海洋—大气相互作用中，海洋影响大气的主要过程是通过海气界面热通量来完成的；而这一过程与海表面温度的空间与时间变化直接相关。目前，海洋影响气候年际变化最显著的异常信号ENSO（El Niño-Southern Oscillation）也是以热带东中太平洋海温的发生变化为主要标志。观测研究表明，就年平均而言，北太平洋黑潮和北大西洋湾流及其延伸体海域是海面湍流热通量（感热加潜热）最大的海域, 特别是在北半球的2月最明显^[1]。这表明，北太平洋黑潮和北大西洋湾流及其延伸体海域是海洋向大气释放热量和水汽最多的海域，由于缺少海上的现场观测，这些海面释放的热量和水汽如何影响大气一直是重要但没有解决的科学问题。

黑潮延伸体海域不仅是全球海洋向大气加热的关键海区，也是海洋涡旋出现最频繁的海域之一。海洋涡旋是指具有O(10~100 km)空间尺度的海洋动力学现象。因其具有大气中天气尺度运动所具备的动力学特征（准地转），所以也被称为“海洋天气”或被人们称为“海洋中等尺度涡”（简称“海洋中尺度涡”）。相比大气中被称为天气系统的气旋和反气旋（水平尺度超过1 000 km）。这样一种水平尺度较小（远小于大气的Rossby变形半径）的海洋涡旋是否影响海表面温度（Sea Surface Temperature,SST)，进而影响大气一直是被人们所忽略的科学问题。大气的地转适应理论指出：对于水平尺度小于大气Rossby变形半径（约3 000 km）的非地转扰动，风场是主导的，气压场向风场调整^[2,3]。因此，如果海洋涡旋尺度SST异常可能影响海面风，气压场要向风场去适应，海洋涡旋上空的大气一定会受到影响。但是，在解决该问题时遇到的最大困难是既缺少观测海洋涡旋的数据，又缺少观测大气的数据。

20世纪80年代以后，卫星遥感技术和时空高分辨率海洋大气耦合模式的高速发展，以及Argo观测网的建立都为解决该难题提供了可能的途径。对高分辨率卫星观测的SST和海面风资料的分析证实：在中纬度海域的海洋SST锋和海洋涡旋尺度上，往往在暖的海表温度上空出现海面风速加强的现象；这是暖的海表温度上空大气的湍流加强，将高空动量下传的结果，被称为垂直混合机制^[4]，这时会出现SST与海面风的时间序列呈正相关的现象，该现象表明中纬度海洋的变化可以影响到大气^[5,6,7]。该发现完全改变了长期以来人们对中纬度海洋—大气相互作用的认识。人们认识到在海盆尺度气候平均海面风与SST的时间序列呈现负相关，表现为大气影响海洋；而在百公里以下天气尺度上SST与海面风的时间序列呈现正相关，表现为海洋影响大气。该现象也在高分辨率海气耦合的数值模式中被发现^[8]，SST与海面风的时间序列的正相关在强海洋锋面和涡旋区域特别明显^[9]。接下来的问题就是：海洋涡旋能导致海面风异常，在多大程度上影响高空大气？

Ma等^[10,11]用高分辨率的区域海气耦合模式研究了黑潮延伸体海域海洋涡旋尺度的SST异常对大气的影响，发现该海域海洋涡旋尺度的SST异常会对大气的水汽和潜热释放有增强作用，大气中水汽的增加更多地受到暖涡的影响；同时，高分辨率大气模式的数值试验也表明：大气对中尺度SST异常的响应还与大气中是否出现风暴有关；如果忽略了海洋涡旋导致的SST异常，就使得大气有效位能向动能的转化减少70%，证实了中尺度SST异常激发的非绝热过程对气旋生成的重要作用。Foussard等^[12]使用理想实验进一步表明海洋涡旋尺度的SST异常会导致急流和风暴轴极向位移。以上研究不仅证实了黑潮延伸体海域海洋涡旋可以影响自由大气，而且指出了海洋涡旋主要是通过改变水汽以及潜热释放来影响大气风暴的强度和位置。

直径小于几百公里的海洋涡旋对大气的影响如果只限于大气边界层的话，该影响会被大气边界层中的强耗散所抑制。只有当海洋涡旋能导致局地大气的强对流，并在对流层中水汽凝结释放潜热成为自由大气的一个加热源时，自由大气才能将该水平尺度百公里的热源扰动通过地转适应过程和能量串级影响到直径为上千公里的大气气旋或反气旋。因此，需要解决的一个重要科学问题是：在什么条件下海洋涡旋对大气影响可以到达对流层，并在对流层中形成新的热源？

