態(tài)下大氣對春季東海黑潮鋒響應(yīng)的氣壓調(diào)整機(jī)制（圖6）可描述為：東海黑潮暖流由西南流向東北方向，東海黑潮鋒區(qū)位于其西北側(cè),它們均處于西北高壓、東南低壓的大尺度氣壓背景場之下（P1、P2、P3、P4為等壓線，且P1＜P2＜P3＜P4），黑潮暖流、鋒區(qū)與大尺度背景場的等壓線相互平行且均呈西南—東北走向，由于高（低）海溫對應(yīng)有低（高）氣壓，東海黑潮鋒造成的局地附加氣壓梯度同向疊加在大尺度氣壓背景場之上，由此形成氣壓梯度在鋒區(qū)O點(diǎn)附近達(dá)到最大，表現(xiàn)為P2、P3等壓線分布較周圍的P1、P4線密集。A、B兩點(diǎn)在相同的大尺度氣壓梯度-?P0驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg0，由于海面摩擦影響，實(shí)際風(fēng)Vg0會(huì)偏向低壓一側(cè)，而鋒區(qū)O點(diǎn)附近由于氣壓梯度-?P1最大，造成該處的地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg1和實(shí)際風(fēng)V1分別比Vg0、V0大。在O、B之間的區(qū)域，V1與V0沿鋒區(qū)走向的分量差會(huì)在M點(diǎn)產(chǎn)生氣旋性切變渦度，V1與V0沿跨鋒區(qū)走向的分量差在M點(diǎn)形成風(fēng)速輻合，從而使得M點(diǎn)附近（黃色橢圓區(qū)）出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)降水。與此相反，在A、O點(diǎn)之間的區(qū)域（淺藍(lán)色橢圓區(qū)）有反氣旋性切變渦度、風(fēng)速輻散、下沉運(yùn)動(dòng)和弱降水區(qū)，暖水區(qū)上升、冷水區(qū)下沉的跨鋒區(qū)的次級環(huán)流圈也由此產(chǎn)生（橙色虛線）。與Minobe et al.（2008）給出的灣流鋒區(qū)氣壓調(diào)整機(jī)制示意圖相比，圖6考慮了春季東海大尺度氣壓背景場的影響，對風(fēng)的輻散（合）以及氣旋性（反氣旋性）渦度的產(chǎn)生原因給予了物理解釋，從而細(xì)化了Chelton and Xie（2010）提出的理論。

圖3 春季（3～5月）平均的（a、b）散度和降水，（c、d）渦度分布：（a）1982～2010年CFSR 10 m風(fēng)散度（黑色等值線，輻合為負(fù)，單位：10-5 s-1）和降水（填色區(qū)域，單位：mm d-1）；（b）2000～2009年QuickSCAT 10 m風(fēng)散度和TRMM降水；（c）1982～2010年CFSR 10 m風(fēng)渦度（單位：10-5 s-1）；（d）2000～2009年QuickSCAT 10 m風(fēng)渦度。（a-d）還疊加了同期的23°C、24°C海溫（紅線）和3°C (100 km)-1以上的海表面溫度梯度（藍(lán)線）。（e）1982～2010年CFSR垂直速度沿AB的垂直剖面，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)，O、M點(diǎn)分別代表AB線上海表面溫度梯度、海表面溫度最大處Fig. 3 Spring (MAM) mean of (a) 1982-2010 CFSR wind divergences at 10 m (black contours, negative for convergence; 10-5 s-1) and precipitation (color shading; units: mm d-1). (b) Same as in (a), but for 2000-2009 QuickSCAT wind divergences and TRMM precipitation. (c) 1982-2010 CFSR wind vorticities at 10 m (color shading; units: 10-5 s-1). (d) As in (c), but for 2000-2009 QuickSCAT wind vorticities. (e) Vertical section of 1982-2010 CFSR vertical velocities along line AB (negative for upward motion). The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C, and the blue contours are for |?SST| greater than 3°C(100 km)-1 in (a, d). Points O and M on line AB in (e) denote maximum |?SST| and SST, respectively

