Air-sea interaction in tropical atmosphere: influence of ocean mixing on atmospheric processes
海表温度及其变率是决定大气对流发展演变的主要因素之一。本文的研究结果表明，大气对流状况影响海洋上层热能的日分布。在平静和晴的天空条件下，在海洋表面形成一个几米深的浅暖层。这个温暖的层驱动着从海洋到大气的异常通量。介绍了一种基于卫星数据的新型开尔文波轨迹数据库。对其数据的研究表明，相当一部分开尔文波是由于与另一个开尔文波相互作用而引发的。两个不同的类别进行了定义和分析：两个和多个开尔文波启动，和自旋启动。结果表明，这种波的主要强迫是高的日周期和/或增加的风速和海洋表面的潜热通量。本文研究了印度洋海面和次表层随开尔文波轨迹的变化：在波通过期间，风速和潜热通量增加，海面温度异常减小。研究还表明，在海洋大陆上，开尔文波是一种相位锁定的昼夜循环波。这种周期相位锁定是这样的，它同意平均，当地的大气中的对流日周期。非阻塞开尔文波在海洋大陆上成功传播，而阻塞波在海洋大陆上传播，其相位锁定的强度不同。苏门答腊岛和婆罗洲岛之间的距离与平均开尔文波在一天内传播的距离一致。这表明，海洋大陆可能作为一个过滤器，有利于成功的传播波，这是在相位与当地的周日循环的对流。
2016-03-02 physics.ao-ph
Role of the ocean for fast atmospheric evolution revealed by machine learning
University of Oxford（牛津大学）；European Centre for Medium-Range Weather Forecasts（欧洲中期天气预报中心）
通过机器学习揭示海洋在快速大气演变中的作用，分析GraphCast模型对海洋信息的推断能力及其对预报精度的影响。
2026-03-02 physics.ao-ph
The joint influence of topography and atmosphere on the meridional transport fluctuations in the Southern Ocean and its link with the ENSO events
本文研究了地形和海岸线对由风和气压驱动的深度平均南极绕极流（ACC）动力学的影响。这是实现与全球正压环流模式的帮助下，理想化和真实的大气条件。结果表明，由于ACC上空大气条件引起的纬向质量通量的变化可以在47S附近的南大洋北部引起短周期的密度异常，这种异常可以通过Ivchenko等人2004年描述的波动机制转移到低纬度，这可能对快速的热带外海洋联系具有重要意义。正压模拟的结果表明，ACC上风强度的变化，加上海底地形和海岸线的影响，在南大洋引起一些纬向流的变化，太平洋的纬向通量变率与ACC上空的风强度有密切的关系。讨论了太平洋区纬向通量的长期变化和厄尔尼诺-南方涛动事件（南方涛动）。
2007-02-20 physics.ao-ph
Wind instability of a foam layer sandwiched between the atmosphere and the ocean
为了更好地理解从飓风到海浪的动量传递减少的最新研究结果，研究了大气和海洋之间泡沫层的风短波不稳定性。具有空气、泡沫和水的高密度对比的三流体配置提供了稳定水面的有效机制。
2007-10-12 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Coupled Ocean-Atmosphere Dynamics in a Machine Learning Earth System Model
Princeton University（普林斯顿大学）；NVIDIA（英伟达）；University of Washington（华盛顿大学）
本文提出高分辨率 AI/ML 耦合地球系统模型 Ola，分别建模海洋与大气动力学，能再现热带波及真实 ENSO 特征，并在 ENSO 预测上优于 SPEAR。
2024-06-12 cs.LG physics.ao-ph
Redox evolution of the crystallizing terrestrial magma ocean and its influence on atmosphere outgassing
本文通过追踪岩浆海洋固化过程中氧逸度的演化，模拟C-O-H大气成分及热辐射，揭示其从还原态向氧化态转变并影响大气脱气与岩浆海洋寿命，且该框架可推广至类地行星和系外行星。
2023-01-18 astro-ph.EP physics.ao-ph
A Stochastic Ekman-Stokes Model for Coupled Ocean-Wave-Atmosphere Dynamics
本研究针对海气边界层准确模拟的难题，在位置不确定性框架下提出含随机湍流与波浪效应的随机耦合埃克曼-斯托克斯模型，经LOTUS实验验证，完整模型与观测一致性最佳，为气候模式边界层参数化提供基础。
