海氣關(guān)系的季節(jié)變化和時間—空間尺度依賴性

吳仁廣 孫小山

1 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 杭州 310058

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心, 北京 100029

1 引言

海洋和大氣變化之間存在相互聯(lián)系和相互作用。海洋和大氣之間的相互作用方式多樣。并且，海洋和大氣之間的聯(lián)系隨區(qū)域和季節(jié)而變化（徐海明等, 2008; 李博等, 2011; 徐蜜蜜等, 2012; 繆予晴等,2021）。其中表面湍流熱通量是海洋和大氣之間熱量和水汽交換的主要方式，在海氣變化關(guān)聯(lián)中起著重要作用。一方面，海洋狀況變化可以通過表面湍流熱通量影響其上空大氣環(huán)流和對流，如在北太平洋黑潮和其延伸區(qū)（趙永平, 1986; 趙永平和McBean, 1995; Nonaka and Xie, 2003; Kobashi et al.,2008; 徐蜜蜜等, 2010, 2012; Xu et al., 2011; 馬靜等,2014; 徐全倩等, 2018; 劉秦玉等, 2020; Shan et al.,2020）。另一方面，大氣強(qiáng)迫通過改變表面湍流熱通量能形成海溫異常（趙永平和McBean, 1991; 趙永平等, 1997; 周天軍等, 2006; Vecchi et al., 2004;李博等, 2011; Shan et al., 2020; 陳宏莉等, 2022）。因此，通過診斷和理解表面湍流熱通量和海表面溫度變化之間的關(guān)系，有助于認(rèn)識海洋和大氣之間相互作用的方式和海洋或大氣強(qiáng)迫的相對大小。

海洋—大氣相互作用對氣候變異有著重要影響。海氣相互作用過程的不同會導(dǎo)致氣候異常的差異。這種海氣相互作用的重要性體現(xiàn)在由于海氣關(guān)系的不同導(dǎo)致模式模擬的降水變異與觀測存在差異（Sperber and Palmer, 1996; Kumar and Hoerling,1998; Wang et al., 2005; Wu et al., 2006; Wu and Kirtman, 2007; Wu and You, 2018）。海氣關(guān)系的重要性也體現(xiàn)在由于大氣環(huán)流模式不能考慮大氣對海洋的反饋?zhàn)饔?，其模擬結(jié)果通常不如海氣耦合模式的 模 擬 結(jié) 果（Manabe and Stouffer, 1996; Barsugli and Battisti, 1998; Kitoh and Arakawa, 1999; Lau and Nath, 2000, 2003; Wu and Kirtman, 2004, 2005, 2007;Wang et al., 2005; Wu et al., 2006; Fu et al., 2013）。因此，診斷分析海氣變化的關(guān)系及其差異和原因?qū)斫鈿夂蜃儺惙浅Ｖ匾?/p>

研究揭示出表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系的多樣性和復(fù)雜性。這種關(guān)系隨區(qū)域變化，例如中緯度海洋鋒區(qū)和副熱帶渦旋區(qū)表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系明顯不同（Bishop et al.,2017; Small et al., 2019; Sun and Wu, 2021）。這種關(guān)系也隨季節(jié)變化，例如阿拉伯海西部冬季和夏季表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系顯著不同（Sun and Wu, 2021）。表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系還隨時間尺度變化（例如Bishop et al., 2017; Sun and Wu, 2021），并依賴于空間尺度（例如Hausmann et al., 2017; Small et al., 2019; Sun and Wu, 2022a）。

已有的關(guān)于海氣變化關(guān)系的研究中，有采用月資料的（Wu et al., 2006; Wu and Kinter III, 2010;Bishop et al., 2017; Small et al., 2019），也有采用日資料的（Duvel and Vialard, 2007; Ye and Wu, 2015;Wu et al., 2015; Wu and Chen, 2015; Wu, 2016; Jing et al., 2020）。鑒于表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系對時間尺度的依賴性，并且大氣和海洋中都存在次月尺度變化（Hasselman, 1976; Frankignoul and Hasselman, 1977; Wallace et al., 1990; Frankignoul et al., 1998; Donohue et al., 2016; Jouanno et al.,2016; Small et al., 2019），利用日資料能更好地反映海氣關(guān)系的特征和變化，尤其是次月尺度的變化。

本文回顧表面湍流熱通量和海表面溫度變化之間的聯(lián)系，回顧內(nèi)容包括三個方面：（1）如何表征它們之間的關(guān)系；（2）它們之間的關(guān)系如何隨季節(jié)、時間和空間尺度變化；（3）如何理解它們之間關(guān)系變化的因子。本文具體安排如下：首先，介紹表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系的診斷方法，并用一個概念模式模擬結(jié)果來說明；隨后，分析表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系的區(qū)域性、季節(jié)變化、時間尺度（時間分辨率）依賴性和空間尺度（空間分辨率）依賴性；之后，分析風(fēng)速和海氣濕度差對表面潛熱通量和海表面溫度變化關(guān)系的貢獻(xiàn)；最后，對研究結(jié)果的指示意義進(jìn)行相關(guān)的討論。

