黄海和东海冬季海面温度和气候的水深效应外文翻译资料

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黄海和东海冬季海面温度和气候的水深效应

Shang-Ping Xie, Jan Hafner, Youichi Tanimoto, W. Timothy Liu, Hiroki Tokinaga,and Haiming Xu

[1]大气是否会对温带海洋表面温度（SST）的变化产生反应，这种反应如何进行，这个问题仍处于激烈的讨论中，对这个问题缺乏理解，已经成为研究非厄尔尼诺气候变化多样性的一个主要障碍。我们利用新的卫星测量方法，在中国黄海、东海地区探测到清晰的海洋-大气反馈作用。海洋是由海洋底部地形触发的。在冬季强烈的海表冷却条件下，水的性质很好地混合到100米深。海洋的深度从而对陆架海的SST的影响很大，产生显著的暖舌和深水通道的配置。在暖舌上发现了疾风和云量增加的现象；其中一条海洋-大气共变曲流在盆地中蜿蜒而行，随深水道移动距离达惊人的1000公里。除了这些气候效应，在暖流遇到更冷的大陆架水的黑潮锋地区，加强了风暴的生长。

1.简介

[2]黄东海是世界上最大的陆架海之一(面积一百二十五万平方公里，是北海的两倍)。这里支持着重型航运、渔业和石油钻探活动。它对生活在沿海地区的5亿人口具有重大的经济和气候重要性。YEC海的一种已被证实的气候效应就是冬季它的东海岸比西海岸海水温度更高。例如，日本长崎(32.4°N)的1月份气温为6.4°C，而大陆侧的上海(31.3°N)仅为3.7°C。在黄东海地区，SST是否和如何在海陆热力对比下，对区域气候产生显著影响还未可知，因为到目前为止，还缺少足够的观测数据。

1. 使用新的卫星无障碍时空分辨率探测技术，我们发现水下地形触发的海温与主要气候变化之间的相互作用，如地面风、热流和云量等。此外，利用最新的大气模式，我们发现YEC海的海温，明显的影响该地区冬季风暴的发展，这一结果对天气预报很有帮助。

2.数据和模型

[4]我们使用下列数据集：自1998年12月以来，由热带雨测任务卫星的微波成像仪(TMI)测量的分辨率为0.25的海温、云水和降水资料；自1999年7月以来，由QuikSCAT卫星散射计测量的分辨率为0.25海面风矢量资料。

[5]利用第5版中尺度数值模式（MM5），模拟区域为117°E~139°E，21°N~41°N。水平分辨率27公里，垂直分辨率22西格玛水平，其中12处位于sigma;=0.8以下或距地面约2公里位置，解决行星边界层问题。使用美国国家环境预测中心每日四次分析数据，作为初始边界和侧边界条件。基于先进甚高分辨辐射计(AVHRR)测量的分辨率为9公里海温气候数据(1985-1999年)，作为表面边界条件。

3.海温的水深控制

[6]黑潮是北太平洋西边界流区的亚热带环流系统，对黄东海产生重要的动力和热力作用。它从黄东海台湾东部进入，在日本雅库岛以南(130.5°E，30.5°N)离开。黑潮在YEC海的大陆架断裂处流动，从热带输送温暖的盐水，在大陆架和琉球群岛之间的海温场中，可见微弱的暖舌(图1)。冬季，由于偏北季风从来大陆带来干冷空气，YEC海将大量热量输送到大气中。因此，在温暖的黑潮和陆架冷水之间，形成于一个的海温锋-黑潮锋。

1. YEC海大部分不到100米深。大陆架上冬季海温场显示出丰富的结构。在中国沿海，暖舌可以延伸到31°N(图1)。一个更明显的暖舌位于东北地区，面向韩国济州岛西部，然后指向黄海北部。在这些西南和东北向的暖舌之间是东南向的冷舌。以前的研究试图通过存在的海流将这些舌状的海温结构同水平对流联系起来，然而，这一研究还没有通过直接观测数据确认。

图一 在黄东海地区海洋深度（颜色深度代表海洋深度，单位米）与一月至三月的AVHRR海表温度（实线为等温线，间隔1°C）

1. 在这里，我们提出了一种替代机制解释SST气候学的显著特征。在冬季强烈的冷却下，YEC海很好的同海面向下100m的海水混合。因此，在大陆架水柱上的热惯性与底部深度成线性关系，这决定了水柱的冷却速度。换句话说，深水冷却比浅水得慢得多，因此保持较暖。这种一维水深控制机制可以预测海温和海底地形分布之间相关关系。事实上，在中国沿海西南暖舌与在28-31°N有深水相配置，而东北冷舌则由浅水配置。主要的东北暖舌由深槽配置。这种SST和水深密切的相关性表明垂直混合是确定大陆架冬季29°N以北的气候海温分布主要机制。并且解释了在太阳辐射的基本情况下向南的温度梯度的偏离现象。

