馬靜1, 2 徐海明1, 2 董昌明3

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大氣對(duì)黑潮延伸區(qū)中尺度海洋渦旋的響應(yīng)——冬季暖、冷渦個(gè)例分析

馬靜徐海明董昌明

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044 2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044 3加利福尼亞大學(xué)地球物理及行星物理研究所，洛杉磯90095

采用動(dòng)態(tài)合成、帶通濾波等方法，通過對(duì)冬季黑潮延伸區(qū)暖、冷兩個(gè)中尺度海洋渦旋的分析，研究了大氣對(duì)中尺度海洋渦旋的響應(yīng)特征。結(jié)果表明，海表溫度（SST）與近海面風(fēng)速的正相關(guān)關(guān)系在渦旋的動(dòng)態(tài)合成圖上清晰可見，暖（冷）渦上空對(duì)應(yīng)10 m風(fēng)速的極大（小）值，即海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用在日時(shí)間尺度上表現(xiàn)顯著；SST高低值中心基本對(duì)應(yīng)10 m風(fēng)無輻散區(qū)，暖（冷）渦上空為異常正（負(fù)）渦度分布；暖（冷）渦上空潛熱、感熱通量增大（減?。档停ㄔ龃螅┐髿夥€(wěn)定度，從而加強(qiáng)（減弱）邊界層垂直混合作用，使得海洋大氣邊界層增厚（變?。?。暖（冷）渦旋上空對(duì)應(yīng)摩擦速度極大（?。┲?，反映了湍流粘性力在高（低）海溫中心增大（減小）的特征，表明動(dòng)量垂直混合機(jī)制在中小尺度海氣相互作用中起著主要作用。中尺度海洋渦旋能夠影響大氣瞬變擾動(dòng)，大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度在暖（冷）渦下游上空出現(xiàn)極大（?。┲?，該影響不僅表現(xiàn)在海洋大氣邊界層，在自由大氣中低層也有較為清晰的反映。此外，從能量轉(zhuǎn)換的角度入手，發(fā)現(xiàn)斜壓能量轉(zhuǎn)換在中尺度海洋渦旋影響大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度中貢獻(xiàn)明顯。

黑潮延伸區(qū) 中尺度海洋渦旋 動(dòng)態(tài)合成 海洋大氣邊界層 瞬變擾動(dòng)

1 引言

海氣相互作用是氣候研究中的一個(gè)重要課題。人們對(duì)熱帶海氣相互作用的研究已日趨成熟，并取得了較為一致的認(rèn)識(shí)，而中緯度的海氣相互作用是近幾十年氣候研究中一個(gè)非常有挑戰(zhàn)和爭(zhēng)議的科學(xué)問題。在海盆尺度上，無論觀測(cè)還是模式分析都表明：海表溫度（SST）異常主要是大氣強(qiáng)迫的結(jié)果（Palmer et al., 1985；Deser and Timlin，1997）。

自20世紀(jì)90年代以來，散射計(jì)、被動(dòng)遙感儀、紅外輻射計(jì)等高分辨率衛(wèi)星觀測(cè)資料大量出現(xiàn)，為人們認(rèn)識(shí)中緯度中小尺度的海氣相互作用提供了條件。許多學(xué)者對(duì)諸如黑潮及其延伸體、墨西哥灣流等強(qiáng)海流地區(qū)的海氣相互作用特征進(jìn)行了大量研究。Nonaka and Xie（2003）通過對(duì)季節(jié)平均AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）海 溫和ERS（European Remote Sensing Satellite）風(fēng)速的分析發(fā)現(xiàn)，黑潮延伸區(qū)近表面風(fēng)速與SST存在著同位相關(guān)系。徐海明等（2008）采用高分辨率衛(wèi)星觀測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn)，黑潮海洋鋒區(qū)上SST與海表面風(fēng)速之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，特別是當(dāng)海洋鋒區(qū)強(qiáng)并在其上產(chǎn)生明顯的海洋波動(dòng)的春季，海溫與海表面風(fēng)速之間的正相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)得更為顯著。索馬里海流（Vecchi et al., 2004）、南極繞極流（O’Neill et al., 2003；White and Annis, 2003）、巴西暖流和墨西哥灣流（White and Annis, 2003）等海區(qū)也存在類似的SST與近海面風(fēng)速的同位相關(guān)系。此外，這種耦合關(guān)系也為數(shù)值模式結(jié)果所驗(yàn)證（Small et al., 2003，2008；Yu and Liu，2003；Song et al., 2004）。這種不同于海盆尺度的海氣相互作用特征反映了海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用。

目前，人們提出了兩種解釋近表面風(fēng)速與SST正相關(guān)的機(jī)制。一種是Lindzen and Nigam（1987）提出的海平面氣壓調(diào)整機(jī)制，海溫高值區(qū)大氣增暖，海平面氣壓降低，而在低海溫區(qū)海平面氣壓則升高。另一種是Wallace et al.（1989）提出的垂直混合機(jī)制，即暖海水使得海洋邊界層大氣變得不穩(wěn)定，垂直混合作用加強(qiáng)，引起邊界層中高層大動(dòng)量的下傳，使海表風(fēng)速增大；相反地，海溫低值區(qū)大氣穩(wěn)定度增強(qiáng)，垂直混合受到抑制，海表面風(fēng)速減小。但是，究竟是哪種機(jī)制在中小尺度海氣相互作用過程中起主導(dǎo)作用至今仍存在較大爭(zhēng)議，有待進(jìn)一步的探討。

有研究表明，中緯度海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用并不局限在大氣低層，還可以擴(kuò)展至對(duì)流層。Minobe et al.（2008）研究發(fā)現(xiàn)，墨西哥灣流區(qū)域海溫引起的表面風(fēng)輻合與垂直運(yùn)動(dòng)能顯著影響云（Minobe et al., 2010）和降水（Kuwano-Yoshida et al., 2010; Minobe et al., 2010）。Xu et al.（2011）發(fā)現(xiàn)春季東海黑潮海洋鋒區(qū)的暖側(cè)積云對(duì)流頻發(fā)、雨（云）頂高度增加、閃電活動(dòng)頻繁。此外，有研究表明（Nakamura, 2012），日本南部海岸移動(dòng)氣旋的路徑和發(fā)展速率的變化與黑潮是蛇曲路徑還是直行路徑密切相關(guān)。