2 表面湍流熱通量和海表面溫度關(guān)系的表征

根據(jù)海洋混合層溫度診斷方程，海表面溫度的變化受到海洋過程和表面熱通量的共同影響。表面熱通量包括湍流潛熱通量和感熱通量、太陽短波輻射和長波輻射。這里主要關(guān)注表面湍流熱通量（即潛熱通量和感熱通量）的作用，海洋上潛熱通量通常比感熱通量要大（Park et al., 2005; Andreas et al.,2013）。表面熱通量的作用大小與海洋混合層厚度和大氣高頻變化振幅有關(guān)，而海洋過程的作用與平均海溫梯度和海洋渦旋運(yùn)動強(qiáng)度有關(guān)。因此，表面湍流熱通量和海表面溫度變化的關(guān)系受到多個因子的影響。一方面，表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系與大氣和海洋中的擾動變化大小有關(guān)。大氣中的擾動振幅越大，表面湍流熱通量就越重要，從而海溫變化受大氣過程的影響越大。海洋中的渦旋運(yùn)動越強(qiáng)，海洋過程就越重要，對海表面溫度變化的貢獻(xiàn)就越大。另一方面，表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系也與平均海溫梯度和海洋混合層的厚度有關(guān)。平均海表面溫度梯度越大，海洋平流過程的作用就越重要。而海洋混合層的深度影響表面熱通量對海表面溫度變化貢獻(xiàn)的大小。在海洋混合層較淺區(qū)域，表面熱通量對海表面溫度變化的貢獻(xiàn)相對較大。

冬季，在熱帶印度洋地區(qū)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩顯著，大氣過程引起的表面熱通量變化幅度較大，對海表面溫度的變化起著重要作用，因而表面熱通量和海表面溫度變化的關(guān)系體現(xiàn)為大氣強(qiáng)迫情況（Duvel and Vialard, 2007）。夏季，在中緯度北太平洋中部地區(qū)、熱帶北印度洋和西北太平洋地區(qū)，海洋混合層較淺，表面熱通量能有效引起海表面溫度變化，因而表面熱通量和海表面溫度變化的關(guān)系屬于大氣強(qiáng)迫情況（Duvel and Vialard, 2007; Wu and Kinter III, 2010; Ye and Wu, 2015; Wu et al., 2015）。在副熱帶地區(qū)，由于海表面溫度梯度小，海洋過程的作用小，海表面溫度變化主要受表面熱通量的影響（Bishop et al., 2017; Small et al., 2019; Sun and Wu,2021, 2022a）。而在中緯度海洋鋒區(qū)，如黑潮和灣流延伸區(qū)，海表面溫度梯度大，并且海洋渦旋運(yùn)動強(qiáng)烈，海洋過程對海表面溫度變化有重要貢獻(xiàn)（Chelton et al., 2004; Small et al., 2008; Bryan et al.,2010; Chelton and Xie, 2010; Sugimoto and Hanawa,2011; Bishop et al., 2017; Small et al., 2019），屬于海洋強(qiáng)迫的情況（Robert et al., 2017; Bishop et al.,2017; Small et al., 2019; Sun and Wu, 2021, 2022a）。

局地海氣關(guān)系可以分為兩種基本情況。一種是海洋強(qiáng)迫大氣，另一種是大氣強(qiáng)迫海洋。雖然具體海氣關(guān)系存在復(fù)雜性，通過診斷降水或表面熱通量和海表面溫度變化之間的超前—滯后相關(guān)，或者降水或表面熱通量和海表面溫度/海表面溫度變化傾向之間的同時相關(guān)可以有效地判斷上述兩種情況中以哪一種為主（Frankignoul and Hasselmann, 1977;Frankignoul, 1985; Wallace et al., 1990; Cayan, 1992;Barsugli and Battisti, 1998; Frankignoul et al., 1998;von Storch, 2000; Wu and Kirtman, 2005, 2007; Wu et al., 2006, 2007, 2015; Duvel and Vialard, 2007; Ye and Wu, 2015; Bishop et al., 2017; Wu and You,2018; Wu, 2019; Small et al., 2019; Wu and Kinter III,2010）。以表面湍流熱通量（SHF）和海表面溫度（SST）為例，在海洋強(qiáng)迫大氣情況下，SST 升高會導(dǎo)致向上的SHF 增加，而在大氣強(qiáng)迫海洋情況下，大氣過程引起的向上SHF 增加會引起SST 降低。在超前—滯后相關(guān)中，海洋強(qiáng)迫情況表現(xiàn)為SHF-SST 對稱正相關(guān)和SHF-SST 變化傾向（SSTten）反對稱相關(guān)，而大氣強(qiáng)迫情況表現(xiàn)為SHF-SST 反對稱相關(guān)和SHF-SSTten 對稱負(fù)相關(guān)。在同時相關(guān)中，海洋強(qiáng)迫情況表現(xiàn)為SHF-SST 的正相關(guān)，而大氣強(qiáng)迫情況表現(xiàn)為SHF-SSTten 的負(fù)相關(guān)。

簡單隨機(jī)模式結(jié)果說明了這種局地相關(guān)分析在診斷海氣關(guān)系中的作用（Barsugli and Battisti, 1998;Wu et al., 2006; Bishop et al., 2017; Sun and Wu,2021）。在隨機(jī)模式中可以通過設(shè)定不同參數(shù)來模擬以大氣強(qiáng)迫為主導(dǎo)和以海洋強(qiáng)迫為主導(dǎo)情況下SHF 和SST 的演變，在這兩種不同情況下SHF 和SST 關(guān)系的不同特征說明通過診斷它們的相關(guān)關(guān)系可以理解大氣強(qiáng)迫和海洋強(qiáng)迫的相對重要性。根據(jù)Bishop et al.（2017）， 所用的隨機(jī)模式如下:

其中，Ta和To分別為表面氣溫和表面海溫，參數(shù)α和β分別為大氣和海洋的熱交換系數(shù)，γa和γo分別為Ta和To的輻射衰減系數(shù)，Na和No分別表示大氣和海洋的隨機(jī)強(qiáng)迫。根據(jù)Bishop et al.（2017），隨機(jī)強(qiáng)迫用強(qiáng)迫頻率ω乘以一個絕對值小于1°C 的隨機(jī)數(shù)來表示。大氣強(qiáng)迫頻率ωa設(shè)為2×10-5s-1。隨機(jī)模式中的α、β和γo的值根據(jù)Bishop et al.（2017），取為：α= 23.9×10-7s-1，β= 1.195×10-7s-1，和γo= 9.5×10-9s-1，γa的值根據(jù)Barsugli and Battisti（1998），取為：γa= 2.8×10-7s-1。我們考察海洋強(qiáng)迫不同頻率情況。圖1 給出了取ωo= 2×10-7s-1和ωo= 8×10-6s-1時得到的SHF 和SST、SHF 和SST 變化傾向的超前—滯后相關(guān)。SST 變化傾向根據(jù)后一天減去前一天SST 的差值除以2 來計(jì)算。在計(jì)算相關(guān)系數(shù)前對時間序列進(jìn)行了不同時間窗口平滑，以表示相關(guān)系數(shù)隨時間尺度的變化。在ωo值較小時（ωo=2×10-7s-1），海洋隨機(jī)強(qiáng)迫較小，反映以大氣強(qiáng)迫為主情況。在ωo值較大時（ωo= 8×10-6s-1），海洋隨機(jī)強(qiáng)迫較大，反映以海洋強(qiáng)迫為主情況。

圖1 根據(jù)隨機(jī)模式模擬得到的（a，c）SHF-SST 和（b，d）SHF-SST 變化傾向（SSTten）的超前—滯后相關(guān)隨時間尺度變化。x 軸表示SST/SSTten 超前（左側(cè)）和滯后（右側(cè)）時間（單位：d）。y 軸表示時間尺度（單位：d）。大氣強(qiáng)迫頻率參數(shù)為ωa= 2×10-5 s-1, 海洋強(qiáng)迫頻率參數(shù)為（a，b）ωo= 8×10-6 s-1，（c，d）ωo= 2×10-7 s-1。Fig.1 Time-scale dependence of the lead-lag (a, c) SHF-SST and (b, d) SHF-SST tendency (SSTten) correlation derived from a stochastic model simulation.The x-axis corresponds to the lead (left) and lag (right) time (units: d) of the SST/SSTten.The y-axis corresponds to the time scale (units:d).Atmospheric forcing frequency ωa = 2×10-5 s-1, and oceanic forcing frequency (a, b) ωo = 8×10-6 s-1 or (c, d) ωo = 2 × 10-7 s-1.

從圖1 可見，兩種情況下，SHF-SST/SST ten的相關(guān)明顯不同。在海洋強(qiáng)迫為主導(dǎo)情況，SHFSST 相關(guān)系數(shù)為正并隨超前和滯后時間增加而減少，而SHF-SSTten 相關(guān)系數(shù)呈非對稱特征并且數(shù)值很小（圖1a， b）。在大氣強(qiáng)迫為主導(dǎo)情況，SHF-SST相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)明顯反對稱特征，而SHF-SSTten 同時負(fù)相關(guān)很大并且相關(guān)系數(shù)隨超前和滯后時間增加而減少（圖1c，d）。另外，SHF-SST 正相關(guān)隨著時間尺度增加而增大（圖1a），說明海洋強(qiáng)迫隨時間尺度增加而增強(qiáng)。SHF-SSTten 負(fù)相關(guān)隨著時間尺度增加而減少（圖1d），說明大氣強(qiáng)迫隨時間尺度增加而減弱。

3 表面湍流熱通量和海表面溫度關(guān)系的區(qū)域變化

一些研究指出了海氣關(guān)系在不同區(qū)域之間的差異（Wu et al., 2006, 2007; Duvel and Vialard, 2007;Wu and Kinter III, 2010; 李 博 等, 2011; Wu et al.,2015; Ye and Wu, 2015; Bishop et al., 2017; Small et al., 2019; 繆予晴等, 2021; Sun and Wu, 2021）。Duvel and Vialard （2007）指出冬季的20～90 天季節(jié)內(nèi)尺度變化中，在熱帶印度洋地區(qū)，潛熱通量驅(qū)動海表面溫度變化，而在熱帶西太平洋地區(qū)，潛熱通量對海表面溫度變化的作用較熱帶印度洋地區(qū)的小。Wu and Kinter III（2010） 根據(jù)月資料進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)北太平洋中緯度西部和中部地區(qū)，表面潛熱通量和海表面溫度變化呈現(xiàn)不同關(guān)系。在中部地區(qū)，潛熱通量驅(qū)動海表面溫度變化，而在西部地區(qū)海表面溫度驅(qū)動潛熱通量變化，而后者會反饋于海表面溫度變化。研究說明了中緯度海洋鋒區(qū)和副熱帶渦旋區(qū)海氣關(guān)系顯著不同（Bishop et al., 2017; Small et al., 2019; Sun and Wu, 2021）。在中緯度海洋鋒區(qū)，SHF-SST 存在大的正相關(guān)，表示海洋強(qiáng)迫作用。而在副熱帶渦旋區(qū)，SHF-SSTten 負(fù)相關(guān)明顯，表示大氣強(qiáng)迫作用。在熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)海氣關(guān)系也有區(qū)域差異（Sun and Wu, 2021）。根據(jù)日資料分析，冬季表面湍流熱通量對海表面溫度的影響南中國海地區(qū)比阿拉伯海和孟加拉灣地區(qū)更大，夏季阿拉伯海地區(qū)海洋強(qiáng)迫明顯，而菲律賓海地區(qū)以大氣強(qiáng)迫為主（Sun and Wu, 2021）。

