海洋气象学的发展离不开高分辨率观测及数值模拟

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海洋气象学是气象学的一个分支，主要研究与海洋、海岛、海岸带相关的天气和气候，以及它们对海洋的影响。

2020年，国家海洋实验室的建设、野外科学观测研究站的建设、《中国气候变化海洋蓝皮书（2020）》发布等措施，都大力加快了中国海洋气象学研究的发展。

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本文回顾了2020年影响东亚气候的梅雨锋、季风、台风等天气过程及其理论研究进展，探讨了海洋气象学的未来发展方向。

海洋气象的物理和动力机制研究就是海气相互作用的动力机制研究。

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海气相互作用过程主要包括：（1）小尺度的湍流、涡旋，海气界面的湍流影响海气热通量，进而影响海洋大气的边界层结构；（2）中尺度和天气尺度的海气相互作用，其过程包括海陆风、锋面、台风以及风暴潮等；（3）大尺度的季风、信风、厄尔尼诺/南方涛动（El Niño/Southern Oscillation，ENSO）等。

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近年来，人们日益认识到海气相互作用是长期天气和气候变化的重要因素，也是研究和预报海洋状况的关键，因而在这方面气象和海洋学家都做了大量研究。

梅雨锋

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2020年初夏，梅雨系统给江淮地区带来了长时间的异常强降水，降雨总量打破了1961年以来的记录，导致南方大部分地区的江河湖泊水位暴涨，持续引发了山洪、城市内涝、山体滑坡等自然灾害，其中以长江流域洪涝灾害最严重，安徽歙县的高考甚至因为洪涝灾害无法正常开始。

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江淮地区入梅后，梅雨锋的维持和水汽来源是降水量大的原因。

高纬地区的单极型极涡较往年强度更强，而中纬度地区西风带活动频发，有利于冷空气南下；同时，弱的厄尔尼诺与赤道印度洋海温异常偏暖，引起太平洋副热带高亚显著偏强偏西，暖湿空气向北输运。冷空气和暖空气在江淮区域相遇形成稳定的梅雨锋。

太平洋、大西洋、印度洋以及极地等的大尺度过程均可以影响中国的梅雨系统。

Liu等认为北大西洋涛动（NAO）调制持续的冷暖锋，可引起极端梅雨事件。日本气象厅认为副热带高压与黄河流域高压脊的相互作用引起了日本和华中地区降水。2019年的超强印度洋偶极子引起2020年初的暖印度洋水体也可以引起我国的强降水。Zhou等认为2019年秋季南印度洋的海洋罗斯贝波是我国2020年的“暴力梅”事件的重要原因。

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降雨量与NAO的变化

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国家气候中心2021年以来已组织了三次会商商讨2021年汛期预测。国家气候中心、水利部、南京大学、南京信息工程大学等均预测长江流域汛期为干旱年。

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中国海洋大学孙即霖教授在2021年气候预测报告中指出，受全球气候影响，2021年南亚夏季风建立较往年早，7月强南亚高亚引起南海上空的强对流，导致我国北方及华南沿海地区出现强降水，而江汉流域降水偏少；长江中下游将出现阶段性高温干旱。

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预测的2021年夏季降水距平百分率分布

季风

东亚夏季风的发生日期、持续时间和总降水量均有显著的年变化。

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Duan等认为青藏高原热力异常可以作为东亚夏季风起始的先兆，Li等和Hari等发现印度许多地区的气溶胶光学深度自2002年以来呈现下降趋势。

印度洋—太平洋海表温度异常是调制东亚以及南亚夏季风爆发与降水的重要外部因素之一。

ENSO类型对季风降水影响也是研究热点，Fan等指出中太平洋型ENSO在导致印度季风降水异常上发挥更为重要的作用。

冬季风与寒潮等得到越来越多的关注。

Tseng等发现在东亚冬季风的启动阶段，季风与黑潮锋面及周围大气存在一个直接的局地海气相互作用机制。

Abdillah等认为热带大气季节内震荡（MJO）可以影响寒潮的路径，而寒潮对热带地区对流活动的影响会反过来影响MJO活动。

季风伴随的低压系统可引起强降水。强低压系统伴随的次中尺度涡会增强来自阿拉伯海的动态升力、静态不稳定性和水分传输，为大气进行深度对流提供了先决条件。

如Leung等指出热带西印度洋的暖异常可诱发一个热带印度洋和西太平洋之间弱于正常的Walker环流，进一步导致西北太平洋副热带高压偏东北-西南向，并在南海形成一个弱于常年的季风槽，在年际时间尺度上增强了华南地区的降水，抑制了中南半岛地区的降水。

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印度大规模降水机制示意

亚洲夏季风预测模式的不确定性研究也有了一定进展。如Xin等发现在中国东部地区，CMIP6在气候降水的空间相关性和标准差（SD）方面更有优势。

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西北太平洋副热带高压和东亚高空对流层西风急流是东亚夏季降水系统的重要组成部分，与东亚夏季降水密切相关。

亚洲季风区的降水预测始终是热点问题。Park等将偏置校正技术应用于区域气候模式（RCM），表明各分区未来年降水量平均值和极端值的变化在干旱区呈减少趋势，在湿润区呈增加趋势。