除強(qiáng)海流區(qū)的海氣相互作用以外，中緯度海洋渦旋對(duì)大氣的影響也受到了人們的關(guān)注。研究表明（Robinson, 1983），中尺度海洋渦旋以長(zhǎng)期封閉環(huán)流為主要特征，通常典型的空間尺度為50～500 km，時(shí)間尺度為幾天到上百天，在海洋環(huán)流和熱量、質(zhì)量的輸送方面起著重要作用，是海洋物理環(huán)境的一個(gè)重要組成部分。

北太平洋上有兩個(gè)渦旋動(dòng)能的緯向高值帶，主要高值帶位于黑潮延伸體，它是一支伴隨有大量渦旋的緯向型海洋急流（Qiu，2002；Liu et al., 2012）；次高值帶處于副熱帶區(qū)域，從呂宋海峽一直延伸至夏威夷群島。Xu et al.（2010）研究了2004～2005年黑潮延伸體大彎曲時(shí)期出現(xiàn)在日本島南側(cè)的冷性渦旋對(duì)大氣的影響。資料分析表明，該冷渦水平尺度為500～600 km，從2004年夏季維持到翌年夏季，在其上空，海表風(fēng)速減小，云中液態(tài)含水量和降水均減少。

Xu et al.（2010）研究中關(guān)注的海洋渦旋空間尺度較大，維持時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)局地氣候產(chǎn)生了一定的影響。那么，空間尺度更小、時(shí)間尺度更短的中尺度海洋渦旋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用又會(huì)呈現(xiàn)怎樣的特征？此外，已有的研究大多從月、季尺度考慮中小尺度的海氣相互作用特征，鮮有以日為時(shí)間尺度的相關(guān)研究，跟蹤某個(gè)特定海洋渦旋并探討其上大氣響應(yīng)的研究工作就更不多見。日時(shí)間尺度上SST與10 m風(fēng)速的同位相關(guān)系是否依然成立？中緯度海洋渦旋對(duì)大氣的影響是否可以突破邊界層高度進(jìn)而影響對(duì)流層大氣？本文從這幾個(gè)問題出發(fā)，采用中尺度渦旋判別方法選取冬季黑潮延伸區(qū)的典型中尺度海洋渦旋個(gè)例，對(duì)移動(dòng)渦旋上空的大氣響應(yīng)進(jìn)行了研究。

2 資料與方法

2.1 資料

（1）中尺度海洋渦旋資料

合理定義中尺度海洋渦旋并追蹤其移動(dòng)路徑是開展本研究的前提。目前，確定渦旋的算法主要有三類，第一類基于物理特征，通過設(shè)定某一特定參數(shù)的閾值來確定渦旋；第二類則基于流場(chǎng)的幾何特征，以即時(shí)流線的形狀或彎曲來確定渦旋；第三類是混合法，即綜合考慮前兩種方法。Dong et al.（2011）提出了一種新的渦旋檢測(cè)方法，利用高分辨率的衛(wèi)星遙感海溫資料得到熱成流速度場(chǎng)，通過對(duì)熱成流速度場(chǎng)幾何特征的分析識(shí)別渦旋中心，確定渦旋中心位置、大小、極性、強(qiáng)度，并追蹤其路徑。由于它完全依賴流場(chǎng)的幾何特征，因此屬第二類算法。該算法已在南加利福尼亞海灣等的渦旋活動(dòng)研究（Dong et al., 2012）中得到檢驗(yàn)，該渦旋判別方法的具體介紹詳見參考文獻(xiàn)（Dong et al., 2011）。

（2）TMI資料

TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）衛(wèi)星于1997年11月27日發(fā)射升空，是第一顆專門用于定量測(cè)量熱帶和亞熱帶降雨的氣象衛(wèi)星，其觀測(cè)范圍在南北緯40°之間，共搭載5種儀器：測(cè)雨雷達(dá)PR、微波成像儀TMI（TRMM Microwave Imager）、可見光和紅外掃描儀、閃電圖像儀以及云和地球輻射能量系統(tǒng)（何會(huì)中等，2004）。TMI測(cè)量的海表溫度排除了云的影響，因此較為準(zhǔn)確可靠，該資料時(shí)長(zhǎng)為1997年12月～2010年9月，水平分辨率為0.25°×0.25°。本文選用2006年的逐日TMI海表溫度、風(fēng)速資料。

（3）QuikSCAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)

1999年7月，美國(guó)宇航局發(fā)射了一顆專門用來觀測(cè)海表面風(fēng)場(chǎng)的Quick Scatterometer（簡(jiǎn)稱QuickSCAT）衛(wèi)星，該衛(wèi)星搭載的微波散射儀可觀測(cè)每天全球海洋上的海表面10米處風(fēng)矢量場(chǎng)，其水平分辨率為0.25°×0.25°，資料時(shí)段為1999年7月～2009年11月（Liu et al., 2000）。

（4）CFSR資料

美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的CFSR （Climate Forecast System Reanalysis）數(shù)據(jù)（Saha et al., 2006）是一種新的海—陸—?dú)馔耆詈系母叻直媛试俜治鰯?shù)據(jù)，其水平分辨率為0.5°×0.5°，垂直分層為37層，資料長(zhǎng)度為1979年1月～2010年12月，利用它可以發(fā)現(xiàn)大氣海洋環(huán)境中一些尺度更小的細(xì)微特征。本文選用逐6小時(shí)CFSR資料，用到的變量有：邊界層高度、緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速、垂直速度、摩擦速度等。值得一提的是，該資料同化了QuikSCAT風(fēng)速（Sasaki et al., 2012），其對(duì)流層風(fēng)速等變量的質(zhì)量也相對(duì)較高。

（5）J-OFURO海表熱通量資料

J-OFURO海表熱通量資料是日本東海大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院利用衛(wèi)星資料建立的海洋表面通量數(shù)據(jù)集，提供海表潛熱通量、感熱通量、10 m氣溫、10 m風(fēng)速等資料。本文采用該數(shù)據(jù)集第二版的逐日資料，水平分辨率為0.25°×0.25°，資料時(shí)段為2002年1月～2007年12月（詳細(xì)介紹見http:// dtsv.scc.u-tokai.ac.jp/j-ofuro/[2012-10-01]）。

