华南沿海边界层急流可预报性研究：通过大气-海洋耦合提高预测能力
第一， 主要作者、机构及发表信息 本研究由Jingwei Xu（通讯作者，单位：南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室、气候与环境变化国际联合实验室、气象灾害预报预警与评估协同创新中心、数据同化研究与应用联合中心；马克斯·普朗克气象研究所；德国气候服务中心）牵头，联合了Xiefei Zhi, Dmitry V. Sein, William Cabos, Yong Luo, Ling Zhang, Fu Dong, Klaus Fraedrich, Daniela Jacob等多位来自中国、德国、俄罗斯、西班牙的研究人员共同完成。研究成果以题为 “Predictability of Coastal Boundary Layer Jets in South China Using Atmosphere–Ocean Coupling” 的学术论文形式，发表于《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》 期刊，于2023年7月29日正式接受发表，文章引用编号为e2023JD039184。
第二， 学术背景与研究目的 本研究的核心科学领域是天气与气候动力学，具体聚焦于海岸气象学和区域数值天气预报。研究的直接对象是沿海边界层急流（Coastal Boundary Layer Jets, BLJs）。BLJs是发生在海拔1公里（约900 hPa气压层）以下的大气低层强风带，其重要性在于能够同时输送水汽和提供动力抬升，从而常引发沿海地区的强降水。这类强降水，如华南前汛期暖区暴雨，常常导致重大的经济损失。然而，当前业务数值天气预报模式对沿海BLJs的模拟和预报能力有限，主要原因是难以准确刻画海岸区域复杂的海气相互作用。
传统观点认为，海气相互作用主要在中长期（延伸期）集合预报中才需要考虑。在大多数业务中期预报模式中，通常使用独立的（standalone）大气模式并预设固定的海表温度（Sea Surface Temperature, SST）作为下边界条件。尽管欧洲中期天气预报中心（ECMWF）自2018年起在其综合预报系统中引入了大气-海洋耦合模式以改进台风预报，但耦合模式为何以及如何能提升对沿海天气过程（如BLJs）的预报能力，其具体物理机制尚不完全清楚。尤其是，仅靠大气模式或使用预设SST，难以准确模拟海岸带由强海气混合导致的剧烈SST日变化和陆海热力对比。
因此，本研究的主要目的是：1）评估并比较区域大气-海洋耦合模式与其独立大气模式在模拟华南沿海BLJs方面的表现差异；2）深入揭示耦合模式提升BLJs可预报性的核心物理机制，特别是理解全混合海气边界层（fully mixed air–sea boundary）如何通过影响陆海热力对比和惯性振荡来调控BLJs的发生发展；3）为改进业务数值天气预报模式在沿海地区的应用提供科学依据，论证实施大气-海洋耦合的必要性和有效性。
第三， 详细研究流程与方法 本研究设计严谨，流程清晰，主要包括数据与模式配置、BLJ事件识别、模拟结果验证、机制诊断分析等核心环节。其详细流程如下：
1. 模式组件与实验方案设计 研究采用了区域耦合海洋-大气模式（Regional coupled Ocean–Atmosphere Model，简称ROM）。ROM由三个核心组件通过OASIS3耦合器连接而成： * 区域大气模型（Regional Atmosphere Model, REMO）：作为大气分量，水平分辨率25公里，27个垂直层。 * 马克斯·普朗克研究所海洋模型（Max Planck Institute Ocean Model, MPIOM）：作为海洋分量，采用可变分辨率的曲线正交网格，在目标海域（南海）分辨率较高，垂直方向40层。 * 水文径流模型（Hydrological Discharge Model, HD）：用于模拟陆地淡水通量。
核心实验设计： * 耦合实验（ROM）：REMO与MPIOM-HD完全耦合运行。海表条件（SST、海冰等）每3小时由海洋模型传递给大气模型，大气模型计算的热量、淡水、动量通量也实时反馈给海洋。这模拟了完全混合的海气边界层。 * 非耦合实验（独立REMO）：作为控制实验，REMO单独运行，其下边界SST每6小时由再分析资料（ERA-Interim）预设，并在模式时间步长内线性插值。这代表了传统业务模式的典型设置。