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台风

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2020年，国内外学者在热带气旋的活动变化规律、热带气旋与海洋的相互作用以及热带气旋活动预报的数值模拟方面发表了一系列成果。

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登陆台风的位置、降雨量和强度

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有许多研究关注全球变暖对台风活动的影响，全球变暖可能导致台风强度增强，快速增强的台风的数量增多。

台风的活动也会受到大气环流和海温模态的影响。太平洋经向模态指数影响台风的生成位置、频率和引导气流。印度洋偶极子正相位和强厄尔尼诺的共同作用引起了西阿拉伯海的大规模增温，有利于台风生成。

局地气象条件影响台风的强度。如Lai等发现台风引起的局部降雨总量显著增加，且台风移动速度与局部降雨总量之间存在显著的反相关。在珠三角地区，移动速度较低且降雨总量较高的台风发生频率更高。

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台风活动与局地上层海洋的背景条件相互影响。热带海洋与大气边界层之间的非绝热加热是台风发生发展的重要能量来源，热带海洋上层海水的温度变化对于台风的形成、移动及耗散都具有关键作用。同时，海洋冷涡也会影响台风大气边界层的结构。

台风的数值预报模式具有不确定性。学者发现增强分辨率的耦合模型有利于提高台风生成的可预测性。海表面温度预报模式的不确定性可能会严重影响南太平洋热带气旋预报的准确性。

中国的台风预报模式也取得了新的进展，如南海台风模式（TRAMS）形成了3.0版本；Fumin等开发的动力-统计算法的集合预报模型（DSAEF）对热带气旋的累积雨量进行了预测。

在台风观测方面，无人艇成功地穿越了三号台风“森拉克”中心，提供了时间分辨率高达1 min的实时观测数据，检测了台风过境时洋面各要素的详细变化过程，为台风预报、预警发挥了重要作用。

海气通量

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海气通量直接决定和调控近海面大气边界层内的动力学结构，其中动量通量显著影响海流、海浪和风暴潮的产生。

海表面波浪与其上方风场的相互作用，会产生动量通量在海气界面之间的双向传递。

当近海表面处风速极小，并且海表面涌浪占优时，动量通量由海洋传递到大气，使得近海表面风速剪切增加，导致传统对数风廓线的方法难以准确计算该条件下的海气通量。

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此后，不同研究者在理论模型和海气数值耦合模式的改进中考虑了涌浪作用。

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当海表面以上风速为中低风速时，在海表面波浪处于风浪占优的情况下，大气将一部分能量传递到海表面波浪，使得海浪获得一部分动量。

风浪对海气通量的影响是海洋研究中最为基础的问题之一，关于这方面的讨论仍处于完善与补充中。

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一些外海观测和实验室数据表明：当风速足够大时，海表面阻力系数不再符合传统模型的随着风速增加而增大的结果。大部分研究将这个现象归因为海洋飞沫液滴，并通过参数化传统模型中的海表面动力学粗糙长度来刻画这一现象。

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风暴潮

风暴潮发生在世界各地的沿岸地区，通常强风和气压骤变导致海面异常升降，风暴涌浪对沿海设施造成巨大的破坏，甚至造成人员伤亡。

科学家对风暴潮的研究主要集中在沿海地区的影响方面。

通过模型对风暴潮进行模拟是当今研究风暴潮的主流方法。随着风暴潮模型的研究日渐深入，模型与实际结果之间的误差也在不断减小。

全球潮汐、风暴潮和波浪模型被用于预测未来一个世纪的沿海地区突发性洪水。

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气候变化和海平面上升给风暴潮的研究及其灾害预防带来了新的挑战，Cheikh等研究了多种风暴潮情景对沿海建筑物的影响，造成风暴潮和洪灾风险增加的主要原因是潮汐放大和飓风的加剧。

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在气候变化上，西班牙坎塔布里亚大学环境研究所在未来海平面变化上提出，风暴潮受全球和区域气候变化的影响。

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波浪与风暴潮的相互作用对灾害的加剧十分显著，波-潮相互作用也是一个研究热点。

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研究人员利用耦合模型研究了台风诱发的风暴潮和波浪形成的效应，结果表明随着台风强度或台风尺寸的增加，有效波高和风暴潮的最大值以及扩展的空间范围都显著增加，但当台风强度大于55 m/s或台风规模大于40 km时，波浪对风暴潮的贡献趋于饱和。

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展望

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借助高分辨率观测及数值模拟，海洋气象学未来发展方向主要集中在以下几点：全球大洋对我国天气变化的调制；台风与海洋中小尺度动力过程的动力耦合；海面粗糙度（波浪、泡沫）的量化以及波-潮相互作用的研究；梅雨、季风、降水、台风等过程的预测。

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本文作者：邱春华，王东晓，罗希，张婷

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作者简介：邱春华，中山大学海洋科学学院、南方海洋科学与工程广东省实验室，副教授，研究方向为海洋环流；王东晓（通信作者），中山大学海洋科学学院、南方海洋科学与工程广东省实验室，教授，研究方向为海气相互作用及海洋环流。

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论文全文发表于《科技导报》2021年第1期

本文有删减，欢迎订阅查看

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