2.2 主要方法

（1）典型渦旋個(gè)例的選取

Dong et al.（2011）利用2006～2008年黑潮延伸體區(qū)域的REMSS（Remote Sensing System）海溫?cái)?shù)據(jù)集（空間分辨率為9 km），分析了該區(qū)域中尺度海洋渦旋的基本特征。結(jié)果表明，尺度在50 km左右的渦旋最多，與第一斜壓變形半徑相近；平均生命史以6天居多。

本文依照 Dong et al.（2011）的渦旋判別方法，挑選了2006年冬季維持時(shí)間在50天左右的中尺度海洋渦旋，最終選取了其中兩個(gè)個(gè)例，一個(gè)暖渦，一個(gè)冷渦。

暖渦從2006年1月2日維持到2月21日，其移動(dòng)路徑見圖1a。由圖可見，該暖渦移動(dòng)幅度較大，渦旋中心分布在（28.5°～31.5°N，172°～174.5°E）較為廣闊的范圍內(nèi)。1月29日該渦旋面積最大，形態(tài)如圖1b。其緯向跨度近2度，經(jīng)向跨度為3度左右，屬典型中尺度海洋渦旋。另一個(gè)個(gè)例是在（30°～35°N，154°～156°E）范圍內(nèi)移動(dòng)的冷渦，路徑見圖1c。該冷渦持續(xù)時(shí)間為2006年11月3日至12月31日，12月29日該冷渦面積達(dá)最大，緯向跨度近2度，經(jīng)向跨度則大于3度，也屬于典型中尺度海洋渦旋（形態(tài)見圖1d）。

（2）動(dòng)態(tài)合成方法

為跟蹤移動(dòng)中的中尺度海洋渦旋，考慮其結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境的分布及變化，參照李英等（2005）提出的跟隨熱帶氣旋的動(dòng)態(tài)合成方法，類似得到跟隨海洋渦旋中心的動(dòng)態(tài)合成分析方法，公式為：

（3）31點(diǎn)帶通濾波

設(shè)（）為包含各種頻率成分的輸入序列，h為對(duì)稱數(shù)字濾波器，（）為濾波后得到的包含我們所需頻率成分的新序列：

在=15時(shí)，可濾出周期為2.5～6天的天氣尺度渦動(dòng)部分。從濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線來看，有很好的濾波效果（鄧興秀和孫照渤，1994）。

此外，本文還采用了滑動(dòng)濾波等方法。

3 中尺度暖、冷渦對(duì)海洋大氣邊界層的影響

3.1 暖、冷渦旋對(duì)10 m風(fēng)速的影響

Nonaka and Xie（2003）、徐海明等（2008）通過對(duì)季節(jié)平均風(fēng)速和海溫的分析發(fā)現(xiàn)，黑潮及其延伸區(qū)的近表面風(fēng)速與SST存在著同位相關(guān)系。那么，在日時(shí)間尺度上，黑潮延伸區(qū)中尺度海洋渦旋上空的10 m風(fēng)速又有著怎樣的分布特征呢?

圖2a給出了暖渦個(gè)例在維持時(shí)段內(nèi)SST與TMI 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成分布，合成區(qū)域選為以渦旋為中心的東西南北各兩度范圍內(nèi)。渦旋中心對(duì)應(yīng)SST高值，中心位置幾乎重合，風(fēng)速大值區(qū)與SST高值區(qū)也有著較好的配合。圖2b為SST與QuikSCAT 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成分布。與圖2a比較可見，QuikSCAT 10 m風(fēng)速與TMI風(fēng)速差異較 小，其10 m風(fēng)速與SST的配置關(guān)系與圖2a相似，但風(fēng)速“槽脊”的坡度小于TMI風(fēng)速的“槽脊”坡度。兩套風(fēng)速資料均反映出SST與海表風(fēng)速的同位相關(guān)系，增強(qiáng)了結(jié)果的可信度。

由冷渦個(gè)例SST與TMI 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成分布（圖3a）可見，渦旋中心對(duì)應(yīng)SST低值，但SST低值中心略偏向渦旋中心的東北側(cè)。與SST分布相配合，TMI 10 m風(fēng)速等值線在低海溫中心附近由南向北隆起，即在SST低值區(qū)對(duì)應(yīng)風(fēng)速“倒 槽”。圖3b是冷渦個(gè)例SST與QuikSCAT 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成分布?？傮w而言，QuikSCAT 10 m風(fēng)速資料比TMI風(fēng)速資料偏大，與SST的配置關(guān)系與圖3a相似，但風(fēng)速“倒槽”的坡度小于TMI風(fēng)速“倒槽”。此外，從QuikSCAT 10 m風(fēng)矢量的動(dòng)態(tài)合成分布可以看到，在渦旋中心附近，10 m風(fēng)矢順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，形成了反氣旋性渦旋。

為突出海溫與風(fēng)速的配置關(guān)系，進(jìn)一步分析了去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST和10 m風(fēng)速、風(fēng)矢的分布。圖2c給出了暖渦個(gè)例去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST和TMI 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成分布。SST與10 m風(fēng)速的同位相關(guān)系在該圖上得到更為直接的反映，SST正、負(fù)值分別與10 m風(fēng)速的正、負(fù)值對(duì)應(yīng)。從去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST和QuikSCAT 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成圖（圖2d）上可以看到與圖2c相似的分布形態(tài)。去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST和QuikSCAT 10 m風(fēng)矢的合成分布直觀地給出了風(fēng)矢量與SST配置關(guān)系，在海溫高值中心為異常西北風(fēng)分布，合成區(qū)域第一象限東部為異常東南風(fēng)分布。