依据大气动力学的原理，我们可以猜测出如果海洋涡旋的存在能导致海面风的强辐合及对应的上升运动，同时还能为冬季干冷的背景风提供足够的潜热（水汽），冬季黑潮延伸体海域海洋涡旋就可能导致局地大气中出现强对流。

本文依据已发表论文得出的结果，从两次现场观测资料的比对分析，卫星观测和再分析资料合成结果的比对分析，以及数值模式对物理机制的验证研究几个方面来归纳推测海洋涡旋导致局地自由大气中出现强对流现象的物理本质。

长期以来人们对海上大气的认识是建立在航船定时海面观测和海面有限浮标观测资料的基础上的，缺乏对海洋上空大气的精细观测。Tokinaga等^[13]基于2003—2004年冬季对黑潮延伸体海域进行的两次海上船测（探空）大气的研究表明,当海气温差增加7 °C或表面湍流热通量为500 W/m²时,海洋大气边界层高度可以增加1 km。众所周知，冬季黑潮延伸体海域盛行干冷的西风，但天气系统活跃。若海洋涡旋上空正处在不稳定大气锋面系统中，很难从探空资料中分离出强的上升运动中哪一部分是作为下垫面海洋涡旋导致的，哪一部分是天气过程本身就具备的。因此，我们挑选了2次背景大气层结稳定，且海面还有海洋涡旋形成的SST异常分布的观测来比较，从而探索海洋涡旋影响局地大气强对流的物理机制。

依据2014年4月8～9日东方红二号科考船在黑潮延伸体区域跨过一个冷涡走航观测获得的探空数据，发现了从暖水面到冷水面航行过程中对流积云的发展^[14];2016年4月13日东方红二号科考船在黑潮延伸体区域走航观测又探测到位于大气高压脊中心的一个海面400 km的暖涡上空，边界层内层积云迅速发展过程，但却没有发现大气中的强对流^[15]。这两次观测结果与前人提出该海域暖涡对局地次级环流的影响程度要超过冷涡的结论不一致^[16,17]，因此，有必要对这两次观测结果做进一步的对比分析。

从观测时段的SST对比而言，尽管2014年探空观测跨过的是一个冷涡，但是冷涡西偏北侧有一个暖涡，观测的航线穿过强的SST锋面（3.3 ℃/20 km）^[14]；而对应2016年探空观测海域的下垫面的最大SST水平梯度只有0.4 ℃/20 km^[15];尽管2次观测涡旋的高空（700 hPa）都是偏西风，但2014年的观测地点位于高空弱低压槽影响下比较平直的偏西—西北风中^[14]，这种中纬度移动性短波槽的移速为10°~15°/d(经度)，对大气有比较强的平流作用；不同于2014年，2016年4月12~13日整个暖涡被移动缓慢的海上大尺度高压控制，暖涡是位于高空高压脊脊线附近和海面高压中心^[15]，平流作用弱。

为什么都是在大气层结较稳定的背景下，但是两次大气对海洋涡旋的响应有明显的差异？下面我们重点对比一下探空观测结果（图1,2）。2014年4月8日边界层上空的自由大气一直是西风，但是在冷涡西侧的暖水上空（A1~A2），特别是A2观测点从海面到3 000 m高度的西风风速几乎一样（图1a），这表明在暖水上空大气已经充分垂直混合，且海面风速比较大（约15 m/s）；而在位于冷水区的A3~A4观测点海面西风迅速减弱，探测到对应海平面气压场的逐步上升，1 000 m以下边界层的风转为弱的东风（A4~A10）,大气模式的数值实验表明该海面的东风是大气对冷涡响应的结果^[14]；与边界层风速和风向变化相对应的是A4~A5观测点云底高度在500~2 500 m剧烈变化，相对湿度的最大值也出现在高空2 000 m以上^[14]；这表明，在A4~A5观测点出现高空的强对流和凝结加热现象，该现象对应海面有强辐合，且与暖水上空的垂直湍流混合有关。由于2014年观测大部分时间是在冷涡上空，整个观测过程中的海面感热是零或负值，大气被冷涡所冷却，大气的层结应该更稳定；但是由于船进入冷涡前海面较强的西风和进入冷涡后海面风的减速并转向，边界层内海面风的强辐合，再加上在暖水区（A1~A2）海面因风速强，潜热通量高达100 W/m²,边界层大气中获得了充足的水汽，抬升凝结后形成高空积云，这就是在冷涡西侧（SST锋面）大气形成强对流的物理本质^[14]。