圖4 春季（3～5月）（a）平均的海平面氣壓、海平面氣壓（SLP）梯度分布及（b）其沿AB的剖面。（a）中黑色等值線表示海表面氣壓（單位：hPa），填色區(qū)表示海平面氣壓梯度大小，單位：hPa (100 km)-1，矢量表示海平面氣壓梯度，圖中還疊加了23°C、24°C海溫（紅線）和3°C (100 km)-1以上的海溫梯度（藍(lán)線）；（b）海平面氣壓（紅線，單位：hPa）、海平面氣壓梯度 [藍(lán)線，單位：hPa (100 km)-1]沿AB的剖面，O、M點(diǎn)分別代表AB線上海表面溫度梯度、海表面溫度最大處，圖中還疊加了CFSR（黑實(shí)線）和QuickSCAT矢量風(fēng)速（黑虛線，曲線中斷處為琉球群島）Fig. 4 (a) Spring (MAM) mean of CFSR SLP (black contours; units: hPa), SLP gradients [arrows; units: hPa (100 km)-1], and magnitude of SLP gradients(color shading) during 1982-2010. (b) Curves of SLP (red line) and SLP gradient (blue line) along line AB. The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C,and the blue contours are for |?SST| greater than 3°C (100 km)-1 in (a). Points O and M on line AB in (b) denote maximum |?SST| and SST, respectively. The black solid (dashed) line in (b) is for CFSR (QuickSCAT, broken in the Ryukyu Islands) vector wind speed

圖5 春季（3～5 月）平均的（a）-?2SST（單位：10-10 km-2）、（b）1000～850 hPa厚度-?2H（單位：10-10 m-1）和?2SLP（單位：10-8 Pa m-2）。圖中還疊加了23°C、24°C海溫（紅線）和3°C (100 km)-1以上的海溫梯度（藍(lán)線）Fig. 5 Spring (MAM) mean (a) -?2SST (units: 10-10 km-2), (b) 1000-850 hPa thickness -?2H (units: 10-10 m-1), and (c) ?2SLP (units: 10-8 Pa m-2) over the KF. The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C. The blue contours are for |?SST| greater than 3°C (100 km)-1

圖6 大氣對春季東海黑潮鋒響應(yīng)的氣壓調(diào)整機(jī)制示意圖（春季氣候態(tài)下，紫色粗實(shí)線 SST代表東海黑潮暖舌，深藍(lán)色粗實(shí)線 SSTF（Sea Surface Temperature Front）表示東海黑潮鋒，黑色實(shí)線P1、P2、P3、P4為等壓線，跨鋒區(qū)直線AB分別與SSTF、SST線相交于O、M點(diǎn)；A、B點(diǎn)的地轉(zhuǎn)風(fēng)均為Vg0，實(shí)際風(fēng)均為V0，氣壓梯度均為-?P0，O點(diǎn)的地轉(zhuǎn)風(fēng)、實(shí)際風(fēng)、氣壓梯度分別為Vg1、V1、-?P1；黃（淺藍(lán)）色橢圓表示氣旋性（反氣旋性）切變渦度、風(fēng)速輻合（輻散）、上升（下沉）運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)（弱）降水區(qū)；橙色虛線表示跨鋒區(qū)的次級環(huán)流圈，其上的黑色箭頭代表次級環(huán)流方向。在年際尺度上，東海黑潮鋒偏強(qiáng)年疊加的異常量均用紅色符號表示，其中ΔP表示疊加的氣壓，-? (ΔP)、ΔVg、ΔV分別表示O點(diǎn)疊加的氣壓梯度、地轉(zhuǎn)風(fēng)和實(shí)際風(fēng)，橙色虛線上的紅色箭頭表示疊加的跨鋒區(qū)次級環(huán)流圈）Fig. 6 Schematic diagram of the SLP adjustment mechanism in the atmospheric response to the spring KF. Climatologically in spring, the SST (purple bold line) denotes the Kuroshio warm tongue; SSTF (blue bold line) is the KF; and P1, P2, P3 and P4 (black thin lines) are isobars. AB represents a cross-frontal line on which points O and M intersect with lines SSTF and SST, respectively. The geographic winds, real winds and SLP gradient over points A and B (point O) are marked with Vg0, V0 and -?P0 (Vg1, V1 and -?P1), respectively. The yellow (light blue) shaded oval represents cyclonic (anticyclonic) shear vorticity,convergence (divergence) in wind speed, ascending (descending) motion and strong (weak) precipitation. The orange dashed diamond is the secondary circulation across the front, with black arrows for its direction. On the interannual time scale, all anomalous quantities during strong years of the SSTF are represented by red symbols, of which ΔP is anomalous SLP, and -? (ΔP), ΔVg and ΔV are the anomalous SLP gradient, geographic winds and real winds over point O, respectively. The red arrows on the orange dashed diamond indicate the enhanced secondary circulation