圖2 給出了根據(jù)所有月份日資料數(shù)據(jù)計(jì)算得到的北太平洋地區(qū)SHF-SST 和SHF-SSTten 的同時協(xié)方差分布。在黑潮延伸區(qū)，SHF-SST 同時協(xié)方差為大的正值（圖2a），說明該地區(qū)海洋對大氣的影響。類似情況出現(xiàn)在灣流延伸區(qū)（Bishop et al.,2017; Small et al., 2019; Sun and Wu, 2021）。在北太平洋副熱帶地區(qū)，SHF-SST 同時協(xié)方差很小，而SHF-SSTten 同時負(fù)協(xié)方差很大（圖2b），說明大氣對海洋的影響。北大西洋副熱帶地區(qū)情況類似（Bishop et al., 2017; Small et al., 2019; Sun and Wu,2021）。上述關(guān)系的區(qū)域變化與海表面溫度平均梯度的差異有關(guān)。在黑潮延伸區(qū)，由于平均海表面溫度梯度大，海洋過程對海表面溫度變化有重要貢獻(xiàn)，進(jìn)而海表面溫度異常導(dǎo)致表面湍流熱通量變化（Bishop et al., 2017; Small et al., 2019）。而在副熱帶地區(qū)，平均海表面溫度梯度小，海洋過程對海表面溫度變化的貢獻(xiàn)很小，海表面溫度的變化主要受表面湍流熱通量的影響（Bishop et al., 2017; Small et al., 2019）。

圖2 根據(jù)1985～2018 年所有月份日資料計(jì)算的（a）SHF-SST 和（b）SHF-SSTten 的同時協(xié)方差（單位：°C W m-2）?！啊蟆北硎緢D3中用于計(jì)算超前—滯后相關(guān)的位于黑潮延伸區(qū)和北太平洋副熱帶渦旋區(qū)的兩個格點(diǎn)。白色區(qū)域表示根據(jù)Student’s t-檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)沒有達(dá)到95%信度。SHF 資料來自于OAFlux（objectively analyzed air-sea sensible and latent heat fluxes）（Yu and Weller, 2007）和SST 資料來自于NOAA OISST v2.0（National Oceanic and Atmospheric Administration Optimum Interpolation Sea Surface Temperature v2.0）（Reynolds et al.,2007）。Fig.2 Simultaneous covariance (units: °C W m-2) of (a) SHF-SST and (b) SHF-SSTten daily data from 1985 to 2018.The symbol “◇” denotes the two grid points within the Kuroshio Extension and North Pacific subtropical gyre in calculating the lead-lag correlation in Fig.3.The white regions represent correlation coefficients below the 95% confidence level according to the Student’s t-test.The SHF data are from objectively analyzed air-sea sensible and latent heat fluxes (OAFlux) (Yu and Weller 2007), and the SST data are from National Oceanic and Atmospheric Administration Optimum Interpolation Sea Surface Temperature v2.0 (NOAA OISST v2.0) (Reynolds et al.2007).

在熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)，SHF-SST 的協(xié)方差較小，而SHF-SSTten 的協(xié)方差較大，尤其在南中國海和菲律賓海地區(qū)（Sun and Wu, 2021）。說明在這些地區(qū)，以大氣強(qiáng)迫情況為主。這與東亞冬季風(fēng)的活動有關(guān)。東亞沿海地區(qū)由于受到東亞冬季風(fēng)活動的影響，大氣過程引起的表面湍流熱通量變化很大（Wu and Chen, 2005; Wu et al., 2006），從而表面湍流熱通量在海表面溫度變化中起著重要作用。

4 表面湍流熱通量和海表面溫度關(guān)系的季節(jié)變化

一些研究揭示出海氣關(guān)系的季節(jié)變化，并且海氣關(guān)系的季節(jié)性在不同地區(qū)存在差異（Kushnir and Held, 1996; Frankignoul et al., 1998; Duvel and Vialard, 2007; Wu et al., 2007; 徐海明等, 2008; Wu and Kinter III, 2010; 徐蜜蜜等, 2012; Putrasahan et al., 2013; Wu et al., 2015; Bishop et al., 2017; Jing et al., 2020; Sun and Wu, 2021）。Duvel and Vialard（2007）發(fā)現(xiàn)冬季阿拉伯海、孟加拉灣北部和南中國海地區(qū)，潛熱通量對海表面溫度季節(jié)內(nèi)變化的影響冬季比夏季更大。Wu and Kinter III（2010）發(fā)現(xiàn)北太平洋中緯度西部地區(qū)，潛熱通量對海表面溫度異常的影響冬季明顯，而夏季較弱。Wu et al.（2015）的分析說明熱帶西北太平洋地區(qū)季節(jié)內(nèi)SHF-SST 的協(xié)同變化夏季比冬季更大。研究指出在中緯度海洋鋒區(qū)（如黑潮和灣流延伸區(qū)），SHF-SST 變化的協(xié)方差冬季比夏季更大（Bishop et al., 2017; Sun and Wu, 2021），說明在這些地區(qū)海洋強(qiáng)迫冬季更強(qiáng)。在副熱帶渦旋區(qū)，SHF-SSTten的協(xié)方差夏季比冬季大（Sun and Wu, 2021）, 說明在這些地區(qū)大氣強(qiáng)迫作用夏季更為明顯。

圖3 給出了表面湍流熱通量和海表面溫度關(guān)系季節(jié)變化的三種典型情況。在黑潮延伸區(qū)，SHFSST 正相關(guān)冬季明顯大于夏季，而SHF-SST 變化傾向負(fù)相關(guān)夏季大于冬季（圖3a-b）。這說明黑潮延伸區(qū)，海洋對大氣的影響冬季強(qiáng)于夏季。類似情況出現(xiàn)在灣流延伸區(qū)和南大洋厄加勒斯海流區(qū)（Bishop et al., 2017; Sun and Wu, 2021）。這一海洋影響大氣的季節(jié)變化與上述地區(qū)平均海表面溫度梯度冬季大于夏季有關(guān)。在北太平洋副熱帶渦旋區(qū)，夏季SHF-SSTten 的負(fù)相關(guān)明顯大于冬季（圖3c，d），說明大氣對海洋的影響夏季更強(qiáng)。類似情況出現(xiàn)在北大西洋副熱帶渦旋區(qū)（Bishop et al., 2017;Sun and Wu, 2021）。這與上述地區(qū)海洋混合層深度在夏季較淺有關(guān)（Wu et al., 2015）。在阿拉伯海西部地區(qū)，夏季SHF-SST 同時正相關(guān)較大，而SHF-SST 變化傾向相關(guān)呈現(xiàn)反對稱特征（圖3f），這表示海洋對大氣的影響（Sun and Wu, 2021）。這與夏季由于南亞夏季風(fēng)引起的該地區(qū)海表面溫度梯度較大有關(guān)。冬季SHF-SST 變化傾向之間為同時負(fù)相關(guān)，而SHF-SST 相關(guān)呈反對稱特征（圖3e），表示大氣對海洋的影響（Sun and Wu, 2021）。

