南大洋涡旋对风，云量以及降水的影响外文翻译资料

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南大洋涡旋对风，云量以及降水的影响

I.Frenger1,2*,N.Gruber1,2,R.Knutti3 andM.Muuml;nnich2

由于海洋的湍流性质，中尺度涡旋无所不在。这些短暂的和近似圆形的海表温度锋面对大气环境造成的影响还尚未得到充分的研究。像墨西哥湾流这样的稳定的静止锋会导致明显的大气变化。然而，中尺度的海洋涡流对大气的影响，除了对风以及在某些情况下对云量的影响，还没有系统地确定。本文利用卫星数据，研究了在南大洋中超过60万个体涡流的大气状况。结果显示，海洋涡流在局部影响着近地表的风、云的性质和降雨。所观测到的大气变化规律与海洋表面温度异常与海洋涡旋有关的机制与大气边界层的湍流变化相一致。在气旋涡旋的情况下，这一修改触发了近地表风的减弱，云的分数和含水量的下降，以及降雨的减少。我们得出的结论是，如此大规模的海洋结构可以显著地影响更大的大气低压系统，而这些低压系统在纬度的研究中很容易通过。

虽然海洋和大气形成了紧密的相互作用的系统，但人们普遍认为这些相互作用主要发生在天气和全球尺度上。在这些尺度上，大气通过浮力变化和风的动量输入来驱动海洋，海洋通过热量和水分通量影响大气。

然而，目前还不清楚海洋和大气在中尺度上的相互作用有多强，尤其是在温带地区。已知的是，中尺度海洋表面温度(SST)异常与近地表风和反照率有关。在不同的墨西哥湾流环和大型前沿(如半永久阿古拉斯回流)中探测到风和云的同时变化。此外，还观测了墨西哥湾流和黑潮的降雨率变化。

然而，大尺度的锋面被中尺度的漩涡所取代，它们主宰着海洋的动能，而且典型的特征是所在区域存在SST异常。尽管它们普遍存在，但对于系统的大气扰动与这些非固定的中尺度SST异常的关系却知之甚少。在这里，我们缩小了这个差距，并在观察的基础上显示，海洋中尺度的漩涡不仅改变了风，而且还改变了大气降水。

我们的分析是基于在超过7年的时间里，在30个不同的区域中，60多万的海洋生物的鉴定。为了确定海洋涡旋，我们采用了一种标准的检测方法，该方法基于okubow - weiss参数，以每周的卫星衍生的海平面异常图。对于至少两次探测到的涡流，我们对卫星源的SST和大气数据进行了比对。大多数被识别的涡流都位于极地涡旋的前缘区域，特别是在印度和太平洋地区。我们发现，在被检测到的涡流的数量以及它们的大气影响中，季节性因素相对较少。因此，我们只分析和呈现长期的平均结果。平均发现艾迪核心半径约40公里,传播超过每周20公里,特点是minus;0.5℃的海温异常的气旋（冷核）涡流,和 0.5℃的一个反气旋（暖核）涡流。这些海温异常引起了足够大的异常气海热流，从而引起海洋大气边界层的可测变化。

实际上，与气旋和反气旋涡旋相关的SST异常与近地表风速、云率、云含水量、降雨率以及整个南大洋的降雨概率正相关。几乎所有地方的相关性都非常显著。当计算其重要性时，我们假设大气物理量的周复合材料是独立的——这一假设是由在南大洋上的大气数量的短的装饰关系时间尺度所支持的。

正相关表明，与涡旋有关的海洋SST异常对大气异常负责，反之亦然，因为后者倾向于导致负相关。风速和云量之间的相关性最高，云含水量较小，降雨最低。此外，它在大型SST异常、高涡动和高风速的区域中最强，类似于气旋和反气旋涡旋，表明了海洋强迫对大气的线性影响。

为了研究这种大气的中尺度海洋压力的机制，我们计算了在SST上的印记的空间格局的平均复合材料和所有确定的涡流的大气。为了达到这一目的，我们将SST和相对于涡流核心的大气数量进行了集中，将它们与单独的涡流半径进行了伸缩，并根据大尺度的风向旋转了它们。