4 春季東海黑潮鋒的年際變化及其對大氣的影響

4.1 春季東海黑潮鋒的年際變化

下面從年際時(shí)間尺度上進(jìn)一步討論春季東海黑潮鋒氣候效應(yīng)的氣壓調(diào)整機(jī)制。根據(jù)圖1中選取的矩形框范圍，計(jì)算了該區(qū)域平均的海溫梯度大小，得到標(biāo)準(zhǔn)化的 1982～2010年逐年春季的黑潮鋒強(qiáng)度（圖7a），發(fā)現(xiàn)其年際變化明顯。以±0.7為標(biāo)準(zhǔn)將黑潮鋒劃分為強(qiáng)、弱年，強(qiáng)年有1983、1984、2007、2008、2009、2010年 6年，弱年有 1990、1996、1997、1998、2000、2001、2002 年 7 年。

圖7b給出了東海黑潮鋒強(qiáng)、弱年合成的海溫及其梯度沿直線AB的剖面。對于海溫變化曲線，強(qiáng)年（紅色實(shí)線）在鋒區(qū)附近比弱年（紅色虛線）更陡，即強(qiáng)年在鋒區(qū)東南（西北）側(cè)的暖（冷）水區(qū)海溫要比弱年高（低）。鋒區(qū)強(qiáng)、弱年的差異更清楚地體現(xiàn)在海溫梯度曲線上，強(qiáng)年（藍(lán)色實(shí)線）的海溫梯度最大可超過 4.5°C (100 km)-1，而弱年（藍(lán)色虛線）最大僅為3°C (100 km)-1左右。

4.2 東海黑潮鋒強(qiáng)、弱年的大氣響應(yīng)

東海黑潮鋒強(qiáng)、弱年水平風(fēng)場的響應(yīng)存在顯著差異。圖8為鋒區(qū)強(qiáng)、弱年的CFSR 10 m風(fēng)的水平分布及其沿直線AB的剖面。雖然強(qiáng)（圖8a）、弱（圖8b）年鋒區(qū)附近的矢量風(fēng)速均達(dá)最大，表現(xiàn)為與圖2a氣候態(tài)相似的分布形勢，但圖8a與圖8b之間的差異十分明顯，強(qiáng)年時(shí)鋒區(qū)附近的矢量風(fēng)速較弱年明顯增強(qiáng)，說明海洋鋒強(qiáng)度的變化對其所在海面的矢量風(fēng)速有直接影響。從矢量風(fēng)速沿AB剖面的變化曲線（圖8c）也清楚地反映出了該特征，強(qiáng)年鋒區(qū)附近的矢量風(fēng)速為2.7 m s-1，而弱年只有2.1 m s-1。

圖7 1982～2010年（a）春季黑潮鋒強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化序列及（b）強(qiáng)、弱年的海表面溫度及其梯度沿直線AB的剖面（O、M點(diǎn)分別代表AB線上海溫梯度、海表面溫度最大處）Fig. 7 (a) Standardized spring KF intensities during 1982-2010. (b) Curves of SST (red) and its gradient (blue) along line AB for strong (solid) and weak(dashed) years of the spring KF. Points O and M on line AB denote maximum |?SST| and SST, respectively

