黑潮延伸体区域上的冷空气爆发外文翻译资料

 2022-11-10 14:48:58

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黑潮延伸体区域上的冷空气爆发

Jensen, T. G.1, T. Campbell1, T. A. Smith1, R. J. Small2 and R. Allard1 1Naval Research Laboratory, 2Jacobs Engineering

NRL, Code 7320, Stennis Space Center, MS 39529-5004

摘要：使用最先进的大气-海洋耦合预报模式，包括观测资料的同化模式，模拟周期超过8天的黑潮延伸体区域上的冷空气爆发的一个案例。这过程中，最大风达到20m/s，与观测结果一致。气温下降10℃以上，导致海洋表面的热通量超过1000 W/m2。

1介绍

向北流动的黑潮在35⁰N附近转向东，在日本沿岸流动。它在短距离内把海表面温度梯度较大区域分为向北的冷亚极地水团和向南的暖亚热带水团。黑潮延伸体区南部的亚热带环流可以观测到一些最大敏感值和潜热通量。最大敏感值和潜热通量年平均值分别大约为50 W / m2和150 W / m2[1]。但是，在干燥的冬天，冷空气团在亚洲大陆流动很快，导致热通量分量总和超过1000W/m2。我们的这项研究从2005年1月30日开始，到2005年2月5日结束。以前对于冷空气爆发的耦合模式一般使用高分辨率的边界层模式[2]或二维的模式[3]和[4]来研究湾流区域。在我们的这项工作中，应用了最先进的三维模式来研究海洋和大气，包括气象资料的同化，来获得事件的真实模拟。

2观测

该事件被国家海洋和大气管理局的黑潮延伸体观测中心（KEO）观测到，观测的浮标位于144.6°E，32.4°N，它在2004年6月开始运行。它可以测量风速、风向、气温、相对湿度、降雨量、向下流动的短波和长波辐射、海洋的温度、盐度和海洋平面以及海洋平面以下的洋流。 图1上图显示了观察1m海洋温度（SST），2m气温和它们之间的差异，下图是10m的风速分量和速度。在冷空气爆发事件中，平均西风大约在12m/s,但有时可达20m/s。之前与SST保持平衡的空气温度在活动开始后下降接近10℃。 测量时间隔为10分钟，每小时的观测平均值记录在图1中。

图1.主要冷空气爆发事件中观察到的SST气温（上）以及风速分量和速度（下）。

3中尺度海-气耦合模式预报系统

为了解释这些测量数据并评估浮标数据代表该区域海气相互作用的程度，我们将海军研究实验室的中尺度海-气耦合模式预报系统（COAMPSreg;），应用在高水平分辨率的完全耦合模式。这种非静力大气模式使用3个嵌套网格，分别为27 km，9 km和3 km。所有网格都有40个垂直水平。初始化大气模式使用海军操作全球大气预报系统（NOGAPS），该系统也用于在模拟期间提供边界条件。大气模式成分在[5]中描述。

海军沿海海洋模式（NCOM）中有关海洋模式的详细信息，在[6]中。我们使用双向嵌套海洋模式。这种更大的模式覆盖了140⁰E~155⁰E和30⁰N~42⁰N的区域，水平分辨率为1 / 16⁰，每个水平分辨率尺度约为7 km，有50个垂直水平。具有相同垂直水平和水平分辨率的内嵌套在142⁰E到150⁰E和32⁰N到38⁰N区域上增加了1/3，达到1/48⁰，这种内嵌套有50个垂直水平，并且使用混合的sigma-z垂直坐标和自由表面。初始域和边界条件由分辨率为1/16⁰的来自西太平洋NCOM的版本提供。该模式使用的边界条件来自具有1/8⁰分辨率的全球NCOM模式。

使用耦合模式进行12小时的预测，进行接下来的一个分析，这分析包括先前的预测和新的观测的资料同化。在8天的模拟过程中，重复这个12小时的预测（分析）周期。

4冷空气爆发的模拟

运行这种耦合模式模拟2006年1月30日至2月6日的冷空气爆发事件，每12小时更新一次。下图显示了KEO浮标的位置和冷空气爆发事件的模式模拟中一些有用信息的示例。图2（左）显示了2005年2月2日的表面温度（海洋上空SST）减去2米气温，超过27公里网格覆盖了整个模式的范围。

