本文属于类型a，即单项原创研究的学术报告。以下是对该研究的详细中文报告。

本研究由赵中阔、毕雪岩、Jimy Dudhia、罗亚丽、宋金宝、宋清涛、吴乃庚等人合作完成。第一作者赵中阔与通讯作者毕雪岩来自中国气象局广州热带海洋气象研究所，Jimy Dudhia来自美国国家大气研究中心，罗亚丽来自中国气象科学研究院，宋金宝来自浙江大学海洋学院，宋清涛来自国家卫星海洋应用中心，吴乃庚来自广州热带海洋气象研究所。该研究于2021年11月8日在线发表在《Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society》上，2022年正式刊出于该期刊第148卷第742期，页码为159至168页，数字对象唯一标识符（doi）为10.1002/qj.4197。

该研究属于海气相互作用与海洋大气边界层（marine atmospheric boundary layer, MABL）动力学领域。中尺度（10–100公里）和亚中尺度（0.1–10公里）海表温度（sea surface temperature, SST）结构与海面风场存在正相关，这种海表温度锋面能够显著影响海洋大气边界层的动力和热力结构，进而影响沿岸降水。以往研究大多集中在中纬度海表温度锋面在大气边界层中的强迫作用，并且通常只考虑背景风与锋面垂直（cross-frontal）或平行（along-frontal）的单一情形。然而实际大气中背景风往往同时具有跨锋和沿锋两个分量，而低纬度（20°N）条件下这种更为普遍的情形研究较少。因此，本文通过理想数值试验，研究低纬度中尺度海表温度锋面在不同背景风条件下对大气边界层的强迫过程和机制，重点分析跨锋和沿锋背景风分量同时存在时边界层响应特征。

在数值试验设置方面，研究使用天气研究与预报（Weather Research and Forecasting, WRF）模式4.0版本，在x–z平面上进行二维理想模拟，水平格点数为300个，格距4公里，垂直方向88层，其中低层2公里内有40层。采用f平面近似，科里奥利参数f取5×10⁻⁵ s⁻¹，对应20°N纬度。当背景风具有跨锋分量时，东西方向边界采用辐射边界条件以允许重力波向外传播，南北方向边界采用周期性条件。近地面层和边界层均采用YSU参数化方案，模式中关闭云、辐射和湿度过程，浮力频率N设为0.01 s⁻¹。海表温度锋面采用固定中尺度锋面形式，函数为T(x) = T₀ − 0.5·δT·tanh[(x − x₀)/L]，其中δT为3°C，代表锋面两侧海温变化幅度，锋面宽度参数L为100公里，锋面水平尺度约为200公里，锋面中心位置x₀为600公里。研究所分析的主要为模式积分48小时后的输出结果，此时模式已接近准稳态。

在模拟结果分析中，研究首先分析了大气边界层整体结构。以背景风跨锋分量u = 5 m·s⁻¹、沿锋分量v = 10 m·s⁻¹为例，边界层高度在锋面两侧发生显著变化，从暖水侧的约1500米骤降至冷水侧的约250米。这主要是因为锋面上游边界层处于不稳定状态，而下游处于稳定状态，浮力湍流的减弱主导了边界层高度的跨锋变化。同时，水平风场发生显著改变：在边界层内，跨锋风在锋面下游受到明显抑制，而经向风则增强，在边界层顶部附近出现类似急流的结构，最大经向风速可达12.5 m·s⁻¹，超地转幅度达25%。在边界层以上，纬向风加速而经向风减速。位温在锋面上方约1500米高度处出现波状起伏，并与纬向风扰动存在相位差。相比之下，当沿锋背景风分量反转为v = −10 m·s⁻¹时，边界层高度整体较低，锋面上游约620米，下游约155米；边界层内纬向风出现辐散，与v为正时相反。纬向风和位温在边界层以上不再具有波状结构，经向风在近地面附近明显受阻。

研究进一步通过埃克曼（Ekman）速度分析了水平风场变化的原因。在u = 5 m·s⁻¹、v = 10 m·s⁻¹条件下，纬向埃克曼速度（ue = −(1/f)·∂(v′w′)/∂z）与背景纬向风方向相反，并且在冷水侧由于边界层高度降低导致风应力垂直梯度增强而得到加强。结合冷水侧垂直混合减弱引起的边界层风速减小，锋面下游边界层内整体纬向风被显著抑制，而锋面上游纬向风相对较大，从而在锋面上方形成辐合，触发上升运动，即埃克曼输送和埃克曼抽吸。在经向方向，经向埃克曼速度（ve = (1/f)·∂(u′w′)/∂z）与背景经向风同向，因此经向风仅在近地面锋面中心附近略有减弱，而在边界层顶部附近显著增强，增强率超过20%，接近超地转状态。当背景经向风反转为负值时，纬向埃克曼速度与背景纬向风同向，不利于锋面上方辐合带的形成；经向埃克曼速度与背景经向风反向，不利于边界层顶部经向风的加速。