2025-09-03 physics.ao-ph
Routes to long-term atmospheric predictability in reduced-order coupled ocean-atmosphere systems -- Impact of the ocean basin boundary conditions
在一个新的基于2层准地转大气和1层简化重力准地转海洋的模块化高阶海洋-大气模式（MAOOAM）中，探讨了大气在短、长时间尺度上的可预报性，以及与海洋的耦合。这个版本的特点是一个新的洋盆几何形状与周期性边界条件的纬向方向。本文提出的分析认为，低阶版本的模型与40个动态变量。首先，当积分域的纬向和纬向方向的纵横比很小时，海洋的表面摩擦（以及相关的热通量）的增加可以引起混沌，或者当它很大时，可以抑制混沌。这反映了海洋在耦合动力学中可能发挥的反直觉作用。其次，也许更重要的是，大气中特定摩擦系数值的长期可预测性的出现是通过（长周期）不稳定周期解附近的间歇性漂移发生的。一旦接近该解决方案，系统在很长一段时间内（即几年内）是可预测的。然而，在这个轨道附近的间歇性过渡是不稳定的，可能很难预测。这种新的长期可预测性的路线相比，在封闭的海洋盆地低阶版本的MAOOAM，其中的混乱的解决方案是永久徘徊在一个不稳定的周期轨道附近的摩擦系数的特定值。因此，模型解在任何时候都受到不稳定周期轨道的影响，并继承其长期可预测性。
2019-07-14 nlin.CD physics.ao-ph
Ocean-atmosphere interaction at the Gulf Stream sea surface temperature front: variability and impacts on midlatitude atmospheric circulation
PhD course in ”Science and Management of Climate Change”（气候变化的科学与管理博士课程）
本文通过ERA5再分析和观测海温强迫的大气模拟，研究墨西哥湾流海表温度锋面（GSF）的年际移动对大气环流的影响，发现响应强烈依赖于模式分辨率（需<50km），并揭示了北大西洋涛动（NAO）与GSF在年代际尺度上的非平稳耦合机制。
2026-06-29 physics.ao-ph
Multistability in a Coupled Ocean-Atmosphere Reduced Order Model: Non-linear Temperature Equations
在一个降阶的海气耦合模式中，数值求解非线性温度方程时，发现海气流动存在多稳定性。在本文中，我们解释了如何充分的非线性Stefan-Bolzmann定律的数值实现，以及由此产生的变化，系统动力学相比，这些条款被线性化的原始模型。多个稳定的解决方案，显示不同的海洋大气流动，以及不同的李雅普诺夫稳定性。此外，在稳定吸引子中观察到明显的低频变率（LFV）行为。我们研究了改变海洋-大气耦合的大小对这些解决方案的影响，以及大气发射率来模拟日益增加的温室效应。在固定参数存在多稳定性的情况下，研究了解决方案之间倾斜的可能性，但倾斜没有发生在这个版本的模型中，其中有一个恒定的太阳强迫。这项研究是使用降阶准地转海洋大气模型，包括两个大气层，一个海洋层，在Python编程语言实现。
2023-01-12 math.DS nlin.CD physics.ao-ph
Modelling the coupling between ocean and atmosphere; the global signature of the El Niño/La Niña Southern Oscillation
卫星和地面观测被用来探索被称为厄尔尼诺/拉尼娜南方涛动（ENSO）现象的海洋-大气复合联系，该现象与极端天气事件密切相关（如热浪、龙卷风、洪水和干旱）、流行病的发生率（例如疟疾）、严重的珊瑚白化等。ENSO时间演变取决于耦合的海洋/大气系统之间的能量交换。它的周期平均约为四年，但有相当大的调制它从几个来源，这是尚未完全理解。本文的目的是提供一个更好的洞察全球签名的ENSO演变考虑连续的自然相互作用发生在海洋和大气之间，和人为的影响。所获得的结果可用于阐明海洋-大气相互作用的更精确的高级模型的发展，从而改进气候变化预测。
2017-08-21 nlin.CD physics.ao-ph
Polarimetric signature of the oceans as detected by near-infrared Earthshine observations
上下文发现一颗有海洋的太阳系外行星对寻找地球以外的生命至关重要。从理论上可以预期从光滑液体表面镜面反射光的偏振检测，尽管地球海洋的偏振特征尚未在圆盘集成行星光中最终检测到。目标。我们的目标是探测和测量地球海洋的偏振特征。方法.我们进行了近红外偏振测量月球地球的光芒，并收集了32个晚上的数据与各种海洋部分在地球的光芒贡献区域。结果极化度与海洋分数之间存在明显的正相关关系。我们发现每小时的变化，根据旋转过渡的海洋部分的偏振。变化与典型偏振度的比值高达~0.2-1.4。结论.我们的观测为地球海洋的偏振特征提供了可信的证据。近红外线偏振测量法可被认为是寻找行星外海洋的一种有前景的技术。