两套实验使用相同的初始场（来自长时间spin-up后的状态）和相同的侧边界强迫（ERA-Interim再分析资料），模拟时段长达33年（1980-2012年），确保了统计结果的可靠性。主要对比区域（REMO域）覆盖了西太平洋及东亚CORDEX核心区，重点关注南海北部。
2. 边界层急流（BLJ）的识别标准 为客观识别BLJ事件，研究采用了基于风场垂直廓线的判别标准，具体包括： * 风速阈值：900 hPa以下最大风速需超过10 m s⁻¹。 * 风向：经向风分量需大于0（南风分量，v > 0 m s⁻¹），表明来自海洋的暖湿气流。 * 垂直结构：从边界层内最大风速高度到其上方的600 hPa高度，风速至少减弱3 m s⁻¹，以确保急流特征局限于边界层内。 该标准旨在排除高层急流干扰，精准捕捉低层、强盛的南风气流事件。
3. 排除热带气旋影响 为避免热带气旋活动对BLJ统计的混淆，研究开发了一套细致的过滤流程。首先，基于模式输出和再分析数据，使用一套综合标准（包括低层涡度、暖心结构、表面风速、环境斜压性等）自动识别热带气旋及其中心位置。其次，将每个被识别的热带气旋中心500公里半径范围内的所有网格点标记为受其影响区域。最后，在后续分析中，剔除了这些区域内发生的所有BLJ事件，确保了所研究的BLJ是与热带气旋无关的、更纯粹的海岸天气过程。对于ERA5再分析数据中的BLJ事件，则使用中国气象局（CMA）的历史最佳路径热带气旋资料进行同步剔除。
4. 验证数据与分析方法 为评估模式性能，研究使用了高精度的独立观测和再分析数据作为“真相”进行对比验证： * SST验证：使用热带降雨测量使命卫星微波成像仪（TRMM TMI） 反演的海表温度数据（1998-2012年）。该数据能穿透云层，更准确地捕捉SST的日变化和空间分布，用于验证模式模拟的SST平均值、标准差和方差。 * 大气场验证：使用ECMWF ERA5小时再分析数据集。该数据具有高时空分辨率（0.25°，每小时），被广泛用于BLJ研究，作为对比模式模拟的BLJ频率、风场、温度场等大气变量的基准。 * 分析方法：研究采用了合成分析、垂直剖面分析、风场偏差（偏离日平均的扰动）分析、惯性振荡矢端曲线图（Hodograph） 等多种诊断方法。特别关注了日变化特征，因为BLJ和相关的陆海风、惯性振荡过程具有显著的昼夜节律。通过计算每小时值与其日平均值的偏差，可以有效分离出由日变化驱动的年龄ostrophic flow（非地转风）信号。
第四， 主要研究结果 通过对33年模拟结果的深入分析和验证，研究得出了以下层次分明、逻辑严谨的核心结果：
1. BLJ的空间分布与频率：耦合模式表现更优 * 观测事实：ERA5再分析数据显示，在5-6月，南海北部存在两个BLJ高频区：一个位于北部湾（BLJ-West），另一个位于广东沿海外海（BLJ-East）。且“双急流日”（即同一天在两个区域均发生BLJ）占所有BLJ日的大多数（约52%）。 * 模式对比：独立REMO模式明显低估了BLJ的发生频率，在两个区域的模拟值均低于ERA5。而耦合ROM模式显著改善了这种低估，在BLJ-West区频率与ERA5接近，在BLJ-East区甚至略有高估。这表明，引入海气耦合后，模式再现BLJ事件的能力得到增强。
2. 海表温度（SST）模拟：耦合模式再现了更真实的日变化 * SST平均值：所有数据（TRMM， ROM， REMO， ERA5）均显示南海存在明显的SST梯度（广东外海较冷，菲律宾以西较暖）。尽管ROM和REMO都存在一定的系统性偏差，但ROM模拟的SST梯度比REMO更强。 * SST日变化标准差：这是衡量SST日变化强度的关键指标。TRMM观测显示，在北部湾和广东近海，SST日变化标准差较高。耦合ROM在这些关键区域模拟出的SST日变化标准差，与TRMM观测最为接近，显著优于使用预设SST的独立REMO模式。特别是在距离海岸约400公里的海域，ROM的SST方差最符合实际。这表明，完全耦合的海洋模型能够更真实地响应大气强迫，产生更符合观测的SST日循环。
3. 风场与温度场改进：耦合模式修正了陆面温度高估 * 风场概率分布：在BLJ区域，ROM模拟出高于9-10 m s⁻¹风速的概率显著高于REMO，且其分布与ERA5更为一致。这意味着耦合模式能产生更多、更强的低空急流事件。 * 日均风场与地表温度：对比日均场发现，REMO在BLJ日普遍高估了华南陆面的白天气温。而ROM有效地修正了这一偏差，降低了陆面温度，从而产生了更符合实际的、更弱的陆-海热力对比（因为海温变化更真实，陆温被调低）。相应地，ROM模拟的日均低层西南风也略强于REMO。