圖8 東海黑潮鋒（a）強(qiáng)、（b）弱年的CFSR 10 m水平風(fēng)速和風(fēng)矢量以及（c）水平風(fēng)速沿AB剖面。（a、b）中填色表示水平風(fēng)速，單位：m s-1；箭頭表示風(fēng)矢量，圖中還疊加了23°C、24°C海溫（紅線）和3°C (100 km)-1以上的海溫梯度（藍(lán)線）。（c）中實(shí)線表示黑潮鋒強(qiáng)、虛線表示弱年的矢量風(fēng)速Fig. 8 (a) CFSR wind vectors (arrows) and horizontal wind speeds at 10 m (color shading; m s-1) during strong years of the KF. (b) As in (a), but for weak years of the KF. (c) Curves of horizontal wind speeds along line ABduring strong (solid) and weak (dashed) years of the KF. The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C, and the blue contours are for |?SST| greater than 3°C (100 km)-1 in (a, b). Points O and M on line AB in (c) denote maximum |?SST| and SST,respectively

東海黑潮鋒強(qiáng)、弱年大氣響應(yīng)的差異還表現(xiàn)在散度和降水、渦度、垂直運(yùn)動(dòng)上。對于散度和降水（圖9a、b），強(qiáng)年鋒區(qū)東南側(cè)暖舌附近的輻合和降水均比弱年強(qiáng)。對于渦度場（圖9c、d）的差異，鋒區(qū)東南側(cè)為西南—東北走向的正渦度帶，在海洋鋒強(qiáng)年其數(shù)值明顯大于弱年。再看垂直運(yùn)動(dòng)（圖9e、f），強(qiáng)年暖舌附近（M點(diǎn)）的上升運(yùn)動(dòng)和鋒區(qū)（O點(diǎn)）西北側(cè)的下沉運(yùn)動(dòng)均比弱年強(qiáng)，因此跨鋒區(qū)次級環(huán)流圈在強(qiáng)年表現(xiàn)的更為明顯。

4.3 東海黑潮鋒強(qiáng)、弱年的氣壓調(diào)整機(jī)制

上面分析的東海黑潮鋒強(qiáng)、弱年大氣響應(yīng)的差異也可以由氣壓調(diào)整機(jī)制得到解釋。圖10給出了黑潮鋒強(qiáng)、弱年的海平面氣壓及其梯度的分布和海平面氣壓梯度沿AB的剖面。鋒區(qū)強(qiáng)、弱年對應(yīng)的鋒區(qū)附近的氣壓梯度方向基本相同（均由西北指向東南），但大小卻不同，強(qiáng)年可達(dá) 0.45 hPa (100 km)-1，而弱年只有0.3 hPa (100 km)-1，說明在氣壓調(diào)整機(jī)制的作用下，偏強(qiáng)的海溫梯度會(huì)造成偏強(qiáng)的氣壓梯度，從而激發(fā)出偏強(qiáng)的水平風(fēng)場，這將進(jìn)一步導(dǎo)致散度、渦度、垂直速度和降水的改變。

圖9 東海黑潮鋒強(qiáng)（左列）、弱（右列）年的散度和降水分布（上）、渦度分布（中）、垂直速度沿AB剖面（下）：（a、b）中黑色等值線表示散度（負(fù)值表示輻合，單位：10-5 s-1），填色表示降水（mm d-1）；（c、d）中填色表示渦度（單位：10-5 s-1）；（a-d）中還疊加了23°C、24°C海表面溫度（紅線）和3°C (100 km)-1以上的海表面能溫度梯度（藍(lán)線）；（e、f）中的負(fù)值表示上升運(yùn)動(dòng)，單位：10-1 m s-2，O、M點(diǎn)分別代表AB線上海表面溫度梯度、海表面溫度最大處Fig. 9 (a) Wind divergences at 10 m (black contours, negative for convergence; 10-5 s-1) and precipitation (color shading; mm d-1) for strong years of the KF.(b) As in (a), but for weak years of the KF. (c) Wind vorticities at 10 m (color shading; 10-5 s-1) for strong years of the KF. (d) As in (c), but for weak years of the KF. The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C, and the blue contours are for |?SST| greater than 3°C (100 km)-1 in (a-d). (e) Vertical section of vertical velocities along line AB for strong years of the KF (negative for upward motion; 10-1 m s-2). Points O and M on line AB denote maximum |?SST| and SST, respectively. (f) As in (e), but for weak years of the KF

