英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

区域海洋变化对热带气旋活动的响应：考虑海洋和低云抑制作用

Andrew Huang,Hui Li,Ryan L.Sriver,Alexey V. Fedorov,Chris M.Brierley

摘要：台风通常通过提高垂直切变和水汽通量来降低海表面温度。这种冷却作用在副热带地区显著减弱。尤其在东北太平洋面，台风的出现可以升高海表温度。本文中我们通过分析局地海洋特征和台风导致的海温异常值、表面通量和云量分布的卫星观测资料和实地观测数据来研究了这种异常增暖。我们发现台风通常抑制在热带海洋暖池边缘的低云，在台风通道的一周内，表面短波辐射通量增强，伴随有海洋热力学结构的空间变化。这些导致了东北太平洋面大约1度的增温。高分辨率的地球系统模式模拟数据指出台风与海温和低云分布之间的潜在联系影响着热带洋面的热通量收支。

引言

台风是能够通过增强海气表面的热量和动量通量来改变上层洋面垂直结构的极端天气事件。海洋对台风的响应通常表现为沿风暴尾部的表面冷却[price, 1981]，以及与垂直混合引起的海洋热量再分配有关的混合层下面的变暖[Mei 等, 2013; Cheng 等, 2015] 。这种冷却的情况通常会持续几天到一周，然而表面以下的加热作用却可以持续几个月甚至更长。台风导致的海洋暖异常可以通过风暴区域的大尺度天气系统的平流作用扩散[Pasquero and Emanuel, 2008; Manucharyan 等, 2011; Bueti 等, 2014]。或者，在季节内尺度内会被混合层重新吸收（并且被大气减弱）[Jansen 等, 2010]。

过去的研究发现台风导致的热量异常加重会对热带洋面混合和热量收支有潜在的重要影响[Sriver and Huber, 2007; Sriver 等, 2010] ，而这将会在更大的时间尺度上影响全球气候变率。比如说，台风导致的海洋聚集的加热异常会导致半球大气环流的变化和天气的季节变化Sriver and Huber, 2010; Hart, 2011]。台风对于描述全球海洋大气能量预算和海洋热传输的变化也很重要[Emanuel, 2001; Sriver 等, 2008; Jansen and Ferrari, 2009; Scoccimarro 等, 2011; Manucharyan 等, 2011], 特别是相对于过去的气候条件，目前显示出更高的台风活动水平气候[Korty等，2008；Fedorov等，2010]。

全球观测估计的台风导致的热带洋面气温异常表明，这些事件的作用通常是为了冷却热带海洋[Cheng等，2015]。然而，东北太平洋、南印度洋和其他次热带地区的特征温度响应可能有很大不同。例如，在东北太平洋地区，台风往往会导致该地区南部地区的异常表面冷却，但当在每年的在所有风暴路径上进行整合时，北部地区有异常变暖[sriver and huber， 2007； sriver等, 2008]。

在这里，我们使用一套卫星和实地观测产品，以及高分辨率地球系统模式的结果，量化了TC引起的地表热通量对SST的聚集效应。在我们的分析中，包括对大气顶（TOA）辐射预算、海洋上层温度的影响，以及风暴尾部云量的变化。我们主要致力于解释东北太平洋地区观测到的温度响应，并讨论对局地和全球气候的可能影响。

方法

在2003-2013年期间，我们利用美国国家海洋和大气管理局风暴预测中心和美国海军联合台风预警中心提供的最佳跟踪数据集，分析了全球所有热带气旋的风暴引起的上层海洋温度、海洋大气通量和云量变化。我们采用了一种足迹法，在以最佳轨道位置为中心的6度times;6度范围内对风暴特性进行采样，并随每次风暴移动（如Li等，2016所述）。在每一个风暴位置，我们分析了海温、云量、长波和短波辐射通量的变化。异常既可参考当地的风暴前条件（温度），也可参考气候平均值（云和辐射通量）。我们使用风暴前的背景场来计算温度异常，因为它保留了背景条件中的变化性。通量和云是指每个网格点的10年每日气候，这使我们能够比较风暴尾流中相对于一般无风暴的情况。该方法假定所有的异常都是由于台风引起的，而在温度异常计算中忽略了季节性周期的影响（我们假设这在1周的时间尺度上这个影响很小）。我们将所有结果表示为每年加总效应的长期平均值。

最佳内插（oi）SST数据来自由远程系统科学公司生产的水平分辨率为0.25度的热带降雨测量任务微波成像仪（tmi）[Wentz，2015]。卫星衍生产品包括来自NASA云和地球辐射能系统（CERES）实验的大气顶（TOA）辐射通量[Wielicki等，1996]和来自NASA中分辨率成像光谱仪（MODIS）的云量特性。地下海洋温度数据（2010年至2013年）基于海洋物理实验室开发的每周网格化ARGO数据产品，水平分辨率为0.5度times;0.5度[Gaillard， 2015]，并由科里奥利作业海洋学现场服务中心分发。每月海洋混合层深度数据（从2000年到2011年）从欧洲中期天气预报中心海洋再分析系统4获得。混合层深度由0.5摄氏度温度标准定义。