在垂直运动响应方面，u = 5 m·s⁻¹、v = 10 m·s⁻¹条件下，锋面上方垂直速度场呈现驻波状结构并向自由大气深处传播。按照山地波理论，锋面尺度L为200公里，大于u/f，垂直响应应该是衰减的，这与模拟结果不符。研究通过系列数值试验发现，当仅有跨锋背景风u = 5 m·s⁻¹时，垂直响应随高度快速衰减，衰减垂直尺度为罗斯贝高度fL/N，与Kilpatrick等人的结果相似。保持纬向风u = 5 m·s⁻¹不变，随着正经向风增大，锋面上方出现向上传播波动的临界经向风约为v = 5 m·s⁻¹；而当经向风为负值时，即使达到v = −10 m·s⁻¹，垂直速度仍然随高度快速衰减。此外，u = 5 m·s⁻¹、v = 10 m·s⁻¹条件下的最大垂直速度可达10 mm·s⁻¹，而u = 15 m·s⁻¹、v = 0条件下的最大垂直速度约为7 mm·s⁻¹，说明两个风分量的组合能更有效地激发垂直运动。垂直速度与位温扰动之间存在约四分之一波长的相位延迟，这是重力波的典型特征，因此可以判断该波状结构属于惯性重力波（inertia–gravity waves）。在x = 620公里处，2公里以下水平风速扰动矢量随高度和时间呈顺时针旋转，也符合惯性重力波特征。通过计算得到该惯性重力波的水平波长约为124公里，垂直波长约为3公里，根据线性重力波频散关系计算得到固有水平波速约为−4.9 m·s⁻¹，与背景纬向风u = 5 m·s⁻¹近似抵消，因此表现为驻波。

在动量收支分析中，研究对纬向动量方程各项进行了诊断。在准稳态边界层中，纬向风趋势应近似为零。在u = 5 m·s⁻¹、v = 10 m·s⁻¹条件下，在锋面上游和下游约100公里处，471米高度和41米高度的动量收支均表现为科里奥利力、气压梯度力和湍流应力之间的埃克曼平衡。靠近锋面时，气压梯度力和平流项逐渐显著，但直到锋面正上方之前，四项动量项仍保持近似平衡。而在锋面正上方，动量趋势之和显著不为零，出现明显的埃克曼平衡偏离。具体而言，在471米高度，湍流应力减弱并变号，科里奥利项增强，气压梯度力项先增后减呈波状结构，平流项在锋面上方迅速变化，是控制动量不平衡的主要因子。在41米高度，科里奥利力、气压梯度力和湍流应力的变化均显著但与471米高度相反。观测和数值模拟表明，大气急流和锋面等非平衡区域可以激发惯性重力波，本文的模拟结果也显示海洋中尺度海表温度锋面引起的动量不平衡区域与惯性重力波区域具有良好的对应关系。相对比，当沿锋背景风分量为v = −10 m·s⁻¹时，即使在锋面正上方，平流项和摩擦项发生突变，两个高度上的动量收支仍处于平衡状态。

研究的主要结论是：低纬度中尺度海表温度锋面强迫下的海气边界层过程对背景风的风速大小和相对于锋面的方向非常敏感。当沿锋背景风引起的埃克曼输送辐合与跨锋背景风引起的辐合相互增强时，锋面正上方会出现显著的动量不平衡，激发惯性重力波并向自由大气深处传播。这种情况下，虽然不满足山地波产生的条件，即所谓的跨锋罗斯贝数（cross-front Rossby number）为O(1)，但埃克曼输送可以在锋面上方引起显著的动量不平衡。相反，当两种辐合辐散相互抵消时，锋面上方的动量接近平衡，所激发的垂直速度扰动随高度快速衰减。此外，沿锋风分量引起的异常涡度也会促进或抑制锋面上方的垂直运动：当v = 10 m·s⁻¹时，锋面上方出现正异常涡度，增强上升运动；当v = −10 m·s⁻¹时，负异常涡度抑制上升运动。

该研究的科学价值在于推进了以往仅考虑跨锋或沿锋单一风分量的研究，揭示了低纬度条件下两者同时存在时边界层与自由大气之间的通讯机制。在应用价值方面，该研究对华南沿岸暖区暴雨预报具有参考意义。华南前汛期暖区暴雨常与低层或边界层急流有关，但统计研究显示超过70%的降水日低层风场虽呈急流状但并不满足低空急流的严格定义。本文的模拟结果表明，在海表温度锋面强迫下，海气边界层气流减速并辐合，而边界层以上气流辐散，同时在边界层以上伴随着类似急流结构的出现。这说明低空急流的存在可能不是降水的必要条件，而是边界层辐合的伴随现象。因此，引入更真实的海表温度、风场以及海表温度锋面与背景风的相对取向，有望改进华南沿岸边界层辐合带和相应低空急流的预报，从而部分改善暖区强降水预报问题。

本研究的亮点包括：首先，研究对象为低纬度（20°N）中尺度海表温度锋面，弥补了以往中纬度研究为主、低纬度研究较少的不足；其次，研究系统地考虑了背景风同时具有跨锋和沿锋分量的情形，更接近真实大气条件；第三，通过纬向动量收支分析揭示了锋面正上方动量不平衡与惯性重力波激发之间的对应关系；第四，将埃克曼输送引起的辐合辐散与背景风辐合辐散的构造或破坏作用明确联系起来，为理解边界层与自由大气相互作用提供了清晰的物理解释。此外，研究将理想模拟结果与华南暖区降水统计特征相联系，为实际天气预报改进提供了可能的机制解释和应用方向。