模拟海洋中尺度涡旋与大气相互作用的混合型海气耦合模式

Ocean mesoscale eddies interact strongly with the overlaying atmosphere. Such interactions exert significant influences on ocean dynamical processes. Numerical models serve as an important tool to analyze the feedback of ocean mesoscale eddy-atmosphere (OME-A) interactions on the ocean. However, ocean alone simulations are not able to appropriately represent the OME-A interactions as the atmosphere variables are prescribed and not allowed to respond to ocean mesoscale eddies’ influences. High-resolution coupled models are too expensive to be widely applied in simulations at interannual and longer time scales. In this project, based on the recent advance in the spatial statistics, i.e., Spatially Clustered Coefficient (SCC) regression model, we plan to quantify the spatial and temporal variations of the atmospheric response to mesoscale eddies and develop an empirical atmospheric model that is further combined with an ocean general circulation model to construct a hybrid coupled model in the North Pacific. This hybrid coupled model will have a much smaller computational burden compared with the coupled general circulation models. More importantly, it provides the flexibility to control the response intensity of different atmospheric variables to ocean mesoscale eddies and thus serves as a useful diagnostic tool to understand how the OME-A interactions affect the ocean dynamics.

海洋中尺度涡旋与大气之间强烈的相互作用显著影响着海洋中的动力过程。数值模拟为探究这种相互作用对海洋动力过程的影响提供了一种重要手段。然而，海洋模式由于缺少大气对中尺度涡旋的响应，无法准确表征二者间的相互作用及其对海洋动力过程的影响；高分辨率海气耦合模式由于其较大的计算负担，无法广泛应用于季节尺度以上的研究。本项目拟利用空间统计学领域的最新研究成果——空间团状系数回归模型，定量揭示海表面大气场对中尺度涡旋的响应关系的时空变化特征，发展一套经验的大气模型，并将该模型与海洋环流模式相结合，建立一个可以较好表征北太平洋中尺度涡旋与大气相互作用的混合型海气耦合模式。相比于传统的海气耦合模式，该模式具有较小的计算负担，可以进行长时间尺度的模拟。此外，该模式可以灵活调节不同大气变量对中尺度涡旋的响应强度，为系统剖析中尺度涡旋与大气间相互作用对海洋动力过程的影响提供了一个有力的诊断工具。

中尺度过程占据了海洋中超过70%的动能，是海洋上层最为显著的运动形式。近十几年的观测和数值模拟结果表明海洋中尺度过程与大气之间存在着强烈的相互作用，并对海洋多尺度动力过程产生重要的影响。一方面，由于缺乏可靠的估计手段，学界对于中尺度海气相互作用在全球海洋的时空变化特征仍然缺乏全面的了解。另一方面，海洋模式由于缺少大气对海洋中尺度过程的响应，无法准确表征中尺度海气相互作用及其对海洋动力过程的影响。.过去三年，本项目通过统计建模，数据分析和数值模拟等多种手段，在中尺度海气相互作用领域取得了多项研究进展，发表第一资助论文2篇。主要进展包括：（1）发展完善了变系数回归模型，提升了变系数回归模型的估计效率，为估计中尺度海气相互作用的时空特征提供了可靠手段；（2）利用变系数回归模型定量揭示了海气界面湍热通量以及海表面气温、湿度与风速等变量对中尺度海表面温度异常的响应关系在全球海洋的时空变化特征，并初步阐明了其背后的动力调控机制；（3）在估计得到的中尺度海气相互作用的时空特征的基础上，建立了一个经验大气模型，并将该模型与区域海洋环流模式耦合在一起，构建了北太平洋高分辨率混合型海气耦合模式。这些成果对于发展中尺度海气相互作用理论、提升海洋模式对多尺度海洋动力过程的模拟能力具有重要意义。