再来分析2016年船舶观测结果,由于从4月12~13日背景大气海面高压脊系统几乎没有移动（图2），海面风速2~4 m/s，暖涡上空的海表气温一直小于SST，感热一直为正，最大值高达100 W/m²，潜热也一直保持在100~300 W/m²（图2d）。在暖涡中心大气边界层内出现了明显的上升运动，将水汽带到边界层顶部，增加了空气的相对湿度(图2a)；但是在背景大气高压脊系统的控制下，边界层顶一直保持在1 500 m以下，该暖涡与背景大气在4月12~13日几乎没有相对运动，暖涡上空边界层大气可能在一天内已经完成了气压场向风场调整的过程，出现了在海表面形成较强的热强迫导致的低压异常，这一点从船测的海平面气压场可以看出：本来船在自西向东航向过程中，海平面气压场是应该逐步上升的，但却在4月12日20时开始下降一直到观测结束（图2e）。对应大气模式的数值试验表明，观测后期的海平面气压降低是大气对暖涡的响应，在暖涡中心有上升分支,在暖涡的上风和下风向分别存在较弱的下沉分支^[15]。

这两次船测的海洋与大气状况的对比表明，导致2014年在冷涡西侧强对流上升运动的主要原因是：在快速移动的短波槽影响下，平流作用强，观测期间背景风跨越强SST锋时大气对冷涡西侧暖水的响应是垂直混合机制为主，边界层中出现垂直切变很小的强西风； 冷涡上空的海面风为东风；因此强西风与东风之间形成了强的海面风辐合，并从暖水面吸收了大量的水汽，为大气边界层中水汽凝结放热，进一步产生强对流创造了条件。导致2016年的暖涡上空没有出现强对流的主要原因是：观测期间背景海面高压脊系统几乎没有移动，平流作用弱，大气边界层对暖涡的响应以气压调整为主，暖涡在大气边界层内形成的低压辐合上升运动一直被背景大气高压脊系统压制，只能将暖涡提供的水汽在边界层顶以下凝结，起到整体抬高边界层的作用。

利用卫星观测资料和再分析资料，开展多涡旋合成的研究可以在一定程度上消除随机天气过程本身的作用，提取海洋涡旋对大气的影响。利用Nencioli等^[18]提出的流场几何学涡旋检测方法，通过对黑潮延伸体海域4年（2006—2009年）35 000个海洋涡旋的合成分析研究，Ma等^[16]提出了该海域海洋暖（冷）涡可以通过垂直对流机制加（减）速海面风，并增加（减少）海面湍流、云水和降水率；在顺风向涡旋边界会出现海表面风的辐合辐散；海表面湍流热通量在涡旋核心区调整最大；同时给出了海洋涡旋通过调整海表面风，通过动力作用驱动大气次级环流的结果，即在涡旋边界的海表面风辐合辐散因质量补偿诱发对应的垂直运动，进而诱发次级环流；文中也给出热通量对大气边界层影响的证据，并指出该影响可以突破边界层，影响自由大气。虽然Ma等^[16]的研究是包含春夏秋冬4个季节的合成结果，但是由于黑潮延伸体海区海洋涡旋对大气的影响在冬季最明显，因此，上述结果基本反映了冬季大多数涡旋影响大气的共同特征。Ma等^[19]又进一步分析了黑潮延伸体海区海洋涡旋对大气影响的季节变化，他们发现海洋涡旋对大气的影响在冬春达到最大，夏秋要弱得多。