2021-09-14 astro-ph.EP physics.ao-ph
Indo-Pacific variability on seasonal to multidecadal timescales. Part II: Multiscale atmosphere-ocean linkages
利用CCSM 4的千年控制运行和观测资料，研究了印度洋-太平洋海-气耦合变率在年际到年代际尺度上的变化。结果表明，ENSO及其与年周期的组合模态表现出与厄尔尼诺和拉尼娜事件相一致的赤道表面纬向风和温跃层调整的季节同步南移。与这些模态相关的表面风型也产生太平洋和印度洋之间的遥相关，导致具有印度洋偶极子特征的SST异常模式。CCSM 4中代表对流层两年振荡（TBO）的基本模态和组合模态也与亚澳季风和沃克环流季节同步的两年变率机制相一致。在较长的时间尺度上，NLSA从CCSM 4的印度洋-太平洋SST资料中恢复的主导年代际模态（WPMM）对ENSO和TBO活动具有显著的调制作用，热带西太平洋SST负异常的周期有利于ENSO和TBO的变率增强。物理上，这种行为是由于这样一个事实，即冷WPMM阶段的异常十年西风带在热带中太平洋和东风带在热带印度洋，以及一个令人不安的深温跃层在东太平洋冷舌。此外，尽管相对较低的SST方差解释了这种模式，WPMM被发现与澳大利亚的年代际降水在CCSM 4显着相关。
2016-09-29 physics.ao-ph
Conservation laws for potential vorticity in a salty ocean or cloudy atmosphere
位渦守恒是大气和海洋科学中最重要的守恒定律之一。最初的推导大约有一个世纪的历史，在Rossby和Ertel的工作中，它与著名的开尔文和Bjerknes循环定理有关。然而，这些定律适用于理想化的流体，并且扩展到更现实的场景是有问题的。在这里，这些定律被扩展到其他基本的复杂性，包括海洋中的盐度，或大气中的水分和云。在没有这些额外的复杂性的情况下，已知的是，位渦在每个流体块之后是守恒的;在这里，对于含盐海洋或多云大气，一般守恒量是在某些饼状体积上积分的位渦。此外，守恒定律也与拉格朗日量中的对称性有关，这与物理学其他领域中的守恒关系有关。
2022-06-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Wind-wave stabilization by a foam layer between the atmosphere and the ocean
这项研究的动机是最近发现的减少动量转移从强风到海洋。本文在中短表面波范围内研究了空气、泡沫和水三流体系统的Kelvin-Helmholtz不稳定性。对有效分离大气和海洋所需的泡沫层厚度进行了估算。由于三流体系统中的高密度对比，即使大气和海洋之间的相对薄的泡沫层也可以通过朝向较小尺度的不稳定性的波长偏移来提供水面的显著稳定。据证实，这种稳定定性地解释了所观察到的粗糙度和阻力的减少。
2009-09-20 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the Efficacy of Ocean Formation with a Primordial Hydrogen Atmosphere
本文通过综合大气-岩浆洋模型检验地球海洋源自原始氢大气与岩浆洋氧化反应的假说，发现水形成因快速脱气和铁下沉导致的浮力稳定化而难以发生，表明氢溶解对海洋形成作用有限。
2025-08-13 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The Modular Arbitrary-Order Ocean-Atmosphere Model: MAOOAM v1.0
本文描述了一个降阶准地转耦合海气模式，允许任意数量的大气和海洋模式被保留在谱分解。这种新模型的模块化允许人们容易地修改模型物理。使用这个新的模型，创造了“模块化的高阶海洋-大气模型”（MAOOAM），我们分析了模型动力学的光谱扩展的截断水平的依赖性，并通过与高分辨率配置的比较，揭示了可能存在于低分辨率下的虚假行为。特别是，我们评估的鲁棒性的耦合低频变化时，模式的数量增加。一个“最佳”的配置，提出了海洋分辨率是足够高的，而模式的总数是足够小，以允许一个听话的和广泛的分析的动态。
2017-12-18 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Hierarchical structures in Northern Hemispheric extratropical winter ocean-atmosphere interactions