從冷渦個(gè)例去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST與TMI 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成分布（圖3c）上同樣可清晰地看到SST與10 m風(fēng)速的顯著正相關(guān)關(guān)系。但相較于暖渦而言，冷渦的SST正負(fù)值與10 m風(fēng)速的正負(fù)值分布有著一定的位相偏移，風(fēng)速負(fù)值中心偏向SST負(fù)值中心的西北一側(cè)。從去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST和QuikSCAT 10 m風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成圖（圖3d）上可以看到，雖然近表面風(fēng)速的分布與圖3c有不同之處，但渦旋中心附近近海面風(fēng)速與SST同為負(fù)值的分布形態(tài)在兩圖均得到了很好的呈現(xiàn)。此外，在渦旋中心附近，去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的QuikSCAT 10 m風(fēng)速與SST的同位相程度要優(yōu)于TMI風(fēng)速。

從冷渦個(gè)例去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST和QuikSCAT 10 m風(fēng)矢的合成分布上可以看到，在海溫低值中心為異常東風(fēng)分布，合成區(qū)域第一象限東部為異常西北風(fēng)分布，第二、三象限為東南風(fēng)異常，第四象限則為偏東風(fēng)異常。

以上對(duì)暖、冷渦SST與10 m風(fēng)速分布的分析與Nonaka and Xie（2003）、White and Annis（2003）等的研究結(jié)論一致，即在較小空間尺度上，SST與近海表風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系，反映了海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用。此外，有別于前人的研究工作，我們發(fā)現(xiàn)SST與海表風(fēng)速的同位相關(guān)系在日時(shí)間尺度上依然成立，表明海洋對(duì)10 m高度大氣的影響能夠得到迅速的體現(xiàn)。

3.2 暖、冷渦旋對(duì)10 m風(fēng)散度、渦度的影響

海溫變化能夠改變10 m風(fēng)速，那么必然會(huì)引起10 m風(fēng)散度、渦度的變化。圖4a給出了暖渦個(gè)例SST與QuikSCAT 10 m風(fēng)散度的動(dòng)態(tài)合成分布。從圖上不難發(fā)現(xiàn)，在海溫高值中心附近，散度介于1×10s與－1×10s之間，海溫高值中心上空對(duì)應(yīng)無輻散區(qū)，輻合、輻散區(qū)則分布在渦旋外圍。從SST與QuikSCAT 10 m風(fēng)渦度的動(dòng)態(tài)合成圖 （圖4b）上可以看到，由于背景場(chǎng)為西風(fēng)主導(dǎo)，且西風(fēng)由南向北逐漸增大，使得切變渦度為負(fù)，合成區(qū)域內(nèi)幾乎均為負(fù)渦度分布，但相較于東西兩側(cè)而言，渦旋中心的渦度絕對(duì)值最小。這表明，對(duì)應(yīng)海溫“低—高—低”分布，渦度分布也存在顯著差異，呈“強(qiáng)反氣旋性—弱反氣旋性—強(qiáng)反氣旋性”分布。暖渦中心對(duì)應(yīng)異常氣旋性渦度的特征在去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的渦度動(dòng)態(tài)合成分布圖上表現(xiàn)更為清晰（圖略）。

以上分析得到的10 m風(fēng)散度、渦度與海表溫度的配置關(guān)系與O’Neill et al.（2003）、Chelton et al. （2004）的研究結(jié)果相似。他們的研究表明，近表面渦度近似線性正比于橫風(fēng)方向（Crosswind direction）的SST梯度，散度則線性正比于下風(fēng)方向的SST梯度。這是不難理解的：基本氣流為西風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，暖渦上空風(fēng)速增大，其東西兩側(cè)風(fēng)速相對(duì)偏小，那么在暖渦西側(cè)會(huì)出現(xiàn)風(fēng)的輻散，東側(cè)則為輻合；相應(yīng)地，在南北方向上，渦旋中心上空疊加的正異常風(fēng)速使得其上空出現(xiàn)異常的氣旋式渦度。

與暖渦個(gè)例的分析類似，圖4c給出了冷渦個(gè)例的SST與QuikSCAT 10 m風(fēng)散度的動(dòng)態(tài)合成分布。在海溫低值中心附近，散度介于－4×10s與4×10s之間，海溫低值中心上空10 m風(fēng)場(chǎng)近于無輻散。從SST與QuikSCAT 10 m風(fēng)渦度的動(dòng) 態(tài)合成圖（圖4d）上可以看到，渦旋中心為負(fù)渦度分布，負(fù)渦度中心略偏向渦旋中心的西北側(cè)。渦度的這種分布與QuikSCAT 10 m風(fēng)矢圖上可辨的反氣旋性渦旋分布一致?；練饬鳛槲黠L(fēng)主導(dǎo)時(shí)，冷渦上空風(fēng)速減小，其東西兩側(cè)風(fēng)速相對(duì)偏大，那么在冷渦西側(cè)會(huì)出現(xiàn)風(fēng)的輻合，東側(cè)則為輻散；相應(yīng)地，在南北方向上，渦旋中心上空疊加的負(fù)異常風(fēng)速使得其上空出現(xiàn)異常的反氣旋式渦度。

3.3 暖、冷渦旋對(duì)熱通量、邊界層高度的影響

海氣熱通量是海氣相互作用最直接的反映。海氣界面處的潛、感熱通量是熱量通過海表面從海洋進(jìn)入大氣的重要方式，海表面溫度的變化會(huì)影響海氣溫度差及海表風(fēng)速，加強(qiáng)或減弱潛、感熱通量。因此，除了分析海洋渦旋上空的近表面風(fēng)速分布特征外，我們還進(jìn)一步分析了海氣熱通量、邊界層高度與兩個(gè)冷暖渦旋的配合情況。

圖5a為暖渦個(gè)例SST與潛熱通量的動(dòng)態(tài)合成分布?？傮w來看，潛熱通量由南向北逐漸增大，極大值分布在渦旋中心西北側(cè)，這與風(fēng)速的分布是緊密相關(guān)的，不難發(fā)現(xiàn)該圖與圖2a、b中風(fēng)速的分布極為相似。關(guān)注沿渦旋中心緯度一線的潛熱通量分布可以發(fā)現(xiàn)，潛熱通量東西差異顯著，自西向東為“小—大—小”分布。在SST高值中心對(duì)應(yīng)潛熱通量高值區(qū)，渦旋中心的潛熱通量大于145 W/m。感熱通量的動(dòng)態(tài)合成分布形態(tài)（圖5b）與潛熱通量類似，暖渦中心感熱通量大于20 W/m。