模式解决方案显示日本海洋上和黑潮地区气温大幅下降，由于冷空气爆发导致的巨大的海气温差。来自西北方向的冷空气传播，其最大风速为15-20m/s，与KEO观测结果一致（图2，右图）。显示在9km网格的风场，有与前方通道相关的尖锐风切变区域。

图2. 2005年2月2日COUTPS大气模式表面场。左：海表面温度减去2米气温的粗网格模式（27km）显示日本海和黑潮南部亚热带环流的海气温差。右：嵌套2（9km网格）上显示的风速和10m风速。 颜色代表总风速。

图3.左：2005年2月2日，来自3 km网格的COAMPS大气潜热通量和显热通量之和。右：海面温度和来自1 / 16⁰网格NCOM模式的流矢量。

此次事件中，模式潜热通量和显热通量之和在温水区超过1000 W / m，包括KEO浮标的位置（图3，左）。这与墨西哥湾流域[3]的记录一样，其中观测到的海气温差超过20℃[7]。在图中显示的大气网格上SST轮廓，在图3（右）中显示在海洋模式网格上的颜色阴影中。可以清楚地看到，高的热通量被限制在黑潮前方的温亚热带水域南部。 也要注意在此期间的位于KEO浮标位置的气旋性冷涡（图3，右侧）。 这种再循环环流存在于整个模式模拟期间。

模式模拟提供了在KEO浮标上真实的气温和风（图4）。 模式中系统地低估了相对湿度。图3中的结果来自3 km大气网格，但较粗大气网格上的结果也与浮标数据非常吻合。

图5.对比KEO浮标和COAMPS模（嵌套3）空气温度，相对湿度，纬向风速和经向风速的观测结果。

5结论

COAMPS模式是一种用于观测资料同化的实用工具，该模式可以执行大气分析和在极端天气条件下预报。该系统可以计算许多现实不观测的大气和海洋变量，并且与有效的观测结果一致。 它提供了整个反应区上的大气和海洋的状态和演变。虽然整个模拟期间存在极端条件，但我们的模式模拟与观察结果一致。该模式的解决方案展示了与冷空气爆发时海气通量相关的高精度空间和时间变化的大气锋非常快速的运动。

随着分辨率的提高，模式解决方案可以解决更精细的尺度的每个数量方差增加的特征。原则上，高分辨率模式应该像KEO浮标一样，逐点数据比站点数据更可靠，但其逐点数据在一定程度上被增加的方差所抵消。

致谢

我们感谢 Clark Rowley, Lucy Smedstad, Shelley Riedlinger and James Dykes, NRL Stennis Space Center，因为他们帮助我们建立模式和提供边界和初始条件的数据。

参考文献

[1]Yu, L. and R. A. Weller, “Objectively analyzed air-sea heat fluxes for the global ice-free oceans (1991-2005).” Bull. Ameri. Meteor. Soc., vol 88, pp.527-539, 2007

[2]Sun, W.-Y. and W.R. Hsu, 1988: Numerical study of cold air outbreak over the ocean. J. Atmos. Sci., 45, pp. 1205-1227, 1988.

[3]Xue, H., J. M. Bane and L. M. Goodman, “Modification of the Gulf Stream through strong air-sea interaction in winter: Observations and numerical simulations.” J. Phys. Oceanogr., vol. 25, 533-557, 1995.

[4]Xue, H., Z. Pan and J. M. Bane, Jr., “A 2D coupled atmosphere-ocean model study of air-sea interactions during a cold air outbreak over the Gulf Stream.”Mon. Wea. Rev., vol. 128, 973-996, 2000.

[5]Hodur, R. M., “The Naval Research Laboratoryrsquo;s Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System (COAMPS).” Mon. Wea. Rev., vol. 135, pp. 1414-1430.

[ 6] Martin, P. J., Description of the Navy Coastal Ocean Model Version 1.0. NRL Report No. NRL/FR/7322/00/9962, 45pp., 2000 [Available from NRL, Code7322, Bldg. 1009, Stennis Space Center, MS 39529-5004, USA.]

[7] Grossman, R. L. and A. K. Betts, 1990: Air-sea interactions during an extreme cold air outbreak from the eastern coast of the United States. Mon. Wea. Rev., vol. 118, pp. 324-342, 1990.

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