近年来，利用先进的复杂网络统计方法对地球气候系统进行了广泛的研究。然而，这些研究的绝大多数都集中在直接或平行于地球表面的单一气候场内的相关结构的调查。本文采用节点加权耦合网络测度方法研究了北半球热带外大气与海洋的相关性，并构建了18个耦合气候网络，每个网络由两个子网络组成。在所有的情况下，一个子网络代表每月的海表温度（SST）异常，而另一个是基于每月的位势高度（HGT）的等压面在不同的压力水平覆盖对流层以及平流层下部。加权交叉度密度与最大协方差分析得到的主导耦合模式一致。高阶网络措施允许进一步分析两个领域之间的相关结构，并始终表明，在北半球外热带海洋与大气层的分层方式，使大面积的海洋表面与多个统计上不同的地区在大气中的相关。最终，我们发现，这种观察到的层次结构与大尺度大气变率模式，如太平洋北美模式，迫使海洋在每月的时间尺度。
2016-11-14 physics.ao-ph physics.data-an
Data-driven global ocean model resolving ocean-atmosphere coupling dynamics
Center for Climate and Carbon Cycle Research, Korea Institute of Science and Technology, Seoul, Republic of Korea（韩国科学技术院气候与碳循环研究中心，首尔，大韩民国）；Department of Environment and Energy, Jeonbuk National University, Jeonju, Republic of Korea（全南国立大学环境与能源系，全州，大韩民国）；School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea（首尔国立大学地球与环境科学学院，首尔，大韩民国）；Department of Environmental Management, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea（首尔国立大学环境管理系，首尔，大韩民国）
本文提出KIST-Ocean模型，利用U型视觉注意力对抗网络架构，通过部分卷积、对抗训练和迁移学习提升海洋预测能力，准确模拟热带太平洋的Kelvin波和Rossby波传播及环流风应力诱导的垂直运动，展现其在气候现象中的耦合机制表示能力。
2025-07-31 cs.LG physics.ao-ph
Southern Ocean latent heat flux variability driven by oceanic meso- and submesoscale motions
Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego（斯克里普斯海洋学研究所，加州大学圣地亚哥分校）
本研究揭示南大洋潜热通量变异性由海洋中尺度和亚中尺度运动驱动，发现这些细尺度过程对大气响应有显著影响。
2026-02-17 physics.ao-ph
Origin of the Ocean on the Earth: Early Evolution of Water D/H in a Hydrogen-rich Atmosphere
根据太阳系中几种水源的氘/氢比（D/H）讨论了地球海洋的起源。已知碳质陨石的平均D/H接近于目前地球海洋的D/H，而彗星和太阳星云的D/H分别比地球海洋的D/H大2倍和小7倍。因此，地球海洋的主要来源被认为是CC或彗星和太阳星云的充分混合。然而，这些结论只有在地球上水的D/H在过去的4.5 Gyr中保持不变时才是正确的。本文研究了在早期地球具有富氢大气的情况下，海洋中D/H的演化，这种富氢大气的存在是最近的行星形成理论所预言的，无论星云是否存在。结果表明，海洋中的D/H增加了2-9倍，这是由于海洋形成过程中氢气与水蒸气之间的氘交换以及大气氢损失过程中的质量分馏作用造成的。这一结果表明，CC和当前地球海洋之间水的D/H的明显相似性并不一定支持CC的水起源，并且D/H的明显差异并不是排除水的星云起源的好理由。
2007-09-13 astro-ph physics.ao-ph
Volcanic forcing improves Atmosphere-Ocean Coupled General Circulation Model scaling performance
最近的大气-海洋耦合环流模式（AOGCM）对20世纪气候的模拟考虑了人为和自然强迫，使研究观测记录中发现的长期温度相关性的起源成为可能。我们研究集合实验与NCAR PCM为10个不同的历史情景，包括没有强迫，温室气体，硫酸盐气溶胶，臭氧，太阳，火山强迫和各种组合，如它的自然，人为和所有强迫。我们比较的标度指数特征的长期相关性的观测和模拟模式数据的16个代表性的陆地站和16个站点在大西洋这些情况。我们发现，列入火山强迫在AOGCM大大提高PCM标度行为。包含火山强迫的情景能够很好地再现观测到的陆地标度指数，指数约为0.65，与站距海洋的距离无关。对于大西洋，与火山强迫的情况下，稍微低估了观察到的持久性表现出平均指数为0.74，而不是0.85重建数据。