海洋涡旋对大气的平均影响的一幅平滑的画面出现了，与涡核相关的异常明显地从背景中突出出来。这一背景很大程度上反映了南北向的巨大梯度，因为在这些纬度地区，风主要是西风。针对紧空间耦合和类似圆形的大气反应和对海温异常(图)与涡流相关联,我们得出结论,我们发现直接回应海温异常的大气海洋漩涡而不是大规模的海温方面通常嵌入在这些漩涡。海洋涡旋所形成的大气印记的模式在气旋和反气旋涡旋之间几乎是对称的，但与之相反的符号，其最大径向范围大致相当于2-3个涡旋半径(80 - 120公里)。大气的印迹是可以量化的，虽然相对于平均状态(2 - 5%)有中等大小，但具有统计学意义(Kolmogorov-Smirnov试验得到, p = 0.01)。反气旋和气旋涡旋造成最大正负异常(见方法)。

两种主要的机制，向下的动量运输和压力调整，已经被提出来解释由SST梯度引起的大气的调整。前者涉及大气从冷到温水的垂直稳定性下降。这导致了大气边界层内湍流的加剧，从而增加了向下的动量运输。随后，近地表的垂直风得到增强，近地表的风增强集中于SST异常。压力调节机制涉及近地表空气密度的变化和海平面气压的变化。在此，由经修正的气海通量引起的热海温异常引起了负的海平面气压异常，从而产生了由温热的SST异常逆流而上的加速，以及下游的减速。从SST与风散相结合的空间格局可以估计出该机制的主导作用。在压力调节机制的情况下，人们期望一个单极模式对应于SST梯度的散度，因为表面风收敛于一个正的SST异常。相比之下，人们期望下风向动量传输机制的偶极模式。这是因为在SST异常情况下，风速的增加会伴随着风的发散，而SST异常的下游也会有一个趋同，因此它的结构与SST的双极型下风向梯度有相同的结构。

图3a中风散度和顺风势梯度的相似度有利于下风动量混合机制的解释。这意味着，与涡核上游和下游的SST陡峭梯度相关联的扰动海流通量，通过改变大气边界层的湍流混合而导致近地表风的变化(图3b)。同样,几乎同相关系的云与雨异常与SST和风速指出修改的大气边界层稳定性,因此对流(增强/抑制)结合水分供应的变化可能的原因,与空气垂直运动引发的风辐散/辐和。因此，在局部天气变化的情况下，海洋大气边界层的热力学和动态调整是明显的。这些修改可能伴随着大气边界层高度的改变，但可能仍然局限于大气边界层。

与海洋漩涡有关的大气中尺度的变化是地球系统能量和水文循环的另一个难题。南大洋涡旋提供了南半球盛行西风带的大气变化的来源，位于南半球的100公里的空间尺度上。因此，我们建议在数值天气预报模型中加入这一额外的SST变化，以提高他们的技能。海洋大气的后续反馈对海洋动力学，包括中尺度涡旋场具有重要意义。首先，由于海温异常引起的风应力旋度的变化直接关系到海面的上升流和吸力。其次，风速的变化和云量的变化通过抑制SST的异常而形成负的反馈，并有可能导致涡流的加速消散。第三，与上述不同，涡旋诱导的降雨变化可能形成一个积极的反馈:在反气旋涡旋的情况下，增加的淡水输入进一步降低了低密度异常，反之亦然。

中尺度eddy诱导的大气响应也可能与海洋生物地球化学有关，特别是对海洋吸收二氧化碳(CO2)。对于cold-core气旋漩涡,二氧化碳的分压(二氧化碳分压)是sim;2%低于周围的水域,sim;4%低气体传输速率由于并发减毒风导致减少与这些相关的异常下沉漩涡。与此相反，在暖心型反气旋涡流的情况下，其二氧化碳分压比周围水域要高，由于强风导致的加速气体转移使这一异常源更加强烈地表达出来。风速和二氧化碳分压之间的中尺度相关性的净效应使海洋局部吸收大气中约5-10%的二氧化碳。虽然这是一个很小的影响(参见参考文献21，基于每月数据)，但考虑到南大洋是全球最重要的人为CO2的洗涤槽(ref.22)，它可能具有重要意义。此外，由于涡流可能导致空气-海洋二氧化碳分压差为100%的异常，eddies是南方海洋碳汇的主要变化来源。最后，由于风和涡流的耦合，混合和Ekman泵的改变可能导致生物生产力的调节。