圖10 東海黑潮鋒（a）強(qiáng)、（b）弱年的海平面氣壓及其梯度分布和（c）氣壓梯度沿AB剖面。黑色等值線表示海平面氣壓，單位：hPa；填色表示海平面氣壓梯度，單位：hPa (100 km)-1；矢量表示海平面氣壓梯度場Fig. 10 (a) SLP (black contours; hPa), SLP gradients [arrows; hPa (100 km)-1], and magnitude of SLP gradients (color shading) during strong years of the KF.(b) As in (a), but for weak years of the KF. (c) Curves of magnitude of SLP gradients along line ABduring strong (solid) and weak (dashed) years of the KF.The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C, and the blue contours are for |?SST| greater than 3°C (100 km)-1 in (a, b). Points O and M on line ABin (c)denote maximum |?SST| and SST, respectively

為進(jìn)一步說明氣壓調(diào)整機(jī)制的作用，圖11給出了黑潮鋒強(qiáng)、弱年的海表溫度、1000～850 hPa厚度和海平面氣壓這三個(gè)物理量的Laplace。可以看出，-?2SST、-?2H和?2SLP 的正大值帶均位于鋒區(qū)東南側(cè)暖舌附近，且與圖9中的輻合帶位置吻合，強(qiáng)年的數(shù)值明顯大于弱年。這是由于鋒區(qū)偏強(qiáng)（弱）年，鋒區(qū)東南側(cè)暖水區(qū)與西北側(cè)冷水區(qū)的海溫梯度偏強(qiáng)（弱），導(dǎo)致兩側(cè)的1000～850 hPa厚度差偏大（小），即兩側(cè)的低層氣溫差偏大（小），從而使得鋒區(qū)附近的氣壓梯度加大（減?。?，風(fēng)速也隨之加大（減?。?，說明在年際時(shí)間尺度上氣壓調(diào)整機(jī)制仍起作用。

綜合圖7到圖11的結(jié)果，可將年際時(shí)間尺度上的氣壓調(diào)整機(jī)制（圖6）概括為：東海黑潮鋒偏強(qiáng)年，鋒區(qū)東南側(cè)的海溫異常偏高將使等壓線由P2降低為P2-ΔP,而鋒區(qū)西北側(cè)的海溫異常偏低將使等壓線由P3升高為P3+ΔP，由此導(dǎo)致O點(diǎn)的氣壓梯度由-?P1加大為-?P1-?(ΔP),地轉(zhuǎn)風(fēng)也隨之由Vg1增強(qiáng)為Vg1+ΔVg，實(shí)際風(fēng)由V1增強(qiáng)為V1+ΔV。這時(shí)A、B兩點(diǎn)→的氣壓梯度和實(shí)際風(fēng)仍維持氣候態(tài)下的-?P0和不變，于是在O、B之間的區(qū)域，V1+ΔV與V0沿鋒區(qū)走向的分量差會(huì)在M點(diǎn)產(chǎn)生更強(qiáng)的氣旋性切變渦度，V1+ΔV與V0沿跨鋒區(qū)走向的分量差在M點(diǎn)形成更強(qiáng)的風(fēng)速輻合，從而使得M點(diǎn)出現(xiàn)更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)和降水。與此相反，在A、O點(diǎn)之間的區(qū)域有更強(qiáng)的反氣旋性切變渦度、風(fēng)速輻散、下沉運(yùn)動(dòng)和更弱的降水，跨鋒區(qū)次級環(huán)流圈也更強(qiáng)。東海黑潮鋒偏弱年的情況則相反。