TMI获取的SST数据可能包含由于未检测到的降雨而在降水单体边缘产生的一些偏差。然而，在oi的sst数据的产生过程中，采取了一些质量控制；特别是，标记了大于三个标准偏差的sst并从数据集中删除。此外，有几天TMI观测数据被发现丢失；但是，这在10年内不应产生重大影响（更多信息请访问http://www.remss.com/measurements/sea-surface-temperature/oist-description）。对于ceres的toa通量，Su等[2015]确定月平均toa短波通量的偏压和均方根误差分别小于0.2w /m^2和1.1w/ m^2，月平均toa长波通量分别为0.5w/ m^2和0.8w/ m^2，均大于台风导致的异常的数量级。最后，这种从modis中获取云的特征的方法被认为是可靠的，对于检查非极性区域有价值[Minnis等，2004]。

为了补充观测分析，我们还使用社区地球系统模式（CESM）研究了模式化的台风海洋相互作用[Hurrell等，2013]。CESM包括大气、地表、海洋和海冰模式组件，由中央耦合器连接。为了与观测分析保持方法上的一致性，我们利用了来自一个完全耦合的多年代CESM工业前控制模拟的高分辨率模式10年的输出结果。模拟配置了0.25度水平分辨率的社区大气模型版本5（cam5）[Neale等，2010]和光谱元素动态核心，耦合到名义上是1度的水平分辨率海洋模型（并行海洋程序版本2）[Smith等，2010]。模拟首先用从国家大气研究中心（NCAR）获得的旋转的地面场和从极地科学中心水文气候学海洋数据集获得的海洋场[Levitus等，1998年；Steele等，2001]。虽然耦合模式模拟尚未达到完全平衡，但本研究所用的10年时间显示出近似平衡的TOA辐射预算和相对稳定的全球平均表面温度（支持信息图S1）。

模拟的10年平均海温模式通常与观测结果一致，特别是在热带地区（如图S2）。我们对CESM进行了几项关键更改，以改进台风效应的表示，包括增加海洋大气耦合频率以捕捉更真实的准惯性内波[Jochum等，2013]和更新适用于大风情况下的表面风阻系数参数化[Moon等，2007]。该模式通常模拟现实的台风气候（包括数量、季节性和强度分布），以及对台风强迫的上层海洋的瞬时响应[Li等，2016；Li和Sriver，2016；McClean等，2011]。该模式显示了一些偏差，例如北大西洋的TC活动减少，东太平洋的风暴相对较弱（如图S3和S4）。受抑制的台风活动可能是由于该地区季节性SST和垂直风切变的偏差[Li等，2016]，这是其他高分辨率耦合模式模拟所共有的问题[Small等，2014；Kim等，2014]。

利用台风足迹法[Li等，2016]，我们分析了风暴后第一周观测和模拟风暴尾流中台风引起的云量和sst/通量变化。通过跟踪每个风暴路径并从风暴后温度（平均为3至5天）中减去风暴前温度（相对于风暴通道的1天），来描述风暴引起的SST异常。我们测试了SST结果对异常时间框架选择的敏感性，我们选择使用4天，因为它代表了从强制响应到尾流恢复阶段尾流过渡的典型时间[Cheng等，2015年]。同样，沿每条风暴路径，辐射通量和云分数的计算方法是：将10年的日气候学从风暴引起的条件中减去风暴通过1至4天的温度场，然后在此期间求平均值。

结果

我们发现，台风通常会冷却表层海洋（图1，图S5），并且随着台风活动（如西北太平洋和东北大西洋区域）冷却的强度增加。冷却主要是由于垂直的海洋混合，并在较小程度上通过增强的表面蒸发[Price，1981]。这些地区还经历了与风暴相关的云量增加（图1f），通过减少到达地表的太阳辐射量，可能导致地表通量异常。

在太平洋东北部盆地，平均温度引起的海温响应与其他温度引起的海温区明显不同（图1d）。在这里，我们发现SST中存在强烈的偶极响应，盆地南部出现异常冷却，北部出现异常升温（统计上显著，P值小于0.05，见图S6）。根据27摄氏度海温等温线的位置，大致将冷却和变暖区域分开。在27摄氏度气候等温线的赤道处，异常冷区表现出与其他风暴区一致的向下热通量减少和云量增加。这些冷异常可能在该地区持续数周[Balaguru等，2014]。反应与27摄氏度等温线相反。这个异常温暖的区域显示出正向下的热通量（图1e）和减少的云量（图1f）。