我们已经证明，海洋中短暂的中尺度结构可以显著改变大气模式，在大气中引入海洋中尺度的印记，这证明了大气的普遍假设与海洋中较小尺度的变化无关。我们认为，在观测数据分析和数值模型模拟中，可能需要考虑中尺度的空气-海洋相互作用。

方法

数据：我们的分析是基于对海洋和大气属性的卫星观测:我们分析了从航空航天、SST、液体云水和从AMSR-E(微波辐射计)的降雨率、海堤/QuikSCAT(微波雷达)的风速和全球颜色的云分数(见补充方法)的海平面异常情况。除了雨率外，我们还考察了降雨的概率，将0的条件和1的降雨条件赋给了降雨条件。这些数据是在每周分辨率下进行分析的，这一分辨率足够在大气数据中滤除天气扰动，因此被假定为独立的数据点(图5在ref. 24和补充图S3中)。同时，这也足以解决平均每周10公里的涡流的迁移问题。提供的数据空间分辨率为0.25°除了海平面异常(1/3°；然而，由于提供程序对观测数据的处理，特征分辨率较粗。

涡旋识别：我们在海平面异常的基础上确定了海洋中尺度旋涡，并对其进行了广泛的应用。我们要求一个涡流至少覆盖4个相邻的栅格框，拒绝一个只有一个栅格框宽度的形状，以避免被检测到的被拉长的特征，并且在我们的分析中只包含至少两个连续的时间步骤中检测到的涡旋。

与涡流有关的异常的定义：与海洋涡旋有关的所有数量的异常都是在涡旋影响区域和背景之间各自数量的差异计算的。前者被定义为围绕着漩涡中心的两个半径的圆，后者是围绕这个圆的三个半径的环。这种异常被定义为两者的均值之差，除非我们在解释平均复合涡流的时候，我们要研究相对于背景的异常的最大值。

误差和不确定性：每一个涡流的大气数量和SST的误差都很容易与单个涡流的异常有关。我们的研究结果的意义来自于大量分析的涡流。然而，需要更详细地考虑一些潜在的偏差和错误。

我们对至少两周内所有涡流的考虑可能会导致一个不准确的结果:Aviso海平面的异常是经过时间过滤的，这可能导致某些正面系统被错误地归类为涡流。另一个潜在的偏差可能来自于一个假设，即大气数据在一周后与室内相关。为了测试这两种效应的影响，我们分析了一种情况，我们要求所有的涡旋都至少有1个月的时间，并且我们只在每隔一周使用大气数据。这导致样本量减少了一半以上，但结果却发生了微小的变化，并没有影响我们的结论:图中的图案保持几乎相同(见附图S6-S9与图1和2和补充图S2和S5相比较)。与涡旋相关的异常的误差稍微增加了(最多增加了一倍)，图1中的一些容器在南部边界和太平洋南部的亚热带环流中变得无关紧要(p=0.01)，在那里可以得到最少的数据。

在多雨的情况下，SST是不可用的，风速可能会受到降雨的污染。前者是不重要的，因为SST的装饰关系时间通常长于一个星期，因此，在下雨事件之后的一个星期/之后的SST值也被认为是降雨事件的代表。风速显示出了一种积极的倾向，即在南部海洋的风和雨条件下增加的降雨，这可能会使我们发现的与涡流有关的风速的信号膨胀。因此，我们只使用无降雨事件的风数据来计算相关性(图1和补充图S1, S4和S6)。无雨数据被认为是独立的:这些数据是在微波亮度温度下使用不同的光谱和偏振特征。风速的偏差,由于水、粘度与海温的变化和实际偏差的风从等效中性卫星风,被发现是小相对于大气边界层风的变化由于海温异常的调整。

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