【科研进展】冬季东海黑潮区低云空间演变的数值模拟研究

云在气候系统的辐射平衡中扮演重要的角色。全球尺度云对地球系统的冷却作用约为47.3 Wm-2，温室效应约为26.2 Wm-2。其中，低云通过反射短波、辐射长波主导着地球系统云辐射的冷却效应，因而其特性的变化在全球增暖背景下显得格外引人注目。时至今日，低云的模拟仍然是气候模式中不确定性的主要来源，因此加深对不同区域低云空间分布特征和变化规律的认识具有重要的意义。

作为最著名的西边界暖流，黑潮将热带高温暖水输送到中国近海，对区域气候产生深远的影响。卫星和海面观测表明，在冬季风控制下低云呈带状分布，穿越黑潮海洋锋其水平和垂直云量、云水含量及云状会发生突变，暖水一侧积云发生频率明显升高（图1）。针对该区低云分布特征，本文探讨了黑潮海洋温度（Sea surface temperature, SST）锋边界层动力、热力过程和天气尺度扰动对其空间演变的可能影响。

图1. 冬季低云气候态分布特征. (a)低云量水平分布(%), (b)沿直线A‐C云量垂直分布, (c)海表面温度(等值线, °C)和云水含量(填色, mm)水平分布, (d)沿直线A‐C低云状发生频率(%).

研究表明，SST锋面通过增强海表面潜热通量、海洋大气边界层动力调整过程和云顶夹卷过程加速该区低云演变。首先，随着海温从锋面冷侧到黑潮暖舌的迅速升温，由SST锋区边界层气压调整机制和天气尺度扰动作用导致的暖舌上空的海表面风辐合有利于云层和云层之下的耦合。云层中凝结潜热加热和海面风辐合形成正反馈过程，加剧黑潮暖舌区低云状的变化，该过程将有效抵消因海表潜热通量增加所致的边界层退耦效应。从黑潮暖舌区向南，因为海温持续升高云层中潜热加热和云顶长波辐射冷却作用维持着云层内混合，但海气界面湍流混合则明显减弱。因此云层内和云底以下混合的差异增大促使边界层的退耦加强，阻碍水汽垂直输送；另一方面，由于SST锋减弱了该区域低层大气稳定度，使云顶以上的干暖空气更容易夹卷进入云层加速云滴的蒸发。综合上述两方面过程使暖舌以南低云迅速变化为层积云，云量迅速减少。

该研究详细分析了海洋大气边界层和低云热力动力过程对东海黑潮区冬季低云空间演变中的影响，进一步明确了各物理过程的作用，对海洋锋区云参数化过程提供了有益参考。研究成果发表在国际权威期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》第125期第17卷。

图2. 控制试验与平滑海洋锋试验差值的垂直剖面图. (a) 水汽混合比 (填色, g kg?1) 和垂直环流(流线, 黑色流线超过95%显著性检验); (b) 云水混合比(填色, 10?5 kg kg?1) 和逆温层强度(等值线, K (100 hPa)?1). 仅展示置信度超度95%的区域。(c) 海表温度(蓝线, °C) 和潜热通量(红线, W m?2)。 (d-e) 大尺度凝结潜热加热率和深对流加热率垂直廓线 (K day?1, 实线和点线分别表示控制试验和平滑海洋锋试验);

Citation: Long Jingchao, Wang Yuqing*, Zhang Suping, and Liu jingwu (2020). Transition of low clouds in the East China Sea and Kuroshio region in winter: A regional atmospheric model study. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125, e2020JD032509. https://doi.org/10.1029/2020JD032509