图1 观测的热带气旋的影响 （a）海表面温度，单位摄氏度（b）表面净热通量，单位W/m^2(c)台风季节时各个半球的平均云量百分比（2003至2013年间北半球的8月到十月和南半球的2月到3月的平均值）（D）台风导致的海温异常分布（风暴后3至5天平均值减去风暴前一天）（e）表面净热通量（风暴导致的减去气候态）（f）总云量分布（风暴导致的减去气候态）沿着风暴路径对比风暴通道前一天和四天后计算得到。图1中黑色等高线着重显示了27摄氏度等温线。

为了查明太平洋东北部温度的空间变化的原因，我们分离了个别热通量贡献（图2），并将云分布分为低、高层云量。南部经历了向上短波的增加和向上长波通量的减少（图2），这主要是由于高层风暴云的增强。北部地区的反应是相反的，我们推测其原因与气候SST的区域差异和风暴引起的云量变化有关。在温度低于27摄氏度的东北太平洋地区，深对流受到抑制，如气候学云量分布和对流稳定性中较大的低层云量所示（见图S7）。我们发现台风倾向于破坏这些先前存在的低层云，增强对流混合和稳定低层大气。这种效应对于更高强度的风暴更为强烈。该地区暴雨后低层云量的减少导致地表短波辐射的增加。

图2 上层大气通量观测（a）反射的短波辐射（b）向外的长波辐射，单位W/m^2（2003至2013年间北半球的8月到十月和南半球的2月到3月的平均值）（c）台风导致的反射短波辐射值的异常值（台风导致的减去气候态）（d）向外的长波辐射（台风导致的减去气候态）。沿着风暴路径对比风暴通道前一天和四天后计算得到偏差值。图1中黑色等高线着重显示了27摄氏度等温线。

我们还利用ARGO浮标的次表层海洋温度和高分辨率CESM模拟，研究了海洋过程对观测温度偶极子模式的潜在贡献。根据北半球台风季节的平均垂直温度剖面，观测和模式均未显示东北太平洋的温度反转迹象（见图S8）。然而，垂直温度梯度较弱，在极地区域观察到较深的混合层深度（见图S9），表明与赤道区域相比，TC诱导的垂直混合导致的预期冷却较弱上层海洋热含量和混合层深度的空间变化与大气短波共同作用，促使观测到的偶极子响应（图3）。

图3 台风导致的东北太平洋地区的海洋和云量响应。（a）平均海表面温度，单位摄氏度（b）台风季节时各个半球的低层平均云量百分比（2003至2013年间北半球的8月到十月和南半球的2月到3月的平均值）（c）台风导致的海温距平年平均（台风导致的减去气候态）（d）2003至2013年的低层云量（台风导致的减去气候态）沿着风暴路径对比风暴通道前一天和四天后计算得到偏差值。图1中黑色等高线着重显示了27摄氏度等温线。

4. 讨论

台风对低云的抑制并不是东北太平洋独有的。我们的分析表明，台风还可以减少热带海洋暖池内或附近其他几个区域的低层云量，如西北太平洋和南印度洋。南印度洋经历了大约0.5摄氏度的不平凡的变暖。在该地区，低云减少，而高云增加，这可能是洋面变暖的原因。东北太平洋是唯一在温度响应中表现出强偶极子模式的区域，部分原因是低云量的空间分布和季节性27摄氏度等温线的位置。观测结果通常在CESM模拟中可再现，它有力地捕捉了观测结果。热带气旋引起的海温异常和地面通量的空间格局和变化，包括东北太平洋地区的偶极子格局（图4）。在全球范围内，与观测结果相比，该模型高估了台风引起的海洋冷却，可能通过增强的辐射强迫掩盖了一些变暖效应。为了研究东北太平洋风暴后通量引起的海洋暖化量，我们利用CESM的日地表通量和海洋温度输出，将热带气旋引起的通量异常与风暴后5天的异常海洋热含量进行了比较。我们通过将沿台风轨迹的风暴引起的温度异常（使用前面描述的足迹法）整合到25米深度来估算台风引起的海洋热含量，该深度表示变暖异常变为零的深度（见图s10）[Li等，2016；Li和Sriver，2009]。东北太平洋地区台风活动和短波强迫之间的正反馈可能有助于维持这些气候条件[Fedorov等，2010]。这种反馈对约5000万年前的上新世早期环境也很重要[例如，Korty等，2008]。

图4 模拟的台风影响。（a）cesm的海温分布，单位摄氏度（b）表面净热通量，单位W/m^2（台风季节时2003年至2013年各半球的平均云量百分比）（c）cesm的台风导致的海温异常分布（风

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[17664]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word