中尺度海气相互作用的关键机制，揭开洋流和风暴之间的关系链条
西边界流在塑造地球气候系统方面发挥着至关重要的作用，这些洋流位于热带和温带地区的边界，是重要的热量输送器和海面温度调节器，通过与大气之间的相互作用，对大规模气候现象有重大影响，包括风暴轨迹、温度分布和大气环流等。
西边界流在气候调节中的作用
什么是西边界流？西边界流是沿世界海洋盆地西边流动的洋流，这些洋流是由地球自转和由此产生的科里奥利效应驱动的，这种效应导致海水聚集在海洋盆地的西侧。这些洋流最著名的例子包括北大西洋的墨西哥湾流、北太平洋的黑潮延伸和南大西洋的巴西洋流。这些洋流通常流动迅速，将温暖的热带海水输送到两极，从而调节高纬度地区的温度。通过将热量从赤道重新分配到两极。
西边界流的动态并不是静态的，它们会因自然气候周期和人为因素而变化。西边界流强度、位置和强度的变化会导致区域和全球气候模式发生重大变化。例如，墨西哥湾流的减弱或转移可能导致北大西洋气温下降，从而对欧洲和北美的天气模式产生连锁影响。
海气相互作用是指海洋表面与上层大气之间热量、水分和动量的交换，海气相互作用的过程会因海洋与大气之间的温差、风向和洋流的具体特征等因素而有很大差异。西边界流通过影响海面温度来改变大气压力系统和风型，这些洋流产生的海表温度是大气过程（包括风暴的形成）的热源。这些洋流的强度和位置也与天气系统可用的能量有关，这使得西边界流成为调节风暴路径及其强度的基本组成部分。研究表明，暖洋流与大气之间的相互作用会导致锋面活动增强，推动了低压系统的形成，进而增强了风暴活动。
温带风暴通常发生在中纬度地区，受白云带沿线海表温度的影响很大。这些风暴依靠温暖的海水和较冷的大气之间的温度对比来增强。随着白云带将温暖的海水输送到高纬度地区，它们会形成一个明显的温度梯度，为这些风暴提供燃料。
中尺度海气相互作用的关键机制如何调控风暴路径和强度
在中纬度地区，风暴将热量从赤道向极地输送，这些风暴的强度取决于大气低层的斜压性，简单来说，就是冷暖气团之间的温度差异越大，风暴越容易发展。过去的研究发现，风暴路径往往与西边界流的延伸区重合。但气候模型一直难以准确模拟这种关联，尤其是风暴的增强趋势，传统的研究可能忽略了一种关键的海洋反馈机制。
这项最细的研究，重点为拓展中尺度空气-海洋相互作用对温带风暴路径整流作用的评估，重点关注墨西哥湾流、黑潮和阿古拉斯海流，研究首次揭示了洋流反馈机制（Current Feedback, CFB），影响海洋涡旋、海表温度，最终改变风暴路径的强度。这项研究不仅解释了气候模型中长期存在的偏差，还为预测未来风暴活动提供了新思路。
传统观点认为，风驱动洋流，而洋流对风的影响很小。但实际上，洋流会通过洋流反馈机制相对风效应影响风场。具体而言，当洋流流动时，会改变海面风的“有效速度”，如果洋流与风向一致，风对海面的摩擦力会减小，反之则会增大。这种摩擦力会导致涡旋耗散，会抑制海洋中的涡旋。研究显示，CFB使全球海洋涡旋的动能减少了30%，相当于每年从海洋中“抽走”72.5GW的能量。
涡旋的减少又会产生连锁反应。在洋流反馈机制作用下，湾流和黑潮的路径更稳定，减少了不必要的能量耗散，此外，涡旋的变化也会对区域的温度梯度造成影响。
而风暴的形成需要2个条件：温度梯度和热量释放。温度梯度越大，冷暖气团之间的差异越大，大气越不稳定；海洋向大气输送的热量越多，低层空气越容易上升。洋流反馈机制通过改变海温分布，同时调控这2点。例如，在湾流区，温度梯度减小，导致低层大气的斜压性降低，风暴活动减弱15%；在阿古拉斯流区，温度梯度增大，风暴活动增强。
研究团队通过两组模拟对比包含洋流反馈机制和不包含该反馈机制的研究发现，忽略洋流反馈机制会导致湾流模拟偏差，例如路径偏南、涡旋过多，加入洋流反馈机制后，模型更接近实际观测，尤其是风暴路径的位置和强度。
研究揭示了全球尺度验证洋流反馈机制的涡旋抑制效应，证实了它对西边界流稳定性和海表温度梯度的系统性影响。CFB机制流程表现为海洋涡旋耗散→西边界流路径稳定→海表温度梯度改变→大气斜压性调制→风暴路径响应的一个完整流程，提出气候模型中忽略CFB可能导致WBCs模拟偏差。
图：CFB 引起的海洋中尺度涡旋的动能向大气下沉，导致海洋中尺度活动衰减，随后西边界流趋于稳定🔽
（a和之间的平均表面涡旋动能 (EKE) 差异。（b和之间的平均表面动能 (MKE) 差异。
❓思考题：海洋中的eddy killing机制会如何影响西边界流？
A.让洋流变得更弯曲
B.使洋流路径更稳定，减少摆动
C.完全阻止洋流流动
D.让洋流反向流动
参考答案：（点击查看）
解析：eddy killing机制会减少海洋中涡旋的能量，从而使湾流、黑潮等大型洋流的路径更稳定，减少不必要的弯曲。
该研究通过高分辨率耦合模型，首次在全球尺度揭示了CFB通过“涡旋抑制→WBCs稳定→SST梯度调整→风暴路径调制”的完整链条，尽管这项研究取得突破，但未来还需进一步解析中尺度过程对大尺度气候的反馈机制。
思考：海气相互作用如何影响不同时间尺度上的海面温度变化？海气相互作用通过哪些机制影响温带风暴的强度和频率？
参考文献：Lionel Renault, Thomas Arsouze, Fabien Desbiolles & Justin Small ，Rectification effects of regional air–sea interactions over western boundary current on large-scale sea surface temperature and extra-tropical storm tracks. Scientific Reports volume 14, Article number: 31771 (2024) ，doi.s41598-024-82667-2