圖3 根據(jù)1985～2018 年日資料計(jì)算的SHF-SST（藍(lán)實(shí)線）和 SHF-SSTten（綠實(shí)線）的超前—滯后相關(guān)。（a，b）位于黑潮延伸區(qū)格點(diǎn)；（c，d）位于北太平洋副熱帶渦旋區(qū)格點(diǎn)；（e，f）位于阿拉伯海西部格點(diǎn)。（a，c，e）根據(jù)冬季月份（NDJFM）資料，（b，d，f）根據(jù)夏季月份（MJJAS）資料。虛線表示相關(guān)系數(shù)誤差幅度。x 軸表示SST/SSTten 超前（左側(cè)）和滯后（右側(cè)）時間（單位：d）。SHF 資料來自于OAFlux（Yu and Weller, 2007）和SST 資料來自于NOAA OISST v2.0（Reynolds et al., 2007）。Fig.3 Lead-lag correlation of SHF-SST (blue solid line) and SHF-SSTten (green solid line) calculated based on daily data during 1985-2018 at the grid point located within (a, b) the Kuroshio Extension, (c, d) North Pacific subtropical gyre, and (e, f) western Arabian Sea for (a, c, e) winter months(November through March) and (b, d, f) summer months (May through September).Dashed lines represent the error margins of the correlation coefficients.The x-axis corresponds to the lead (left) and lag (right) time (units: d) of the SST/SSTten.The SHF data are from OAFlux (Yu and Weller 2007), and the SST data are from NOAA OISST v2.0 (Reynolds et al.2007).

Sun and Wu （2021） 根據(jù)日資料進(jìn)行的分析指出，在孟加拉灣、南中國海和菲律賓海地區(qū)，SHF-SST 變化傾向的負(fù)相關(guān)夏季比冬季大，說明這些地區(qū)大氣對海洋的影響夏季更強(qiáng)。這一特征與北太平洋副熱帶地區(qū)的情況類似。與阿拉伯海地區(qū)不同的是，無論是冬季還是夏季，上述地區(qū)都以大氣強(qiáng)迫海洋變化情況為主。

5 表面湍流熱通量和海表面溫度關(guān)系的時間尺度依賴性

研究揭示出表面湍流熱通量和海表面溫度變化的關(guān)系依賴于時間尺度（Murakami and Kawamura,2001; Wu et al., 2015; Ye and Wu, 2015; Bishop et al.,2017; Small et al., 2019）。Bishop et al.（2017）和Small et al.（2019）指出海洋過程對海表面溫度變化 的 影 響 隨 時 間 尺 度 增 長 而 增 大。Small et al.（2019）比較了根據(jù)30 天平均和1 天平均資料計(jì)算的表面湍流熱通量和海表面溫度變化的相關(guān)，發(fā)現(xiàn)西北太平洋和西北大西洋地區(qū)30 天平均尺度對應(yīng)的海洋強(qiáng)迫更大。

Sun and Wu（2021）根據(jù)日分辨率資料分析發(fā)現(xiàn)存在一個月—次月轉(zhuǎn)變時間尺度。在短于轉(zhuǎn)變時間尺度時，大氣強(qiáng)迫較為重要，而在大于轉(zhuǎn)變時間尺度時，海洋強(qiáng)迫變得重要。這一轉(zhuǎn)變時間尺度隨區(qū)域而不同，也隨季節(jié)而變化。在灣流和黑潮延伸區(qū)夏季，轉(zhuǎn)變時間尺度約為20 天，而在菲律賓海地區(qū)夏季，轉(zhuǎn)變時間尺度約為40 天。在中緯度海洋鋒區(qū)，冬季的海洋強(qiáng)迫一直延伸到90 天尺度，夏季20 天以下和以上分別為大氣強(qiáng)迫和海洋強(qiáng)迫為主。冬季，在孟加拉灣、南中國海和菲律賓海地區(qū)，90 天以下時間尺度大氣強(qiáng)迫明顯，在阿拉伯海地區(qū)，大氣強(qiáng)迫主要出現(xiàn)在40 天以下時間尺度。夏季，在阿拉伯海地區(qū)，海洋強(qiáng)迫延伸到90 天尺度，在菲律賓海地區(qū)，40 天以下和以上時間尺度分別以大氣和海洋強(qiáng)迫為主。一般而言，在熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)，在較短時間尺度，以大氣強(qiáng)迫為主，而在較長時間尺度，海洋強(qiáng)迫變得重要。

圖4 給出了冬季黑潮延伸區(qū)和南中國海地區(qū)SHF-SST/SST 變化傾向超前-滯后相關(guān)隨時間尺度變化。在黑潮延伸區(qū)，SHF-SST 的正相關(guān)隨時間尺度而增大（圖4a），而SHF-SST 變化傾向維持反對稱特征(圖4b)。這說明黑潮延伸區(qū)，海洋對大氣的影響隨時間尺度增長而增強(qiáng)。類似情況出現(xiàn)在灣流延伸區(qū)（Sun and Wu, 2021）。在南中國海地區(qū)，隨時間尺度增長，SHF-SST 的相關(guān)從反對稱向同時正相關(guān)增加轉(zhuǎn)換（圖4c），SHF-SST 變化傾向相關(guān)呈對稱特征，同時負(fù)相關(guān)開始時隨時間尺度增長而增大，在時間尺度超過約20 天以后，負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)而隨時間尺度增長而減少（圖4d）。上述特征說明，南中國海地區(qū)的大氣強(qiáng)迫由隨時間尺度增強(qiáng)轉(zhuǎn)而向隨時間尺度減弱轉(zhuǎn)變。類似情況出現(xiàn)在阿拉伯海地區(qū)冬季和孟加拉灣、南中國海和菲律賓海地區(qū)的夏季（Sun and Wu, 2021）。