由冷渦個(gè)例的SST與潛熱通量的動(dòng)態(tài)合成分布（圖5c）可見，潛熱通量在海溫低值中心附近由南向北隆起，即在SST低值區(qū)對(duì)應(yīng)潛熱通量“倒槽”，渦旋中心潛熱通量小于150 W/m。感熱通量的動(dòng)態(tài)合成分布形態(tài)（圖5d）與圖5c極為相似，冷渦中心感熱通量小于10 W/m。同樣需要指出，該個(gè)例中潛熱通量由南向北逐漸增大的分布與風(fēng)速的分布密切相關(guān)，東西向的差異則主要體現(xiàn)了冷渦的影響。

圖6a是暖渦SST與邊界層高度的動(dòng)態(tài)合成分布?？梢郧宄乜吹?，沿渦旋中心緯度一線，邊界層高度自西向東呈“小—大—小”分布，在SST高值中心為最大，達(dá)1160 m左右。從冷渦個(gè)例SST與邊界層高度的動(dòng)態(tài)合成分布（圖6b）上不難發(fā)現(xiàn)，與SST分布相配合，邊界層高度等值線在海溫低值中心附近由南向北隆起，在SST低值區(qū)對(duì)應(yīng)邊界層高度低值，為1200 m左右。

海洋上空邊界層高度的變化主要受海上的天氣尺度過程以及中尺度過程產(chǎn)生的垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)迫以及氣團(tuán)的平流作用的影響，具體來說，大氣邊界層高度受到湍流卷夾率、大尺度垂直速度以及積云質(zhì)量通量的影響（Suarez et al.，1983），其中湍流卷夾率是決定大氣邊界高度的主要因素。而湍流卷夾率與浮力通量和穩(wěn)定度密切相關(guān)，浮力通量又是由感熱通量、潛熱通量和云頂輻射通量組成的。如前所述，在暖渦上空為潛熱、感熱通量大值分布，因此在暖渦上空對(duì)應(yīng)邊界層高度大值也就得到較為合理的解釋：SST偏高，潛熱、感熱釋放增加，減小大氣低層的穩(wěn)定度，加強(qiáng)空氣的垂直混合作 用，使得邊界層高度升高。而當(dāng)SST偏低時(shí)，向上的潛熱、感熱通量減小，大氣低層穩(wěn)定度增大，空氣的垂直混合作用減弱，使得邊界層高度降低。

3.4 暖、冷渦旋影響近海面風(fēng)的機(jī)制分析

大氣邊界層高度與SST的同位相配置關(guān)系一定程度上支持了Wallace et al.（1989）提出的近海面風(fēng)速與SST同位相的垂直混合機(jī)制，即海水升溫使得海洋邊界層大氣變得不穩(wěn)定，垂直混合作用加強(qiáng)，引起邊界層中高層大動(dòng)量的下傳，使海表風(fēng)速增大。但這只是定性推論，為更清晰地分析暖、冷渦旋影響海表面風(fēng)的機(jī)制，接下來給出更為細(xì)致的探討。

摩擦速度是氣流內(nèi)部摩擦力（湍流切應(yīng)力）和摩擦力做功（湍流切應(yīng)力做功）的量度，具體表達(dá)式如下：

從暖渦去除緯向31點(diǎn)滑動(dòng)平均的SST與摩擦速度的動(dòng)態(tài)合成分布圖（圖7a）上可以看到，摩擦速度與SST的正負(fù)值分布非常相似，表明對(duì)應(yīng)海溫高值中心，摩擦速度為極大值分布。冷渦個(gè)例（圖7b）中，海溫低值中心與摩擦速度的極小值很好地對(duì)應(yīng)，略有位相偏移。與圖2、圖3中的近海面風(fēng)速的動(dòng)態(tài)合成分布對(duì)照可見，摩擦速度的分布與近海面風(fēng)速極其相似，尤與TMI風(fēng)速更為相近。

摩擦速度體現(xiàn)的是湍流粘性力的大小，以上得到的分布特征表明，暖（冷）渦上空的近地面層有湍流粘性力的極大（小）值分布。湍流粘性力表示為，是法向?yàn)檩S的平面上湍流粘性力在方向的分量，它具有擾動(dòng)動(dòng)量通量的含義（擾動(dòng)動(dòng)量通量表達(dá)式為：）。因此，湍流粘性力是湍流運(yùn)動(dòng)引起大氣各層之間動(dòng)量交換的表現(xiàn)，其值越大，高低層動(dòng)量交換越顯著，這正是動(dòng)量垂直混合機(jī)制（Wallace et al., 1989）的內(nèi)涵。

為進(jìn)一步驗(yàn)證以上推斷，采用31點(diǎn)帶通濾波器從逐日緯向風(fēng)、垂直速度資料中濾出2.5～6天的天氣尺度波動(dòng)，進(jìn)而給出動(dòng)態(tài)合成緯向擾動(dòng)動(dòng)量垂直輸送沿暖渦中心緯度的經(jīng)度—高度剖面圖（圖8a）?？梢郧宄乜吹?，在海溫高（低）值上空對(duì)應(yīng)緯向擾動(dòng)動(dòng)量垂直輸送的極大（?。┲?，極值中心隨高度有一定的西傾。沿冷渦中心緯度的經(jīng)度—高度剖面圖（圖8b）上同樣可見緯向擾動(dòng)動(dòng)量垂直輸送與海溫的正相關(guān)的分布特征，動(dòng)量垂直輸送隨高度無明顯傾斜。值得注意的是，這里用到的是等壓面垂直速度，緯向擾動(dòng)動(dòng)量垂直輸送的正值表征擾動(dòng)西風(fēng)動(dòng)量的向下輸送，負(fù)值則表示其向上輸送，而邊界層里風(fēng)速隨高度增大，因此，高（低）海溫可以加強(qiáng)（減弱）動(dòng)量的垂直混合作用，從而增大（減?。┙Ｃ骘L(fēng)速。還注意到，暖、冷渦上空的緯向擾動(dòng)動(dòng)量垂直輸送分布的東西差異一直延伸至600 hPa，表明中尺度海洋渦旋可能對(duì)中低層大氣產(chǎn)生影響。

