【POL∙进展速递】：船载观测揭示海洋亚中尺度锋面上空存在强烈的海-气交换 - 海洋观测船舶

近日，物理海洋教育部重点实验室陈朝晖教授领衔的科研团队在Geophysical Research Letters期刊发表题为 “Observations Reveal Intense Air-Sea Exchanges Over Submesoscale Ocean Front”（《观测证明海洋亚中尺度锋面上空强烈的海洋-大气交换》）的最新研究成果，描述了海-气界面交换、大气运动以及边界层高度对海洋亚中尺度锋面的响应特征，并揭示控制这些现象的动力学机理。该成果由实验室杨海源副教授为第一作者、陈朝晖教授与崂山实验室孙善同教授为通讯作者的研究团队完成。

海洋亚中尺度锋面在世界大洋中有着广泛的分布，其空间尺度为1-10km并且有着较强的海表温度梯度。然而，受观测手段以及模式分辨率的限制，亚中尺度锋面对上空大气有何影响仍然不清楚。科研团队基于2016年4月的高分辨率现场观测，对黑潮-亲潮混合区的一个暖涡北缘的亚中尺度锋面（图1a）进行了断面分析，该锋面具有很强的海温梯度，比卫星观测和涡分辨模式中常见的海温梯度大3-10倍（图1b和1c）。跨锋面10千米范围内，海表面温度变化了12°C，锋面最大海温梯度达到2.4 °C km−1。剧烈的SST梯度导致锋面两侧的大气温度、湿度和稳定性都有很大不同，锋面南侧5千米范围内，表面空气温度（SAT）增加了4°C，向上湍流热通量（THF）增加了200W/m2，表面风速变化了3m/s，并引起了强烈的海面风幅合以及大气混合，增厚了大气边界层（图1d）。

图1：观测到的大气对亚中尺度锋面的响应。（a） 海面高度异常场（填色）和海面风（箭头）。（b） 跨锋面的海表面温度（SST；红色）和湍流热通量（THF；蓝色）。（c） 跨锋面的SST梯度和热通量梯度的比较，其中黑色星号来自直接观测，其他颜色圆点来自其他产品。误差条表示标准偏差。（d） 相对湿度（%），位势温度（°C；等高线）、MABL（黑色虚线）和云底（灰色点），黑色三角形表示锋面的位置。船载观测揭示了亚中尺度锋面上的大SST和THF梯度，它们在驱动MABL中的强混合起到重要作用，目前的数据产品无法分辨这种锋面。

基于数值试验结果，研究团队发现，相比于中尺度锋面，海洋亚中尺度锋面强烈的非线性性质进一步增加了热通量系数，强化了海-气界面热交换。在强烈的海表温度梯度的驱动下，THF的梯度比典型的中尺度锋面引发的梯度强得多。强烈的海气通量诱发强混合过程，进一步导致大气边界层高度的跨锋面梯度增加，亚中尺度锋面暖侧的云覆盖范围比中尺度锋面更大（图2）。由此可知，强烈的亚中尺度海气相互作用对气候和天气预测具有深远的影响：在亚中尺度锋面影响下，海洋可以向大气释放更多的热量和水分，驱动更强的局部对流系统，包括垂直运动、云形成和降水等。此外，由于大气锋面活动和风暴轴强度是由锋面区域的海气相互作用推动的，如果缺失亚中尺度海气相互作用的气候模型，将可能会低估这些极端大气事件。

图2：亚中尺度锋面对上空大气的影响示意图

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上述研究成果证实了海洋亚中尺度过程在大气活动中扮演了重要角色，为气候与天气的模拟和预报工作提供了重要参考。该工作得到了国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金面上项目等资助。

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. 

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https://doi.org/10.1029/2023GL106840.（点击下方“阅读全文”）

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供稿｜杨海源

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编辑｜于晓彤

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审核｜陈朝晖

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