利用Chelton等^[20]提出的混合型涡旋探测方案，陈隆京等^[17,21]进一步研究发现了冬季黑潮延伸体海域，海洋涡旋既可以通过垂直混合机制，又可以通过压力调整机制影响大气；冬季黑潮延伸体海域60%的海洋涡旋对大气影响机制以垂直混合机制为主：表现为在暖（冷）涡上空海面风增（减）速，在暖涡一侧形成海面风辐合和对应的大气次级环流可以到达对流层；10%的海洋涡旋对大气的影响是以气压调整机制为主：表现为在暖（冷）SST中心为低（高）气压和海面风辐合（散）中心，对应的大气次级环流基本上在700 hPa以下^[17]。为什么以垂直混合机制为主的大气响应占多数？对照前面谈到观测的例子，我们可以推测因为冬春季黑潮延伸体海域天气系统向东移动速度快，低空大气平流作用明显，在大多数情况下，海洋涡旋对大气的影响没有时间完成地转调整过程，所以，卫星资料看到的大部分瞬间是海表温度异常导致的边界层湍流混合加强或减弱现象。Chen等^[17]还指出了垂直混合型大气对海洋涡旋响应，海表面风在沿背景风向海洋涡旋边缘形成偶极子型的散度分布，海表面风的调整进而会驱动大气的次级环流（图3）；在10%的卫星观测样本中，可以看到已经完成气压向风的压力调整过程，在海洋涡旋内部，靠近核心的位置形成单极型海表面风的散度分布，同时伴有海表面压力异常的相似空间分布^[17]。依据卫星观测资料和再分析资料，针对为什么暖涡对大气的影响强于冷涡这个问题，揭示了海洋涡旋诱生的大气次级环流，能够突破边界层达到自由大气的物理机制：以垂直混合机制影响大气的暖涡，其上空海表面风会加速；大气在暖涡上风向辐散下沉，下风向会辐合上升；暖涡下风向充沛的水汽会向上输送，在抬升的过程中会释放凝结潜热，进而加强大气的上升运动，使其在平均状态下可以达到500 hPa对流层。相比之下，冷涡因为缺乏这样的水汽抬升机制，其上空的大气次级环流强度较弱，垂直上升也只能达到700 hPa(图3)。对应已经完成气压向风的压力调整过程的情况下，暖涡与冷涡的作用基本上对称，对应的大气垂直方向上的次级环流，也基本上出现在700 hPa以下（图4）。

上述合成研究尽管所用资料不同，时间不同，但是共同一致的结果就是发现了通过垂直混合机制影响大气的涡旋更容易在暖涡旋的背景风下游一侧形成强的辐合上升，在这种情形下暖水面也会为干冷的大气提供较充足的水汽，以保证辐合上升过程中水汽的凝结加热。

无论是依据船测探空资料还是依据卫星观测资料都指出，如果大气对海洋涡旋的响应是以垂直混合机制为主，暖水面上空的湍流混合就会将高空背景强风的动量下传而海面风加强，进一步导致海面风在暖水的背景风下游一侧强辐合及对应强的上升运动，同时还能为冬季干冷的背景风提供足够的潜热（水汽）。如果是气压调整机制为主的大气响应，则海洋涡旋尺度的暖水面异常导致的大气对流可能只限于大气边界层。

但是，什么时候冬季黑潮延伸体海域海洋涡旋对大气的影响是以垂直混合为主，而不是以气压调整为主？2014年和2016年4月的2个船测探空资料对比分析给我们提供了重要信息：大气移动速度在决定海洋涡旋是否能影响自由大气的凝结加热中起重要作用。这是因为，对于水平尺度小于大气Rossby变形半径的海面风非地转扰动，风场是主导因素，气压场向风场调整是需要时间的，在平流作用强的条件下，气压场来不及调整，大气内部天气系统（如中纬度短波槽脊）已经发生变化；若大气响应是以气压调整机制为主的话，需要海面温度异常持续作用大气几个小时以上，对应移动更慢的背景天气系统。为了证实上述猜想，高分辨率大气模式的数值试验可以达到这个目的。使用WRF模式进行理想化数值试验的结果表明,冷(暖)涡导致海平面气压增加(减少),并减少(增加)了潜热和显热通量、表面风速、海洋大气边界层高度和大气的可降水量;而且指出背景大气平流的强度会在大气对中尺度涡旋的响应过程中产生影响^[22]。通过以下2组数值试验（图5），验证了背景大气的移动速度和水汽含量这两个条件对暖涡导致的大气次级环流的影响^[23]:干空气的一组试验表明弱背景风（0.5 m/s）条件下（可以理解为大气运动缓慢），通过5~6个小时气压场完成了对非地转扰动风场的调整，并导致暖涡中心低压异常和很弱（0.002 m/s）的上升运动，该上升运动被限制在低空（900 hPa以下）；但强背景风（15 m/s）条件下异常低压中心出现在暖涡背景风下游一侧，对应出现大于0.008 m/s的上升运动^[23]。这组试验证明了强的背景风速有利于大气对暖涡的响应，且以垂直混合机制为主；同时也证明了，不考虑水汽凝结的加热作用，以垂直混合机制为主对应的上升运动速度也远大于气压调整机制导致的上升速度；但是，没有水汽凝结的加热作用，即使是垂直混合机制为主的大气响应中也不太会出现强对流^[23]。