海平面氣壓調(diào)整機(jī)制（Lindzen and Nigam, 1987）中，暖（冷）海溫上空對(duì)應(yīng)近海面氣溫的高（低）值，海表面氣壓降低（升高），進(jìn)而引起海表風(fēng)速的變化。但是，這里探討的中尺度海洋渦旋上空并沒有出現(xiàn)海表面氣壓的極值分布（圖略）。綜合以上分析不難發(fā)現(xiàn)，在本文探討的中尺度海洋渦旋影響大氣的過程中，主要是垂直混合機(jī)制在起作用。

4 中尺度暖、冷渦對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的影響及可能機(jī)制分析

4.1 暖、冷渦旋對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的影響

Inatsu et al.（2002）研究表明，黑潮延伸區(qū)的海溫變率能夠改變大氣斜壓性，進(jìn)而影響太平洋風(fēng)暴軸。Nakamura et al.（2004）和Taguchi et al.（2009）研究發(fā)現(xiàn)，海洋鋒區(qū)兩側(cè)海氣熱量交換的差異能夠維持大氣的斜壓性，從而促進(jìn)風(fēng)暴軸的加強(qiáng)。風(fēng)暴軸是指2.5～6天天氣尺度瞬變波最強(qiáng)烈的區(qū)域，同時(shí)也代表天氣尺度瞬變波本身。這些研究均探討了黑潮區(qū)大尺度海溫變化對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的影響。

Nonaka and Xie（2003）和Xu et al.（2010）研究表明，日本以南黑潮的蛇曲和直行兩種路徑會(huì)顯著影響局地風(fēng)速、云量和降水。實(shí)際上，這兩種路徑差異的集中表現(xiàn)是日本以南出現(xiàn)冷性海洋渦旋，這些研究強(qiáng)調(diào)了水平尺度為500～600 km的較大尺度海洋渦旋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用，但沒有考慮路徑差異對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的影響。近期的研究（Nakamura，2012）發(fā)現(xiàn)，黑潮蛇行時(shí)，副熱帶 氣旋遠(yuǎn)離日本南部海岸，趨向于消散；黑潮直行時(shí)，氣旋則靠近南部海岸，維持時(shí)間較長(zhǎng)；蛇形路徑時(shí)氣旋的發(fā)展速率比直行時(shí)小41%。事實(shí)上，氣旋路徑和強(qiáng)度的變化是大氣瞬變擾動(dòng)的一種反映，該研究揭示了較大尺度海洋渦旋對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的影響。

為了探討中尺度冷暖渦旋對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的可能影響，我們采用31點(diǎn)帶通濾波器，從逐日經(jīng)向風(fēng)資料中濾出2.5～6天的天氣尺度波動(dòng)，并以經(jīng)向風(fēng)的天氣尺度濾波方差來表征大氣瞬變擾動(dòng)的強(qiáng)度。圖9a為暖渦個(gè)例SST與10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差的動(dòng)態(tài)合成分布。由圖可見，10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差自西向東逐漸增大，極大值位于海溫高值中心東側(cè)。從冷渦上空10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差的動(dòng)態(tài)合成分布圖（圖9b）上可以看到，10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差自西北象限向東南象限逐漸減小，而極小值則位于冷渦中心東南側(cè)。是什么因素使得海溫與10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差呈現(xiàn)出這樣的配置關(guān)系呢？我們注意到，暖渦上空的10 m風(fēng)場(chǎng)為西風(fēng)主導(dǎo)，10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差極大值分布于暖渦中心東側(cè)，而冷渦個(gè)例中東北象限為強(qiáng)西北風(fēng)分布，其他象限風(fēng)速較弱，10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差的極小值位于冷渦中心東南側(cè)。由以上分析推測(cè)，10 m風(fēng)場(chǎng)與濾波方差的這種配合關(guān)系可能反映了大尺度環(huán)境場(chǎng)的平流作用。

除10 m經(jīng)向風(fēng)濾波方差與SST有著以上配置關(guān)系以外，更高層大氣是否有類似的反映呢？鑒于此，我們給出了動(dòng)態(tài)合成經(jīng)向風(fēng)濾波方差沿暖、冷渦中心緯度（實(shí)際計(jì)算中沿渦旋中心南北各0.5°的平均做經(jīng)度—高度剖面，下同）的經(jīng)度—高度剖面（圖9c、d）。不難發(fā)現(xiàn)，600 hPa以下各層等壓面上的經(jīng)向風(fēng)濾波方差均在海溫高值中心東（西）側(cè)達(dá)到極大（小），并隨高度明顯東傾。從圖中疊加的緯向風(fēng)速（等值線）分布可以看到，各等壓面上均為西風(fēng)控制，表明600 hPa等壓面以下的經(jīng)向風(fēng)濾波方差極大值均出現(xiàn)在暖渦中心下游。此外，西風(fēng)隨高度增大，其平流作用也相應(yīng)增強(qiáng)，濾波方差極值隨高度東傾的現(xiàn)象可能也與背景場(chǎng)的平流作用有關(guān)。冷渦個(gè)例中，在600 hPa層以下，海溫低值中心東側(cè)上空為經(jīng)向風(fēng)濾波方差的極小值分布，濾波方差隨高度東傾的趨勢(shì)較之暖渦更為顯著。

需要注意的是，暖、冷渦個(gè)例中SST與經(jīng)向風(fēng)濾波方差的這種配置關(guān)系一直延伸至600 hPa，這表明兩個(gè)中尺度海洋渦旋對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度的影響可以突破海洋大氣邊界層，在自由大氣中低層也有較為清晰的反映。

以上分析得到的中尺度海洋渦旋與大氣瞬變擾動(dòng)的配合關(guān)系充分體現(xiàn)了中緯度海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用。這種強(qiáng)迫作用不僅體現(xiàn)在海洋鋒大尺度的位置變動(dòng)上（Joyce et al., 2009；馬靜和徐海明，2012），而且在中尺度渦旋這樣的空間尺度上也有明顯反映。