4. 核心物理机制的揭示：陆海热力对比与惯性振荡的“跷跷板”效应 这是本研究最深入、最精彩的发现。研究通过分析风场偏差（即日变化信号）和温度场偏差，揭示了耦合模式改进BLJ模拟的内在动力学过程： * 作用原理：BLJ的发生由大尺度（或行星尺度）陆海风环流（由日间陆海加热差异驱动）和惯性振荡（由日落后的湍流抑制引起，使风矢量在北半球顺时针旋转）共同触发。这两者之间存在一种 “跷跷板”关系（see-saw relationship）：日间强烈的陆海热力对比会压制惯性振荡的强度；反之，较弱的陆海热力对比则有利于更显著的惯性振荡发展。 * 耦合模式的效应： * 降低陆海热力对比：由于强海气混合，ROM中白天大气向海洋传递能量（冷却近地层大气，加热上层海洋），夜间海洋向大气释放能量。这一过程平抑了边界层气温的日变化幅度，使得ROM中的陆海热力对比在白天和夜间均弱于REMO。 * 增强惯性振荡：更弱的陆海热力对比，为惯性振荡的充分发展“松绑”。矢端曲线图清晰地显示，ROM与REMO在风场偏差日变化上的差异，表现为一个明显的顺时针旋转，这正是ROM中惯性振荡更加强盛的直观证据。 * 引导急流风向：关键的惯性振荡，能够使午后北部湾上空的东北向偏差气流（由局地海风环流引起）和夜间广东沿海的东向偏差气流（由行星尺度海风环流引起），逐渐旋转至西南方向。而这个西南方向，恰恰是BLJ日最大风速（即急流轴）的主导方向。因此，更强的惯性振荡有效地将日变化的能量“输送”并“对齐”到急流的方向上，最终在ROM中产生了更强盛的西南风低空急流。
5. 垂直结构验证 通过合成垂直剖面分析进一步证实，ROM主要在950-800 hPa的边界层内显著修正了REMO高估的气温。这种对边界层热力结构的优化，是上述地表和低层过程改善的直接原因。
第五， 结论与价值 本研究得出明确结论：在区域数值天气预报中引入大气-海洋耦合，通过模拟更真实的完全混合海气边界层，能够有效提升对华南沿海边界层急流（BLJs）的可预报性。 其核心机制在于：耦合模型产生了更合理的海表温度日变化和更弱的陆海热力对比，从而激发了更强劲的惯性振荡。该惯性振荡通过引导日变化的年龄ostrophic flow，最终加强了西南方向的低空急流。
研究的科学价值在于：深化了对全混合海气边界层如何影响海岸天气过程的理解，将传统上关注大尺度海温异常的视角，延伸到了对日尺度海气精细相互作用及其动力反馈的认识。 它清晰地展示了即使对于预报时效较短的中期天气过程，忽略海气耦合（尤其是对SST日变化的反馈）也会导致关键天气系统（如BLJ）的模拟偏差。
研究的应用价值非常直接：为全球和区域业务数值天气预报中心改进其模式系统提供了强有力的证据和理论支持。研究结果表明，为了更准确地预报沿海地区的强降水等灾害性天气，有必要在业务模式中实施大气-海洋耦合，特别是在海岸带区域。这项工作为改进ECMWF、CMA等机构的模式配置提供了来自中国沿海地区的具体案例和机理分析。
第六， 研究亮点 1. 研究对象的聚焦性与重要性：精准聚焦于沿海边界层急流（BLJ） 这一连接海气相互作用与强降水的关键“桥梁”天气系统，选题具有明确的预报需求和科学意义。 2. 实验设计的严谨性与对比性：设计了长达33年的、具有完全相同初始场和侧边界条件的耦合（ROM）与非耦合（REMO）对比实验，确保了差异 solely attributed to the coupling effect，结论可靠。 3. 机制揭示的深入性与清晰性：不仅证明了耦合模式更好，更重要的是层层递进、逻辑清晰地揭示了其“如何”更好。通过“陆海热力对比-惯性振荡跷跷板-偏差风旋转对齐急流轴”这一完整的动力链条，将复杂的海气耦合效应归结为一个清晰、可理解的物理图像，这是本研究的最大亮点。 4. 方法组合的综合性：综合运用了长期气候模拟、高分辨率观测验证、合成分析、偏差场分析、矢端曲线图、垂直剖面诊断等多种方法，从统计特征到个例过程，从水平分布到垂直结构，进行了全方位、多角度的论证。 5. 对业务预报的明确指导意义：研究结论并非停留在学术层面，而是直接指向了当前业务数值天气预报模式的一个潜在缺陷和改进方向，具有明确的实践指导价值。
第七， 其他有价值内容 研究还体现了高质量科研工作的其他特点： * 数据与代码的开放性：作者声明将研究数据存储在Zenodo平台，并提供了TRMM、ERA5、CMA热带气旋最佳路径等公开数据的获取来源，符合可重复科研的原则。 * 对复杂性的处理：研究意识到了地形、水力学跳跃等其他因素也可能影响沿海BLJ，并在结论部分坦诚指出本研究集中于主要机制，未来工作需要探讨BLJ与降水的更直接联系，体现了研究的边界意识和未来展望。 * 国际合作：本研究是中、德、俄、西四国多个顶尖研究机构合作的成果，整合了不同团队在区域气候模式发展、海洋建模、资料分析等方面的专长，是国际合作的典范。