湿空气数值试验证明：弱背景风（0.5 m/s）条件下虽然在6小时后大气900 hPa以下出现垂直速度和水汽的抬升，但由于量很小，直到10个小时还没有大气中的凝结加热和对应的降水^[23]；也就是说，弱背景风的情况下，冬季大气的响应以气压调整为主，基本上不会出现高达对流层的强对流。相反，强背景风（15 m/s）条件下，从6个小时后大气的响应中就在暖涡背景风下游一侧出现了越来越强的垂直运动，这证明了水汽凝结与海面辐合导致的垂直运动之间存在正反馈作用；在积分12个小时内垂直运动速度就超过了0.016 m/s，是干空气同条件实验结果的1倍以上，且强的垂直运动出现在850 hPa以上的高空(图5b)^[21]。

强背景风条件下，暖涡导致的水汽凝结与垂直运动之间的正反馈作用，在用高分辨率的海气耦合模式对北太平洋海域气旋的数值模拟中非常明显^[24]。通过比较在控制试验以及滤波试验中的151个气旋发现：海洋涡旋导致的海表面温度异常的存在可以使得在气旋生成时，海洋向大气提供的水汽达到几乎“翻倍”的效果，并导致当气旋生成于黑潮延伸体海区的时候，大气中的非绝热加热的释放增多，垂直方向上对水汽的输送也更强，大气中涡旋位能向涡旋运动能的能量转换也增强，为风暴的增强提供强有力的支持，使得中纬度气旋快速生长^[24]。

总而言之，数值模拟和数值试验的结果，进一步证实在背景大气移动很慢，高空风速小的情况下，冬季大气的响应以气压调整为主，基本上不会出现高达对流层的强对流。相反，在背景大气移动速度快的情况下，海洋涡旋对局地大气的影响会在暖水的背景风下游一侧形成辐合上升，该上升运动将大气从通过暖涡获得的水汽抬升，在边界层凝结加热，进一步促进了边界层中的辐合上升运动，可能将导致强对流，进而影响对流层。

我们依据最近几年发表的论文，归纳总结出冬季黑潮延伸体海域海洋涡旋导致局地大气中出现强对流现象的物理本质。已有的研究尽管所依据的资料不同，时间不同，方法不同，但是具有一致的结果：如果海洋涡旋导致的SST异常上空的大气系统移动速度较慢，冬季黑潮延伸体海域涡旋导致强对流的可能性较小；如果相对海洋涡旋大气系统移动较快，海洋涡旋通过垂直混合机制影响大气，更容易在暖涡旋的背景风下游一侧形成强的辐合上升，在这种情形下暖水面也会为干冷的大气提供较充足的水汽，以保证辐合上升过程中水汽的凝结加热；在边界层中水汽的凝结加热与辐合上升运动之间的正反馈作用下，暖涡的背景风下游一侧容易出现高达对流层的强对流现象。

上述3种研究方法各自都有一定的缺陷：①船测资料成本太高，数量太少，只能看到个例；②针对卫星资料与再分析资料研究中很难消除资料本身的误差；③高分辨率的大气模式无法反过来刻画大气对海洋的作用。因此，希望通过本文的综述，不仅能找到已研究成果共同证实的科学问题，还能在以后的研究中，加强上述3种方法的相互印证工作。

相对陆地而言，占地球表面70%的海洋上空的观测很少，海洋上空的天气动力学是否会因海上独特的性质而具备新的动力学特征，需要我们进一步去发现，特别是在业务化高分辨率的海洋预报模式的资料同化中正确地将观测的海洋涡旋与大气相互作用过程刻画出来，也是一个关系到海洋环境预报准确率的重要问题^[25,26]。另外，本文指出的中尺度涡的SST异常可以通过改变水汽以及潜热释放来影响自由大气，该过程引起的大气响应是否能与吕宋海峡附近的黑潮甩涡导致的向南海输送的大量热而咸的黑潮水^[27,28]对大气的作用一个量级，是否能与南海盐度变化对大气的影响^[29]相提并论是今后值得研究的问题。值得庆幸的是大洋调查在我国正在迅速地发展，本文中提到的现场观测成果就是借助我国开展的海洋调查项目完成的。我们相信，通过将现场观测，卫星观测与数值模式研究相结合，会极大地丰富大气动力学和气候动力学的理论，对提高天气和气候预测水平起到推动作用。