在中緯度地區(qū)海洋強(qiáng)迫隨時間尺度的增強(qiáng)與大氣高頻變化隨時間尺度的減弱有關(guān)。由于時間平滑減弱了高頻大氣變化，使得大氣過程引起的表面湍流熱通量的影響減少。相應(yīng)地，海洋過程對海表面溫度變化的作用變大。在熱帶地區(qū)大氣強(qiáng)迫隨時間尺度的增強(qiáng)與表面湍流熱通量變率的變化有關(guān)。熱帶印度洋和西太平洋地區(qū)，天氣尺度擾動和大氣季節(jié)內(nèi)振蕩非?；钴S。由于受天氣尺度擾動和大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的影響，表面湍流熱通量的變化幅度在較短時間尺度較大，因而對海表面溫度變化的影響較大。

6 表面湍流熱通量和海表面溫度關(guān)系的空間尺度依賴性

海洋中渦旋通過海洋平流等過程影響海表面溫度變化，這種海洋渦旋的作用需要高分辨率才能正確刻畫。一方面，這說明了資料空間分辨率的重要性（Kirtman et al., 2012）。研究指出海洋空間分辨率的增加能改善海氣關(guān)系的描述（Putrasahan et al.,2017; Small et al., 2019; Bellucci et al., 2021）。另一方面，這也說明了表面湍流熱通量和海表面溫度變化之間的關(guān)系依賴于空間尺度。

圖5 比較北大西洋地區(qū)根據(jù)1 度和4 度空間分辨率得到的SHF-SST 和SHF-SSTten 的同時相關(guān)分布。在灣流延伸區(qū)，SHF-SST 在1 度分辨率時為明顯正相關(guān)（圖5a），而在4 度分辨率時正相關(guān)很?。▓D5b），這說明海洋強(qiáng)迫主要出現(xiàn)在高空間分辨率情況。而SHF-SSTten 的負(fù)相關(guān)在4 度分辨率時比1 度分辨率時要大（圖5c，d），這說明大氣強(qiáng)迫在低分辨率時更大。

圖5 根據(jù)1985～2018 年所有月份日資料計(jì)算的（a，b）SHF-SST 和（c，d）SHF-SSTten 的同時相關(guān)。（a，c）根據(jù)空間分辨率1°資料，（b，d）根據(jù)空間分辨率4°資料?！啊蟆北硎疚挥跒沉餮由靺^(qū)和北大西洋副熱帶渦旋區(qū)的兩個格點(diǎn)。白色區(qū)域表示根據(jù)Student’s t-檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)沒有達(dá)到95%信度。SHF 資料來自于OAFlux（Yu and Weller, 2007）和SST 資料來自于NOAA OISST v2.0（Reynolds et al.,2007）。Fig.5 Simultaneous (a, b) SHF-SST and (c, d) SHF-SSTten correlation calculated daily data from 1985 to 2018 in the North Atlantic at (a, c) 1° and(b, d) 4° spatial scale.The symbol “◇” denotes the within and outside of the Gulf Stream extension.The white regions represent correlation coefficients below the 95% confidence level according to the Student’s t-test.The SHF data are from OAFlux (Yu and Weller 2007), and the SST data are from NOAA OISST v2.0 (Reynolds et al.2007).

Bishop et al.（2017）的分析指出海洋過程對海表面溫度變化的影響隨空間尺度增大而減少。Small et al.（2019）通過空間濾波資料分析說明5度以下空間尺度，全球海洋大部分地區(qū)以海洋強(qiáng)迫為主，而在更大空間尺度，以大氣強(qiáng)迫為主。在副熱帶地區(qū)，大氣強(qiáng)迫出現(xiàn)在所有空間尺度（Bishop et al., 2017），并且大氣強(qiáng)迫隨空間尺度增大而增強(qiáng)（Sun and Wu, 2022a）。在阿拉伯海地區(qū)夏季，海洋強(qiáng)迫隨空間尺度增大而減弱（Sun and Wu,2022a）。Sun and Wu（2022a）的分析說明海氣關(guān)系對空間尺度的依賴性隨季節(jié)而變化。

圖6 給出黑潮延伸區(qū)SHF-SST/SSTten 超前—滯后相關(guān)隨空間尺度的變化。無論是冬季還是夏季，SHF-SST 的正相關(guān)隨空間尺度增大而減少（圖6a，c），這說明海洋強(qiáng)迫作用隨空間尺度增大而減弱。SHF-SSTten 的同時負(fù)相關(guān)隨空間尺度增大而增加（圖6b，d），這表示大氣強(qiáng)迫作用隨空間尺度增大而增強(qiáng)。類似情況出現(xiàn)在灣流延伸區(qū)（Small et al., 2019; Sun and Wu, 2022a）。 Sun and Wu（2022a）分析了熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)表面湍流熱通量和海表面溫度關(guān)系隨空間尺度變化，結(jié)果說明大氣強(qiáng)迫作用隨空間尺度增大也增強(qiáng)。

圖6 根據(jù)1985～2018 年（a，b）冬季月份（NDJFM）和（c，d）夏季月份（MJJAS）日資料計(jì)算的位于黑潮延伸區(qū)格點(diǎn)（a，c）SHF-SST 和（b，d）SHF-SSTten 的超前—滯后相關(guān)隨空間尺度變化。x 軸表示SST/SSTten 超前（左側(cè)）和滯后（右側(cè)）時間（單位：d）。y 軸表示空間尺度[單位：(°)]。SHF 資料來自于OAFlux（Yu and Weller, 2007）和SST 資料來自于NOAA OISST v2.0（Reynolds et al.,2007）。Fig.6 Space-scale dependence of lead-lag (a, c) SHF-SST and (b, d) SHF-SSTten correlation calculated using daily data from 1985 to 2018 at the grid point within the Kuroshio Extension for (a, b) winter months (NDJFM) and (c, d) summer months (MJJAS).The x-axis corresponds to the lead(left) and lag time (units: d) of the SST/SST tendency (right).The y-axis corresponds to the spatial scale in degrees.The SHF data are from OAFlux(Yu and Weller 2007), and the SST data are from NOAA OISST v2.0 (Reynolds et al.2007).

