海洋亚中尺度锋面如何强化风暴，非绝热加热和降水洞察
在沿海地区，海洋与大气之间的相互作用是天气系统的基本驱动因素之一，最近的一项研究重点探讨了海洋亚中尺度锋面的作用，研究调查了亚中尺度锋面如何促进风暴中的潜热释放，从而增加风暴的强度和降水量，揭示了这些相互作用中新的复杂层面。
洋锋面是海洋中温度、盐度等性质发生剧烈变化的区域，通常伴随着强烈的海表温度梯度，将不同性质的水体分隔开来，同时也显著显著改变了海洋大气边界层的结构。
海洋亚中尺度与热传输的关系
在2018年院喷气推进实验室发表在《Nature》上的一项研究中，研究人员通过高分辨率模型探讨了海洋亚中尺度运动与热传输的关系，这也是首次在全球范围内量化亚中尺度热量传输，填补这一领域的空白。
研究发现，在海洋上层，亚中尺度湍流产生了系统性的向上热量传输，在冬季中纬度地区，亚中尺度热量传输在全球范围内普遍存在，平均值可达100 W/m²，峰值甚至达到500~1000 W/m²。亚中尺度热量传输的强度是中尺度热量传输的五倍以上。
与低分辨率模型相比，亚中尺度热量传输使海表温度上升了0.06~0.3°C，并在中纬度产生向上的年平均海气热通量异常4~10 W/m 2，与气候学上的净海洋-大气热量通量相当。
研究结果表明，亚中尺度运动在海洋内部、表层与大气之间的热量传输中起着关键作用，是全球热量预算的重要组成部分。亚中尺度热量传输不仅影响海洋表层的温度分布，还可能通过改变海洋与大气的热量交换，影响大气环流和气候系统。
亚中尺度锋面与海气交换
在上文中，我们看到了海洋亚中尺度运动对海洋与大气热传递起着关键作用，可以产生系统性的向上热量传输，但亚中尺度海洋锋面的海气交换强度如何，比中尺度又如何？
中国海洋大学深海多圈层与地球系统前沿科学中心和物理海洋学实验室杨海源教授引导的一项研究，聚焦于海洋亚中尺度锋面与海气交换的关系。研究基于2016年在黑潮延伸区进行的现场高分辨率观测数据，结合理想化模型模拟，首次量化了亚中尺度海洋锋面的海气交换强度，揭示了亚中尺度锋面的海气交换强度远高于中尺度锋面这一领域长期存在的争议的问题。
观测数据显示，亚中尺度锋面的海表温度梯度达到2.4°C/km，湍流热通量梯度为47 W/m²/km，远高于中尺度分辨的卫星观测和模型结果。通过模拟分析，亚中尺度锋面的热通量和水分通量比中尺度锋面高出约20%。
亚中尺度锋面显著影响海洋大气边界层的高度，在10公里内从150米增加到850米，远高于中尺度锋面的变化。这种强烈的垂直混合还促进了云的形成，暖锋面的云底高度从冷锋面的3500米降至700米，对云形成和降水有显著影响。
图：观测到的大气对亚中尺度锋面的响应
（a）海面高度异常场（阴影）和地面风（矢量）。（b）锋面的 SST（红色）和 THF（蓝色）。（c）观测和其他产品的 SST 梯度和热通量梯度比较。观测中的 SST 和热通量梯度是根据 39.08°N 和 39.11°N 之间的平均值计算的。误差线表示标准偏差。（d）相对湿度（%；阴影）、位温（°C；轮廓线）、MABL（黑色虚线）和云底（灰点）。黑色三角形表示锋面的位置。观测显示，亚中尺度锋面存在较大的 SST 和 THF 梯度，这在广泛使用的数据中无法分辨，并在 MABL 中产生强烈的横向锋面梯度。
亚中尺度锋面如何影响风暴降水
过去的研究中已知中尺度海面温度异常通过释放潜热来增强风暴，然而，对于更精细的如亚中尺度在风暴中的作用仍然未知。为了探究亚中尺度海表温度锋面对风暴中的对流降水和加热过程有何影响，亚中尺度锋面与中尺度涡旋相比，对潜热通量和降水的影响有何不同。
加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所引导的一项研究，在2025年1月30日发表在《Nature》上，也就是文末最后的参考文献，研究采用了一种全球耦合海洋-大气模拟模型，分辨率达到公里级，分析了2020年12月至2021年2月黑潮延伸区的数据，通过分析潜热通量、对流可用位能和降水等，分析了亚中尺度封面在热带风暴中的作用。
这项研究首次量化了亚中尺度锋面对风暴的影响，解决了亚中尺度和中尺度影响的矛盾问题。
研究发现，亚中尺度锋面在对流层内通过引起二次环流，增强了对流降水和加热，从而影响风暴的强化。海洋亚中尺度锋面的温度梯度为每 10 公里 5 °C，会在对流层内诱发一个长达 4 公里的次级环流。这种次级环流进一步刺激水蒸气的垂直平流，增加了非绝热加热和对流降水，五天内平均每天14mm。
在风暴暖区，亚中尺度锋面对这一非绝热加热过程贡献巨大，估计它们占风暴暖区总非绝热加热的一半以上，由于这种加热增强了大气的浮力，它促进了更强的对流上升气流，亚中尺度锋面导致的对流加热和降水比中尺度涡旋强四倍。而在冷区，由亚中尺度海表温度锋面引起的非绝热加热和对流降水则分别小三倍和十二倍。
此外，在冬季黑潮延伸区，研究发现有一半的潜热通量变化是由中尺度和亚中尺度的海洋运动驱动，其中中尺度占比约40%，亚中尺度占比约10%。
这项研究通过高分辨率模拟和详细分析，揭示了海洋亚中尺度锋面对大气风暴的显著影响，特别是通过触发次级环流增强对流降水和加热过程。
图：风暴轨道水分从海洋中抽出
“H” 和“L” 分别表示高气压系统和低气压系统（黑色轮廓）。粗蓝线（带三角形）和粗红线（带半圆形）分别表示表面冷大气锋和暖大气锋。WCB 为暖传送带，CCB 为冷传送带。气流以彩色带表示，其中棕色表示干燥，蓝色表示潮湿。高度显示在左墙上。温带大气风暴通常与大规模和中尺度 SSTa 有关。亚中尺度锋面用冷和暖 SST 异常之间的黑色虚线表示。
参考文献：Félix Vivant, Lia Siegelman, Patrice Klein, Hector S. Torres, Dimitris Menemenlis & Andrea M. Molod ，Ocean submesoscale fronts induce diabatic heating and convective precipitation within storms. Communications Earth & Environment volume 6, Article number: 69 (2025)，doi：10.1038/s43247-025-02002-z