[9 ]10月至3月YEC海表面热平均通量为200W。在海表面强迫作用下，对于25m深的水柱冷却速率为5.2°C/月，但75米水柱仅为1.7°C/月。这样的4个月后，这种差异冷却将在25和75M等深线之间产生14°C的温度差，远大于观察到SST的温度差异。事实上，表面热流是海温的一种强大功能；更冷的海水到达浅水岸上降低了向上的热流通量，对水深有负反馈作用。

[ 10 ]水平平流似乎在SST分布中起作用。经仔细观察发现，在图1中，黄海中主暖舌的区域，有明显的海温偏离水深，即不断地向深槽(80米深)的西面移动，这可能是埃克曼平流西移的结果之一。或者，西侧的一股向北流在朝鲜海岸附近的深槽和/或向南流动会引起这种观察到的暖舌移动。由于现场观测不足，黄海现有的系统不是可靠的-从直接测量中被发现。排除了平流的定量估计。

4.SST对风和云的影响

[11]季节平均下，冬季YEC海表面风作为东亚季风系统成员之一，地面风是偏北向，偏东北向风(图2c)。QuikSCAT风速与陆架SST有明显的联系，观测到的在高(低)风速与暖(冷)舌的相关。特别是局部风速最大值（最低），我们注意到东北暖（冷）舌不太可能是陆地上的地形相关，因为它离海岸很远。在南边沿黑潮前部较暖的一侧，风速最大值位于距比较平坦的冲绳岛屿100–200公里位置，同样可能是海温而不是地形的影响。对历史船只报告的分析证实了这一海温模式对海表面风速的影响(未示出)。Nonoka和谢证明了类似黑潮风和日本南部和东部下游相互作用。

[12] SST变化通过以下三种机制影响大气。首先，海温上升导致降低了静力稳定度，从而加强了垂直混合，它使快速移动的空气下降并加速地面风。第二，海温的增温通过潜热和感热的形式，使行星边界层增暖。在增暖处形成海平面气压（SLP）降低。得到的SLP梯度导致风场向气压的调节。第三、SST变化调节温带生长风暴的生长(斜压不稳定)，有可能导致深层大气响应。我们将在稍后讨论中回到这个SST对风暴的影响效应。

1. 我们使用高分辨率的区域大气模式--MM5模型研究这些SST效应的机制。模型整合始于2001年2月1日并持续一个月。月平均风速场很好地再现了卫星观测值，显示了与基础SST的正相关(图2B)。动量的垂直混合正是SST与风速正相关的基础机制。事实上，海表面感热和潜热通量，是行星边界层湍流混合的一种重要的能量。在暖舌和黑潮前方被显著加强（图2C）。中国沿岸热通量约100 W，但在黑潮附近增加到400 W。MM5热通量分布与源自船舶观测的热通量分布相似，但由于MM5模型的分辨率很高能够更好的显示暖舌和冷舌的特征。

图二 全风速（颜色深度 单位米/秒）(a).QuickSCAT卫星1-3月观测风速(b).MM5模拟2001年2月风速。(a)和(b)同时标注了TRMM和AVHRR的SST信息（c）MM5的海表湍流热流量W和风矢量（m）。

[14]海温-风耦合的另一个显著的例子是MM5模式中海温表面风散度(图3a)。这里，空间导数在小水平尺度中充当高通滤波器。风的辐合（辐散）是在靠近大陆架的暖（冷）舌和黑潮锋面暖（冷）侧附近发现的。尤其是风的辐合，随主暖舌，从九州岛南端蜿蜒而来的一直到渤海河口，距离超过1000公里。仔细检查后，风辐合（辐散）往往发生在YEC海上风吹向SST梯度下降（上升）的地方，与垂直混合一致的相位关系。在陆架海上的冷舌的附近风辐散是一个例外，与在SST 等温线相位关系一致，而不是SLP机制。

[15]根据QuikSCAT卫星测量（图3B）的风散度类似于从模型导出的风散度，尽管有些不均匀且与SST的相关性较小。这可能表明过高的估计MM5模式中海-气耦合，或者认为QuikSCAT采样不足。卫星每天只扫描一次或两次的网格点，在这段时间内，风暴可以穿越YEC海。

1. 此外，在YEC海温暖的部分（32°N南部），TRMM卫星测量的完整气柱内成云中液态水含量的是由海温显著配置（图3c）。尤其在黑潮锋面温暖的侧面观测到较大的云水。相反，在YEC海中部冷舌位置发现云水减少。降水量分布非常类似于云水分布(未示出)。在暖舌和黑潮之间产生更大降水的水分由地面风辐合产生，与海温高度相关(图3)。

