东海黑潮锋区低云的特征与影响机制研究

Sea surface temperature (SST) fronts play a crucial role in regional climate by modulating marine atmospheric boundary layer (MABL). The morphology of low-level clouds, to some extent, is a visualization of MABL stratification and dynamical structure and often found to change sharply near SST fronts. Because the East China Sea Kuroshio (ECSK) is located in the East Asian monsoon domain, local background atmospheric circulation and MABL feature strong seasonal variations. This project will carry out a climate research focusing on the following important scientific question: How does the ECSK front cause steep low-cloud changes in morphology? and its difference under different monsoonal circulations. By considering the low-level clouds near the ECSK front as a major research subject, we will use the data from spaceborne lidar-radar and morphological low-cloud types from human observations to depict the main spatial characteristics in morphology (e.g. morphological types, cloud top/base heights and their horizontal homogeneity), and phase of low-level clouds and their seasonal variations. Using atmospheric soundings on islands, in situ observations, and reanalysis data to study the spatial and temporal changes in stratification and dynamical MABL structure, we try to understand the mechanism of how the ECSK front influencing low-level clouds, and reveal the differences under different monsoonal circulations. This project will provide a new perspective to interpreting how SST fronts influencing overlaying MABL, and enrich the theory of small-scale air-sea interaction.

海表面温度锋（简称海洋锋）通过调节海洋大气边界层（MABL），对区域气候具有重要影响。低云形态是边界层层结和动力状态的一种“可视化”表现，常被发现在海洋锋附近发生突变。同时考虑到东海黑潮处于东亚季风区，大气背景环流和MABL均具有较强的季节变化。本项目拟针对“东海黑潮锋使低云形态发生突变的物理机制，及其在不同季风背景下的差异”这一重要科学问题，开展气候学研究。以东海黑潮锋区的低云为主要研究对象，本研究将利用星载激光-微波雷达资料和长期对低云状的人工观测数据，刻画该海区低云形态（如云状、云顶/底高度和平滑程度等）和相态的空间分布特征及其季节变化规律；利用岛屿探空、走航观测和再分析资料，以MABL的层结和动力结构变化为切入点，研究东海黑潮锋影响低云形态的机理，进而揭示其在不同季风背景下的差异。本项目将为认识和理解海洋锋调节MABL的物理过程提供新视角，丰富小尺度海洋-大气相互作用的理论。

东海黑潮锋通过调节边界层垂直结构和水平分布，对该区域的天气现象和气候具有重要影响。然而由于海上缺乏探空观测，人们对海洋锋影响边界层的物理过程所知甚少。本项目主要使用星载激光雷达资料，结合长期人工观测，分析了低云形态与相态在东海黑潮锋附近发生的突变；基于海洋锋两侧的探空资料，分析和理解东海黑潮锋调节海洋大气边界层结构进而影响低云的机理及其季节性差异。我们发现东海黑潮锋对低云的影响具有显著的季节性，冬季（12-2月）低云的响应主要处于边界层内部，春季（3-5月）低云的响应突破了边界层的限制，达到海拔7-8 km。该结果表明，大气对东海黑潮的响应高度受到大气背景环流的控制，当海洋锋的效应穿越边界层时，海洋锋可能影响大尺度背景环流；使用8年海上浮标和沿岸探空资料，分析了海洋锋冷水侧发生平流雾时，气温低于海温现象发生的原因。统计显示海洋锋冷水侧的平流雾发生时，气温低于海温的概率达到~30 %，海洋锋通过气压调整机制在海洋锋冷水侧引起的下沉气流，可能通过调节边界层温度和湿度层结使雾顶长波辐射冷却作用增强，进而使气温降低到海温以下。该结果表明，在模拟和预报平流雾时应该关注雾顶的辐射效应及其引起的湍流过程，该结果为改进模拟和预报我国东部沿岸高发的海雾提供了重要观测依据。在完成本项目的过程中，项目组逐步开展了大涡模拟研究，为深入探讨海上大气边界层的湍流过程奠定了基础。在本项目的支持下，项目负责人顺利晋升副教授并获得国家自然科学基金的进一步资助，项目成员有1人获得博士学位并获得高校教职。