4.2 暖、冷渦旋影響大氣瞬變擾動(dòng)的可能機(jī)制

在中緯度大尺度大氣運(yùn)動(dòng)的能量循環(huán)過程中，擾動(dòng)動(dòng)能的變化主要取決于以下兩種過程：斜壓擾動(dòng)形成的暖空氣上升、冷空氣下沉可以使有效位能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能，稱為斜壓能量轉(zhuǎn)換過程；大氣的渦旋結(jié)構(gòu)則會(huì)通過對(duì)角動(dòng)量的輸送使擾動(dòng)動(dòng)能與平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，此為正壓能量轉(zhuǎn)換過程。擾動(dòng)動(dòng)能分布與經(jīng)向風(fēng)濾波方差非常相似（圖略），通過對(duì)擾動(dòng)動(dòng)能變化機(jī)制的研究也就能夠給出瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度變化的原因。

為探究斜壓與正壓能量轉(zhuǎn)換過程在大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度變化中的相對(duì)貢獻(xiàn)，我們首先對(duì)表征斜壓能量轉(zhuǎn)化的渦動(dòng)熱量垂直輸送－（表示等壓面坐標(biāo)下的瞬變垂直速度，表示瞬變比容）進(jìn)行了動(dòng)態(tài)合成，并進(jìn)一步給出其沿暖、冷渦中心緯度的經(jīng)度—高度剖面圖（圖10）。從圖上可以看到，－均為正值，表明熱量垂直向上輸送，對(duì)應(yīng)暖空氣上升過程，從而使得擾動(dòng)有效位能向擾動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化。在暖渦（圖10a）的上下游，－的分布有明顯差異，上游為極小值，下游為極大值；冷渦個(gè)例（圖10b）則相反，極大、極小值分別出現(xiàn)在冷渦的上、下游。注意到，－值越大，表明熱量的垂直向上輸送越強(qiáng)，擾動(dòng)有效位能向擾動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)換也越大，即大氣瞬變擾動(dòng)增強(qiáng)；反之亦 然。暖（冷）渦下游斜壓能量轉(zhuǎn)換明顯強(qiáng)（弱）于上游，因此大氣瞬變擾動(dòng)極大（?。┲党霈F(xiàn)在下游。另需指出的是，暖渦上空－分布的東西差異在600 hPa以下均較為清晰，冷渦個(gè)例中則只延伸至800 hPa，推測(cè)經(jīng)向風(fēng)濾波方差的分布還受到其他物理過程的影響。綜合以上分析可知，斜壓能量轉(zhuǎn)換在中尺度海洋渦旋影響大氣瞬變擾動(dòng)的過程中貢獻(xiàn)顯著。

根據(jù)Simmons et al.（1983）的研究，正壓能量轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱為CK）定義如下：

CK大于0表示平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能向擾動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換，瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度增大，CK小于0則對(duì)應(yīng)瞬變擾動(dòng)動(dòng)能減小。由動(dòng)態(tài)合成CK沿暖、冷渦中心緯度的經(jīng)度—高度剖面圖（圖11）可見，800 hPa等壓面以下，CK極大值分布在暖渦的下游。與圖9a對(duì)照發(fā)現(xiàn)，在800 hPa以下，CK的分布與經(jīng)向風(fēng)濾波方差分布有著較好的配合關(guān)系。冷渦個(gè)例中，在600 hPa以下，CK極小值均分布在冷渦的下游。冷渦下游的顯著負(fù)值分布表示瞬變擾動(dòng)動(dòng)能向平均動(dòng)能的明顯轉(zhuǎn)化，對(duì)應(yīng)經(jīng)向風(fēng)濾波方差減?。慌瘻u下游CK值偏大則表征瞬變擾動(dòng)動(dòng)能向平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化較少，對(duì)應(yīng)經(jīng)向風(fēng)濾波方差較大，但暖渦個(gè)例中800 hPa以上的CK分布無法解釋經(jīng)向風(fēng)濾波方差的分布。以上分析表明，正壓能量轉(zhuǎn)換在海洋渦旋對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的影響過程中有一定的貢獻(xiàn)。但是，與圖10對(duì)照不難發(fā)現(xiàn)，正壓能量轉(zhuǎn)換比斜壓能量轉(zhuǎn)換小一個(gè)量級(jí)，因此，大氣瞬變擾動(dòng)在海洋渦旋上下游的分布特征主要由斜壓能量轉(zhuǎn)換所決定。

在上一節(jié)中，我們推測(cè)大尺度環(huán)境場(chǎng)的平流作用對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度的分布有著重要作用，接下來我們對(duì)基流對(duì)瞬變動(dòng)能平流項(xiàng)給出定量分析。圖12a給出了平均氣流對(duì)瞬變動(dòng)能的平流輸送項(xiàng)沿暖渦中心緯度的經(jīng)度—高度剖面，可以看到，在900 hPa以下，暖渦中心的東西兩側(cè)分別為極大、極小值分布，表明平均氣流對(duì)瞬變動(dòng)能的平流作用使得上游局地瞬變動(dòng)能減弱，下游局地瞬變動(dòng)能增 加。900 hPa層以上，平流輸送項(xiàng)明顯東傾，與瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度的分布有較好的對(duì)應(yīng)。從平流輸送項(xiàng)沿冷渦中心緯度的經(jīng)度—高度剖面圖（圖12b）上可以看到，900 hPa等壓面以下，冷渦中心的東側(cè)為極小值分布，表明平均氣流對(duì)瞬變動(dòng)能的平流作用使得下游局地瞬變動(dòng)能減弱；900 hPa層以上，平流輸送項(xiàng)的東傾程度大于暖渦個(gè)例（可能與基本氣流強(qiáng)于暖渦有關(guān)），與瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度的分布對(duì)應(yīng)較好。與圖10、圖11對(duì)照可見，基流的平流作用與斜壓能量轉(zhuǎn)換同等量級(jí)，其對(duì)瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度的分布作用明顯，尤其對(duì)冷渦上空的經(jīng)向風(fēng)濾波方差分布有重要貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論與討論