图三 表面风辐散（）：(a)由MM5模拟，(b)由QuickSCAT卫星观测，(c)1-3月TMI云内液体水汽含量气候特征(mm).SST以间隔1°C等值线的白线放置在图上来展现相关关系。

5.风暴发展

[17]冬季TEC海大气环境高度多变，这是一个气旋更易发展的区域。通常，靠近台湾的一个微弱的大气槽，经过YEC海上空迅速发展成为一个气旋，然后沿东北方向向日本移动。这类风暴在日本被称为台湾气旋，它威胁到了YEC海船舶航行和石油钻井平台的安全，给日本的太平洋海岸带来大风和降雪。

1. 温带风暴在大尺度的水平温度梯度上生长；它们的增长速度与所谓的斜压度

(sigma;=0.31| nabla;T|N)有关，其中g是重力，n浮力频率，T空气温度。台湾气旋是次天气（直径1,000公里），浅表层低压可能受经过的黑潮前缘的影响。

1. 在MM5模式模拟中，台湾气旋于2001年2月3日至5日发展。2月3日18时，在台湾东北发现较弱的表面低压(图4a)。它在接下来24小时迅速增长。在2月4日18时沿海温锋向九州岛西南方向移动1000公里，形成有多个封闭等深线的气旋。

图四 SLP-1000hPa:(a)图2月3日18:00时，(b)图24小时后，2月4日18:00时，MM5模式下，SST强迫下，高分辨率（颜色阴影）和平滑形式（等值线）(c)台湾气旋中心气压各种集成模拟情况，高分辨率(蓝色)平滑(红色)。在(a)和(b)，模式初始设置为2001年1月31日12时NECP分析资料。

1. 为了研究黑潮锋效应，我们进行了两组集成模拟，一组是在2月份的高分辨率AVHRR海温气候学下，另一组是一个平滑的版本下，水平平均为折叠尺度2.8°高斯权重。该平滑的SST数据集与在运行天气预测模型中使用的平滑SST数据集相似，在该模型中，黑潮锋实质上变弱了，大陆架上的舌状结构一起消失了。除了SST的这一差异外，两种集成模拟是相同的。在每个集成模拟中，六个同化实验分别使用NCEP分析的2001年1月31日的12Z和18Z，2月1日0z，6z，12Z和18Z作为开始时间。

[21]图4c显示了在两组集合模式运行中台湾气旋中心压力随时间的变化情况。最初，两个集合中的低压以相似的速度增长。而在平滑SST的一组运行下中心气压在 2月4日07时下降，在高分辨率的SST一组运行下，气旋在接下来的12小时持续增长。在此期间，平滑组的中心气压几乎总是高于高分辨率组。我们解释了气旋增长的差异是由于黑潮锋上的巨大的SST梯度引起的，温度梯度控制斜压不稳定增长率。按照这种解释，内部集成分布在高分辨率比平滑的SST大，是由于集合大气斜压性。

[22]黑潮锋除了增加局部气温梯度外，还帮助建立了一个时间平均的跨锋环流，有利于降水和潜热在其暖区一侧的释放。.这种降水和潜热释放通过减少有效的静力稳定度，进一步有助于气旋的增长，卫星观测到黑潮附近的雨带（图3c)证实了这种潜热效应。

6. 总结

[23]通过强烈的达100米深垂直混合，海洋深度对YEC海冬季海温分布产生控制。在大陆上有深槽和浅脊，因此，在冬季气候中，会导致舌状分布的暖、冷的SST结构。此外，大陆断裂引导黑潮流，形成较强的海温锋。

[24]大陆架上，风速和云水含量在暖（冷）舌上局部增强（减少）。在黑潮锋较暖一侧，我们看到的是由于表面的不稳定的大气层结，产生一个风速大值区和一条雨带。在模式和卫星观测中，地面风辐合的位置大致相同，随黑潮的水流和SST暖舌蜿蜒穿过YEC海达1,000公里。最后，通过提高斜压性和凝结潜热加热，黑潮锋帮助所谓的台湾气旋的增长，这是日本冬季的一个重要天气现象。

1. 致谢：我们通过遥感系统（Remote Sensing Systems）的ftp获得TMI和QuikSCAT数据，通过喷气推进实验室获得的AVHRR SST气候学数据。我们感谢斯皮德尔的评论，感谢诺纳卡帮助讨论问题。这项工作由美国宇航局通过其QuikSCAT和TRMM任务以及NAG 5-10045赠款、全球变化前沿研究系统和中国自然科学基金(40240420564)提供支持。IPRC贡献号176和SOEST贡献号6032。

参考文献

Armstrong, E. M., and J. Vazquez-Cuervo, A new global satellite-based sea surface temperature climatology, Geophys. Res. Lett., 28, 4199–4202,2001.

Chelton, D. B., et al., Observations of coupling between surface wind stress and sea surface temperature in the eastern tropical Pacific, J. Climate, 14,1

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