上述海氣關(guān)系隨空間尺度變化有兩個原因。一是平均海表面溫度梯度的影響。空間平滑會減少海表面溫度梯度，從而減弱海洋平流過程對海表面溫度變化的貢獻(xiàn)，因而大氣過程對海表面溫度變化的貢獻(xiàn)隨空間尺度增大而增加。另外一個原因是空間平滑去除了與海氣耦合無關(guān)的小尺度變化，從而減少標(biāo)準(zhǔn)差而使得SHF-SSTten 的相關(guān)隨空間尺度增大。

Bishop et al.（2017）通 過 比 較SHF-SST 和SHF-SSTten 的相關(guān)系數(shù)大小，定義了一個從海洋強(qiáng)迫向大氣強(qiáng)迫轉(zhuǎn)換的空間尺度。這一轉(zhuǎn)換空間尺度隨區(qū)域而不同。在中緯度海洋鋒區(qū)，根據(jù)OAflux 表面熱通量資料，Bishop et al.（2017）估計(jì)得到的轉(zhuǎn)換空間尺度大約為1°～3°。根據(jù)JOFuro 表面熱通量資料，Small et al.（2019）得到的轉(zhuǎn)換空間尺度為4°～7°，比Bishop et al.（2017）根據(jù)OAflux 表面熱通量得到的要大。這一差異歸之于資料的空間分辨率（Small et al., 2019）。Sun and Wu（2022a）對冬季和夏季分別估計(jì)了轉(zhuǎn)換空間尺度，發(fā)現(xiàn)中緯度海洋鋒區(qū)轉(zhuǎn)換空間尺度冬季比夏季要大。根據(jù)OAflux 表面熱通量日資料，轉(zhuǎn)換空間尺度冬季為2.6°～4.5°，夏季為0.8°～1.3°。而根據(jù)J-OFuro 表面熱通量資料，轉(zhuǎn)換空間尺度冬季為3.5°～5.1°，夏季為1.5°～2.3°。根據(jù)日資料分季節(jié)估計(jì)得到的轉(zhuǎn)變空間尺度對資料分辨率的依賴性不大。這與Small et al.（2019）根據(jù)月資料分析得到的結(jié)果有所不同。

7 表面風(fēng)速和海氣濕度差的相對貢獻(xiàn)

表面湍流熱通量變化既與風(fēng)速有關(guān)，也與海氣濕度（溫度）差有關(guān)。風(fēng)速變化主要由大氣過程決定，而后者海氣濕度（溫度）差主要隨海表面溫度而變化（Small et al., 2019）。表面湍流熱通量的變化可以分解為與風(fēng)速變化有關(guān)和與海氣濕度（溫度）差變化有關(guān)兩部分（Tanimoto et al., 2003; Wu et al.,2007; Sugimoto and Hanawa, 2011; Wu and You,2018; Small et al., 2019; Sun and Wu, 2022b）。據(jù)此，可以分析表面湍流熱通量—海表面溫度變化之間的關(guān)系主要是由于風(fēng)速部分的貢獻(xiàn)，還是由于海氣濕度（溫度）差部分的貢獻(xiàn)，從而了解表面湍流熱通量—海表面溫度關(guān)系的空間和時間變化的原因。由于海洋上潛熱通量比感熱通量要大（Park et al.,2005; Andreas et al., 2013），分析中通常關(guān)注潛熱通量變化中風(fēng)速和海氣濕度差的貢獻(xiàn)。

Small et al.（2019）根據(jù)月分辨率資料分析了風(fēng)速和比濕對表面潛熱通量和海表面溫度關(guān)系的貢獻(xiàn)，指出在熱帶和副熱帶大部分地區(qū)，風(fēng)速的作用為主導(dǎo)，而在高緯度地區(qū)，空氣比濕的作用為主。Sun and Wu（2022b）根據(jù)日分辨率資料詳細(xì)分析了風(fēng)速和海氣濕度差貢獻(xiàn)的區(qū)域和季節(jié)變化，結(jié)果表明海氣濕度差的貢獻(xiàn)在中緯度海洋鋒區(qū)和熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)重要，而風(fēng)速的貢獻(xiàn)在副熱帶和熱帶地區(qū)重要。中緯度海洋鋒區(qū)海洋強(qiáng)迫的季節(jié)變化歸之于海氣濕度差貢獻(xiàn)的季節(jié)變化，副熱帶渦旋區(qū)大氣強(qiáng)迫的季節(jié)變化來自于風(fēng)速貢獻(xiàn)的季節(jié)變化。在熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)，夏季潛熱通量的作用通過改變海氣濕度差的貢獻(xiàn)，而冬季潛熱通量的作用取決于風(fēng)速的貢獻(xiàn)。風(fēng)速的貢獻(xiàn)取決于區(qū)域，在副熱帶地區(qū)無論冬季還是夏季，在阿拉伯海地區(qū)夏季，風(fēng)速有輔助貢獻(xiàn)，在菲律賓海地區(qū)無論冬季和夏季，南中國海、孟加拉灣地區(qū)夏季，風(fēng)速有抵消作用。