5 結(jié)論

本文采用QuickSCAT、AVHRR、TRMM等一系列高分辨率衛(wèi)星資料及CFSR再分析資料，從氣候態(tài)及年際變化的角度研究了大氣對春季東海黑潮鋒響應(yīng)的氣壓調(diào)整機(jī)制。得到以下結(jié)論：

（1）春季氣候態(tài)下大氣對東海黑潮鋒響應(yīng)的氣壓調(diào)整機(jī)制為：東海黑潮鋒位于黑潮暖舌的西北側(cè)且呈西南—東北走向，這與大尺度氣壓背景場的等壓線走向一致，于是鋒區(qū)東南側(cè)的暖水與西北側(cè)的冷水之間產(chǎn)生的局地氣壓梯度與大尺度氣壓梯度形成同向疊加，使得鋒區(qū)附近的氣壓梯度達(dá)到最大且為西北指向東南方向，由此造成海表面矢量風(fēng)速也在鋒區(qū)達(dá)到最大，并在海面摩擦的作用下形成NNE風(fēng)。鋒區(qū)與其東南側(cè)的NNE風(fēng)之間沿鋒區(qū)走向（跨鋒區(qū)走向）的分量差，會(huì)在鋒區(qū)東南側(cè)的暖舌附近產(chǎn)生氣旋性切變渦度（風(fēng)速輻合），由此產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)降水；而在鋒區(qū)西北側(cè)的冷水區(qū)情況正好相反，有反氣旋性切變渦度（風(fēng)速輻散），并伴有下沉運(yùn)動(dòng)和弱降水，從而形成跨鋒區(qū)的次級環(huán)流圈。

圖11 東海黑潮鋒強(qiáng)（左圖）、弱（右圖）年的-?2SST（上，單位：10-10 km-2）、1000～850 hPa厚度-?2H（中，單位：10-10 m-1）和?2SLP（下，單位：10-8 Pa m-2）。圖中疊加了23°C、24°C海溫（紅線）和3°C (100 km)-1以上的海溫梯度（藍(lán)線）Fig. 11 (a, b) -?2SST (10-10 km-2), (c, d) 1000-850 hPa thickness -?2H (10-10 m-1), and (e, f) ?2SLP (10-8 Pa m-2) during strong (left panels) and weak(right panels) years of the KF. The red contours are for SSTs at 23°C and 24°C. The blue contours are for |?SST| greater than 3°C (100 km)-1

（2）春季東海黑潮鋒偏強(qiáng)（弱）年，鋒區(qū)東南側(cè)的暖水與西北側(cè)的冷水之間的局地氣壓梯度也偏強(qiáng)（弱），與大尺度氣壓梯度同向疊加后形成偏強(qiáng)（弱）的 NNE風(fēng)，造成鋒區(qū)東南側(cè)暖舌附近的氣旋性切變渦度、風(fēng)速輻合、上升運(yùn)動(dòng)和降水偏強(qiáng)（弱），而鋒區(qū)西北側(cè)冷水區(qū)的反氣旋性切變渦度、風(fēng)速輻散和下沉運(yùn)動(dòng)偏強(qiáng)（弱），跨鋒區(qū)次級環(huán)流圈偏強(qiáng)（弱），這表明在年際時(shí)間尺度上氣壓調(diào)整機(jī)制仍起作用。

本文的研究局限于采用衛(wèi)星觀測資料和再分析資料討論氣壓調(diào)整機(jī)制，所得以上結(jié)論需用數(shù)值模式進(jìn)行驗(yàn)證。春季東海黑潮鋒所處的大尺度氣壓背景場與鋒區(qū)的局地氣壓梯度正好形成同向疊加，這有利于凸顯氣壓調(diào)整機(jī)制的作用，但對于其他季節(jié)，大尺度氣壓背景場將發(fā)生改變，這時(shí)的氣壓調(diào)整機(jī)制如何發(fā)揮作用？另外，不同的大尺度氣壓背景場下，氣壓調(diào)整機(jī)制與垂直混合機(jī)制的相對重要性是否也不同？這些問題均需進(jìn)一步的研究。

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