本文采用動(dòng)態(tài)合成、帶通濾波等方法，以冬季黑潮延伸區(qū)暖、冷兩個(gè)中尺度海洋渦旋為例，研究了中尺度海洋渦旋對(duì)大氣的強(qiáng)迫特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）SST與海表風(fēng)速的正相關(guān)關(guān)系在渦旋的動(dòng)態(tài)合成圖上清晰可見，暖（冷）渦上空對(duì)應(yīng)10 m風(fēng)速大（?。┲?，表明在日時(shí)間尺度上海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用顯著。SST變化引起的海表風(fēng)速變化改變大氣散度、渦度，渦旋中心基本處在海表風(fēng)無輻散區(qū)，暖（冷）渦上空為異常正（負(fù)）渦度分布。

（2）SST變化及相伴的表面風(fēng)速變化使得潛熱、感熱通量近乎同位相變化，并由此改變大氣穩(wěn)定度、邊界層垂直混合作用和海洋大氣邊界層高度。具體關(guān)系如下：SST升高（降低）增大（減?。摕?、感熱通量，降低（增大）大氣穩(wěn)定度，加強(qiáng)（減弱）邊界層垂直混合作用，使得海洋大氣邊界層增厚（變?。Ｅɡ洌u旋上空的摩擦速度、緯向擾動(dòng)動(dòng)量垂直輸送均為極大（?。┲捣植?，反映了湍流粘性力在高（低）海溫中心增大（減小），表明動(dòng)量垂直混合機(jī)制在中小尺度海氣相互作用中起著主要作用。

（3）中尺度海洋渦旋能夠?qū)Υ髿馑沧償_動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，該影響不僅表現(xiàn)在海洋大氣邊界層，在自由大氣中低層也有較為清晰的反映。大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度在暖（冷）渦下游上空出現(xiàn)極大（?。┲担蟪叨拳h(huán)流的平流作用在其中起了重要作用。此外，從能量轉(zhuǎn)換的角度探討了中尺度海洋渦旋影響大氣瞬變擾動(dòng)的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)斜壓能量轉(zhuǎn)換貢獻(xiàn)顯著。

需要指出的是，中緯度大氣一個(gè)顯著的特征是存在很強(qiáng)的大氣內(nèi)部變率，文中中尺度暖、冷渦個(gè)例期間大氣瞬變擾動(dòng)存在的顯著差異多大程度來自這兩個(gè)時(shí)段大氣內(nèi)部變率的不同并不清楚。為此，我們對(duì)發(fā)生在2006年5月12日至6月16日、2007年2 月12日至3月29日、2009年1月1日至2月2日等多個(gè)渦旋（圖略）進(jìn)行了類似分析，發(fā)現(xiàn)大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度極大（?。┲滴挥谥谐叨扰ɡ洌u下游的分布特征普遍存在，由此推斷海洋對(duì)大氣瞬變擾動(dòng)的影響是主要的。

另需指出，中尺度海洋渦旋的典型空間尺度為50～500 km，時(shí)間尺度為幾天到上百天，頻譜較寬。本文研究的兩個(gè)渦旋個(gè)例的空間尺度約為200～300 km，維持時(shí)間在50天左右，基于這兩個(gè)渦旋發(fā)現(xiàn)的大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度分布特征顯然并不適用于尺度較小的渦旋，較小尺度渦旋對(duì)大氣有著怎樣的影響還有待進(jìn)一步研究。此外，本文僅對(duì)選取的兩個(gè)中尺度海洋渦旋個(gè)例做了較為詳盡的分析，得到的大氣響應(yīng)特征是否普遍存在？其他季節(jié)是否有著同樣的特征？這些問題均需要開展進(jìn)一步的研究。

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Atmospheric Response to Mesoscale Oceanic Eddies over the Kuroshio Extension: Case Analyses of Warm and Cold Eddies in Winter

MA Jing, XU Haiming, and DONG Changming

1,,210044 2,,210044 3,,90095,

The response of the atmosphere to mesoscale oceanic eddies is investigated by using dynamic composite and bandpass filters with particular focus on one warm eddy and one cold eddy over the Kuroshio Extension during the winter season. Results show positive correlation between sea surface temperature (SST) and wind speed at 10-m on dynamic composites, indicating remarkable oceanic forcing at daily time scales. Significantly weak divergence appears over the warm (cold) eddy center with positive (negative) vorticity anomaly. Latent and sensible heat fluxes increase (decrease) over the warm (cold) eddy, thus weakening (enhancing) atmospheric stability and thickening (thinning) the marine atmospheric boundary layer with strong (weak) vertical mixing. The maximum (minimum) center of frictional velocity, which represents turbulentviscousforces, lies over the warm (cold) eddy, indicating the substantial role of the vertical mixing mechanism in mesoscale and microscale ocean–atmosphere interaction. Mesoscale oceanic eddies can exert their influence on atmospheric transient disturbance intensity, which is significant both in the boundary layer and the mid–lower troposphere. Moreover, baroclinic energy conversion is found to play a critical role in the oceanic forcing of atmospheric transient disturbances.

Kuroshio Extension, Mesoscale oceanic eddy, Dynamiccomposite, Marine atmospheric boundary layer, Transient disturbance

1006?9895(2014)03?0438?15

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895. 2013.13151

2013?04?15，

2013?09?04收修定稿

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃——“太平洋印度洋對(duì)全球變暖的響應(yīng)及其對(duì)氣候變化的調(diào)控作用”2012CB955600，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41275094，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目（PAPD），江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”，江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目CXZZ13_0498

馬靜，女，1987年出生，博士研究生，主要從事海氣相互作用研究。E-mail: majingmarulai@163.com

徐海明，E-mail: hxu@nuist.edu.cn

馬靜, 徐海明, 董昌明 2014. 大氣對(duì)黑潮延伸區(qū)中尺度海洋渦旋的響應(yīng)——冬季暖、冷渦個(gè)例分析[J]. 大氣科學(xué), 38 (3): 438?452, doi:10.3878/j.issn. 1006-9895.2013.13151. Ma Jing, Xu Haiming, Dong Changming. 2014.Atmospheric response to mesoscale oceanic eddies over the Kuroshio Extension: Case analyses of warm and cold eddies in winter [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (3): 438?452.