Sun and Wu （2022b）詳細(xì)分析了風(fēng)速和海氣濕度差對SHF-SST 和SHF-SST/SSTten 關(guān)系隨時間尺度變化的貢獻(xiàn)。海表面溫度的作用隨時間尺度增大是由于海氣濕度差貢獻(xiàn)的變化，潛熱通量的作用隨時間尺度的變化主要由于風(fēng)速貢獻(xiàn)的變化，如阿拉伯海西部冬季在40 天左右時間尺度的潛熱通量對海表面溫度變化影響的轉(zhuǎn)折，孟加拉灣、南中國海和菲律賓海夏季在40 天左右時間尺度由大氣強(qiáng)迫向海洋強(qiáng)迫的轉(zhuǎn)換。

總結(jié)表面風(fēng)速和海氣濕度差貢獻(xiàn)的變化，可以歸納為以下三種情況。第一種為海洋強(qiáng)迫情況。這種情況下，以海氣濕度差正貢獻(xiàn)為主，而風(fēng)速貢獻(xiàn)分為正的輔助作用、負(fù)的抵消作用和貢獻(xiàn)小三類。第二種為大氣強(qiáng)迫情況。這種情況下，以風(fēng)速正貢獻(xiàn)為主。第三種為海洋貢獻(xiàn)小。這種情況下，海氣濕度差和風(fēng)速的貢獻(xiàn)趨于互相抵消。

8 總結(jié)和討論

本文通過比較分析SHF-SST 和SHF-SSTten 的相關(guān)，回顧了近年來有關(guān)海氣關(guān)系方面的研究。主要結(jié)果如下：

1 海氣關(guān)系的區(qū)域變化：在中緯度海洋鋒區(qū)以海洋強(qiáng)迫大氣為主，在副熱帶渦旋區(qū)以大氣強(qiáng)迫海洋為主，在熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)，南中國?！坡少e海的大氣強(qiáng)迫比孟加拉灣—阿拉伯海的更明顯。

2 海氣關(guān)系的季節(jié)變化：中緯度海洋鋒區(qū)的海洋強(qiáng)迫冬季比夏季更大，副熱帶渦旋區(qū)的大氣強(qiáng)迫作用夏季比冬季更為明顯，阿拉伯海地區(qū)夏季以海洋強(qiáng)迫為主，而冬季以大氣強(qiáng)迫為主，在其它熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)，大氣強(qiáng)迫作用夏季比冬季更大。

3 海氣關(guān)系的時間尺度依賴性：在中緯度海洋鋒區(qū)，冬季海洋影響隨時間尺度增長而增強(qiáng)，夏季由大氣影響隨時間尺度增長向減弱轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間尺度約在20～40 天；在阿拉伯海西部，夏季海洋強(qiáng)迫隨時間尺度增長而增強(qiáng)，冬季的大氣影響由隨時間尺度增強(qiáng)向減弱轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間尺度約在40 天；在其它熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)，冬夏季大氣強(qiáng)迫隨時間尺度先增強(qiáng)而后減弱，其轉(zhuǎn)換時間尺度冬季大于夏季。

4 海氣關(guān)系的空間尺度依賴性：中緯度海洋鋒區(qū)的海洋影響隨空間尺度增大而減弱，副熱帶渦旋區(qū)的大氣影響隨空間尺度增大而增強(qiáng)；在中緯度海洋鋒區(qū)存在一個由海洋強(qiáng)迫向大氣強(qiáng)迫轉(zhuǎn)變的空間尺度，此空間尺度冬季大于夏季；在熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)，除了阿拉伯海夏季外，大氣強(qiáng)迫隨空間尺度增大而增強(qiáng)。

這些根據(jù)表面湍流熱通量和海表面溫度變化關(guān)系分析的結(jié)果對于海氣關(guān)系相關(guān)方面的研究有著指示意義。討論如下：

1 時間尺度—空間分辨率的重要性

（1）區(qū)分不同時間尺度的必要性

大氣和海洋中存在不同時間尺度變化。海洋和大氣變化之間的關(guān)系在不同時間尺度可能不同。在不區(qū)分時間尺度情況下，得到的關(guān)系可能主要反映某種優(yōu)勢尺度的關(guān)系，當(dāng)兩種尺度海氣變化關(guān)系相反時，有可能導(dǎo)致總的海氣變化關(guān)系不明顯。因此，在分析海洋和大氣的相互作用時有必要針對具體的時間尺度分別進(jìn)行。

（2）資料空間分辨率的重要性

海洋過程的作用依賴于資料的空間分辨率（Kirtman et al., 2012; Putrasahan et al., 2017; Small et al., 2019; Bellucci et al., 2021）。只有當(dāng)空間分辨率達(dá)到一定高時，海洋中小尺度渦旋的作用才能體現(xiàn)出來。因此，在比較由不同分辨率資料診斷得到的海氣關(guān)系時，要注意資料空間分辨率的影響。

2 模式評估問題

氣候模式常被用來進(jìn)行相關(guān)方面的研究。在使用氣候模式進(jìn)行研究前，需要對氣候模式的性能進(jìn)行評估，以了解氣候模式的適合性。由于空間分辨率對海氣關(guān)系的影響，在比較模式的性能時需要關(guān)注其差異是否與模式的空間分辨率有關(guān)，尤其是海洋模式。Bishop et al.（2017）指出為了充分模擬海氣耦合，模式需要能模擬海洋中的中尺度渦旋。有研究說明海洋模式的空間分辨率大小影響到海氣耦合和中緯度風(fēng)暴軸的模擬（Roberts et al., 2017; Ma et al., 2017）。此外，還需要注意模式中的平均海表面溫度梯度，大氣和海洋高頻變率大小等的模擬情況，它們都有可能影響模式中的海氣關(guān)系特征。