东南印度洋中尺度涡、温度锋面与海表风场的相互作用及机理研究

The mesoscale air-sea interaction is a key element in the studies on typhoon evolution and climate change. There are energetic mesoscale eddies in both the South Indian Countercurrent and the Leeuwin Current regions in the southeast Indian Ocean, and also distinct temperature fronts in the latter region. Both mesoscale eddies and temperature fronts are favorable for distinct mesoscale air-sea interaction. By using satellite observations and a newly-developed coupled ocean-atmosphere model, this project focuses mainly on the effects of sea surface temperature (SST) and surface currents induced by mesoscale eddies on the distribution of sea surface wind stress in the southeast Indian Ocean, and further studies the feedbacks of winds to ocean upper-layer dynamics. Satellite observations are first used to study how mesoscale eddies affect SST and sea surface wind stress and the mechanisms behind the effects. And sensitivity runs are further set up, in which the SST and surface currents are spatially filtered and separated into large background scale versus mesoscale, to explore the effects on sea surface wind stress induced by mesoscale eddies and SST fronts in the Leeuwin Current region. And the feedbacks of sea surface wind stress to energies of mesoscale eddies, distributions of SST fronts and currents are also analyzed. This project will find out how the mesoscale eddies and SST fronts interact with the sea surface winds and the mechanisms behind the interactions in the southeast Indian Ocean, and will have important implications for studies on both regional air-sea interactions and global climate change.

中尺度海气相互作用是台风演变和气候变化研究中的一个核心问题。东南印度洋中的南印度洋逆流及Leeuwin流区中尺度涡丰富，且在Leeuwin流区存在着明显的温度锋面，为显著的中尺度海气相互作用的发生提供了有利条件。本项目用卫星观测数据结合最新发展的海气耦合系统，重点研究在东南印度洋中尺度涡引起的海表温度及海表流速变化对海表面风应力分布的影响，进而研究风应力的反馈对上层海洋动力过程的影响。首先利用卫星观测数据得到中尺度涡影响海表温度和海表风应力的规律和机制。进一步设置敏感性试验，将海表温度、海表流速在空间上分解成大尺度背景场和中尺度信息，来探索中尺度涡及Leeuwin流区的温度锋对海表风应力的影响，并分析风场对海洋中尺度涡能量、温度锋和流动分布等的反馈效应。该项目结果将明确东南印度洋中尺度涡、温度锋和海表风场的相互作用及机理，对局地海气相互作用研究甚至全球气候变化研究都有重要意义。

东南印度洋是为数不多的中尺度涡活动比较强烈的东部海盆，我们对东南印度洋中涡动能较大的两个流区——Leeuwin流（LC）区和南印度洋逆流（SICC）区的中尺度涡进行了研究。研究发现中尺度涡的强度、半径和总涡度的变化可以分成产生、稳定和衰减三个阶段；但是由于涡旋生成后在向西传播的过程中还伴随着经向的移动，为了保持位涡守恒，相对涡度和涡动能缺少稳定阶段，会直接进入衰退阶段。在季节时间尺度上，LC流区在冬季会产生更多、强度更大的涡旋；在SICC流区，涡旋的强度、寿命等倾向于在春季达到峰值。在年际时间尺度上，LC流区涡旋的产生及强度与ENSO的发生有着密切的关系，当发生拉尼娜事件时，将会产生更多、更强的涡旋；在SICC流区，涡旋的产生及强度等与SAM事件的发生有着密切关系，当负的SAM相位发生时，会有更多、更强的涡旋产生，另外SICC区的涡旋特征与ENSO也有密切关系，并存在着大约1年的相位滞后。斜压不稳定是涡旋产生的主要动力机制，而正压不稳定会使涡旋衰减。通过研究两个流区的涡动能异常信号的传播，我们发现SICC区的涡动能变化比LC区在季节时间尺度上存在着约3个月的滞后，在年际时间尺度上存在着约一年的滞后。涡动能异常以罗斯贝波的形式自LC区向西传播到SICC区，伴随着斜压不稳定信号和密度水平梯度信号的西传，这能很好地解释LC区与SICC区涡动能变化的滞后。通过合成分析我们研究了中尺度涡引起的海表风场的变化。在中尺度上，暖涡会引起海表风场增强，而冷涡则会引起海表风场减弱。中尺度涡引起的风应力散度的分布与海表温度在顺风方向的梯度有很好的相关性；而风应力旋度的分布与海表温度在侧风方向的梯度有很好的相关性。这说明垂向动量混合机制在东南印度洋中尺度涡SST变化造成的海表风场变化中起着主导作用。综合上述结果，本研究为探讨东南印度洋海区的中尺度涡对海表风场的影响奠定了坚实的工作基础。