2004-01-28 physics.ao-ph physics.data-an
Building Ocean Climate Emulators
针对海洋气候模拟器研究尚处起步的现状，本文聚焦大气对模拟器性能的作用与多时间尺度变量表征两个问题，基于高分辨率耦合模型数据实现全球四区域表层场超8年稳定预测，提出物理驱动的构建指南。
2024-03-06 physics.ao-ph
Borey: A High-Resolution Regional Atmosphere-Ocean-Sea Ice-Wave Forecasting System and Hindcast Dataset for the Barents and Kara Seas
Skolkovo Institute of Science and Technology（斯科尔科沃科学技术学院）；Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院谢尔肖夫海洋研究所）；Moscow Institute of Physics and Technology（莫斯科物理技术学院）；Autonomous Non-Profit Organization Artificial Intelligence Research Institute (AIRI)（人工智能研究院（AIRI））
针对巴伦支海和喀拉海的高分辨率海洋信息需求，本文提出基于WRF-NEMO-SI3-WW3模型链的Borey后报数据集，提供2019-2023年多要素场，经初步验证具备合理精度，后续将重新计算验证统计量。
2026-08-14 physics.ao-ph
DLESyM-Ocean: A Deep Learning Probabilistic Global Model for Simulating Present-Day Upper Ocean and Sea Ice
NVIDIA（英伟达）
研究人员提出深度学习地球系统模型DLESyM-Ocean，采用patch能量评分损失训练，可模拟当前全球海冰与上层海洋，经多案例验证具稳定性与技巧性，计算效率高，有望用于次季节到季节预报。
2026-08-13 physics.ao-ph
An Artificial Neural Network Algorithm to Retrieve Chlorophyll a for Northwest European Shelf Seas from Top of Atmosphere Ocean Colour Reflectance
由于非藻类物质对大气校正和标准Chl算法性能的影响，水色遥感反演相对浑浊的沿岸水的Chl存在问题。人工神经网络（NN）提供了一种替代方法，从空间和结果检索在西北欧陆架海在2002 - 2020年期间的叶绿素。NN在15个MODIS-Aqua可见光和红外波段上工作，并使用大气层底部（BOA）、大气层顶部（TOA）和瑞利校正TOA反射率（RC）进行测试。在每种情况下，与该地区使用的当前最先进的算法相比，由3层15个神经元组成的NN架构提高了性能和数据可用性。在TOA反射率上操作的NN优于BOA和RC版本。通过对TOA反射率数据的处理，神经网络方法克服了沿岸水大气校正中常见但困难的问题。此外，NN提供了其他算法经常因浑浊的水或低天顶角旗帜而掩盖的区域的数据。NN方法的一个显着特点是生成相关产品的不确定性的训练数据集的基础上产生的值为每个像素的分布的多个resception，并示出了一个例子，在北海的沿海时间序列。NN方法的最终输出包括基于每个像素的中位数的最佳估计图像和基于每个像素的标准差表示不确定性的第二图像，提供最终产品中的不确定性的像素特定估计。
2022-05-17 physics.ao-ph
The Effect of Ocean Salinity on Climate and Its Implications for Earth's Habitability
大气成分对现今和早期地球气候的影响已经得到了广泛的研究，但海洋成分的作用受到的关注较少。我们使用ROCKE-3D海洋大气环流模式来研究地球现今和太古代气候系统对低盐度和高盐度的响应。我们发现，更咸的海洋产生更温暖的气候，在很大程度上是由于海洋动力学的变化。海洋盐度从20克/千克增加到50克/千克，导致我们今天地球上的海冰覆盖面积减少71%。同样的盐度变化也使pCO $_2$阈值减半，在该阈值下，在我们的太古代情景中发生雪球冰川作用。结合更高水平的温室气体，如CO $_2$和CH $_4$，一个更咸的海洋可能允许一个温暖的太古宙地球，尽管从太阳接收的能量减少了20%，但两极只有季节性冰。
2022-05-13 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
A quantitative scaling theory for meridional heat transport in planetary atmospheres and oceans
行星大气上层的纬向温度分布是通过附近恒星的差异辐射加热（或来自内部深处的固有热通量）与湍流在纬度上重新分布的热量之间的平衡来确定的。这些流动是通过强迫维持的纬向温度梯度的斜压不穩定而自发产生的。当忽略行星曲率时，这种湍流以相干涡旋的形式出现，混合了纬向温度分布。然而，行星的曲率有利于罗斯贝波和纬向喷流的出现，限制了流体柱的纬向漂移，从而降低了跨纬度的混合效率。在海洋中也出现类似的情况，其中纬向流的斜压不穩定导致由涡旋和纬向喷流组成的湍流增强纬向热输送。在两层准地转β平面模型的框架下，扩展了最近的涡旋湍流热输送标度理论，以包括行星曲率的影响。这导致了一个定量的参数化提供的纬向温度分布在外部施加的热通量在一个理想化的模型的行星大气和海洋。此外，它还提供了一个紧急临界的定量预测，即，在行星大气或海洋的正则模型中的不稳定程度。
2021-09-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The dynamics of a low-order coupled ocean-atmosphere model
本文研究了一个由Lorenz-84大气模式和海洋箱模式组成的五个常微分方程组。该系统的行为作为耦合参数的函数进行了研究。对于大多数参数值，大气模型的动态是主要的。对于一系列参数值，存在竞争吸引子。数值计算了混沌吸引子的Kaplan-Yorke维数和关联维数，并与非耦合Lorenz模型的结果进行了比较。在从周期性行为到混沌的过渡中，观察到不稳定性。间歇性行为发生在Neimark-Sacker分岔附近，在该分岔处周期解失去稳定性。周期间隔的长度取决于海洋分量的时间尺度。因此，在这个制度的海洋模式有相当大的影响力的动力学耦合系统。
1998-12-16 chao-dyn nlin.CD physics.ao-ph
Scattering blanketing effect of Earth's proto-atmosphere: enhanced suppression of planetary radiation and magma ocean cooling
本研究开发了原生大气的一维辐射传输及耦合热演化模型，发现瑞利散射显著抑制行星辐射并延长岩浆海寿命，支持月球岩浆海起源说。
2025-04-02 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
MITgcm-AD v2: Open source tangent linear and adjoint modeling framework for the oceans and atmosphere enabled by the Automatic Differentiation tool Tapenade
本文提出MITgcm-AD v2框架，用开源的Tapenade替代专有TAF工具为MITgcm生成切线性与伴随模型，从而向更广泛的研究界开放梯度计算能力，并已集成到主分支免费提供。
2024-08-06 physics.ao-ph
Low-frequency variability and heat transport in a low-order nonlinear coupled ocean-atmosphere model
我们制定和研究的低阶非线性耦合海洋-大气模式的辐射和热通量的影响和摩擦耦合的两个组件之间的重点。该模型版本通过增加海洋中温度被动平流的动力学方程以及能量平衡模型，扩展了以前的24变量版本。模型的分岔分析和数值积分揭示了低频变率（LFV）的存在，集中在一个长周期，吸引轨道附近。这种轨道结合了大气和海洋模式，它产生的辐射输入和摩擦耦合的大值的纬向梯度。当它失去稳定性时，混沌行为在这个轨道周围发展;这种行为在十年和多十年时间尺度上仍然由LFV主导，这是典型的海洋过程。大气诊断还揭示了主要的低压和高压区的存在，以及一个亚热带急流;这些功能回忆现实的气候学特性的海洋大气。最后，进行了可预测性分析。一旦十年尺度的周期性轨道发展，耦合系统的短期不稳定性-由其李雅普诺夫指数测量-急剧减少，表明海洋对大气动力学的稳定作用。在十年时间尺度上，在与慢模式相关的不变子空间的某个区域中的解的复发显示出一些扩展的可预测性，这反映在大气变量的误差的振荡行为中。
2015-08-27 nlin.CD physics.ao-ph
SamudrACE: Fast and Accurate Coupled Climate Modeling with 3D Ocean and Atmosphere Emulators
SamudrACE通过3D海洋和大气模拟器实现快速准确的耦合气候建模，能够模拟数百年长的高分辨率气候现象。
2026-02-27 cs.LG physics.ao-ph
Earth's Energy Imbalance and Implications
对海洋热含量观测的改进表明，即使在最近的太阳活动极小期，地球从太阳吸收的能量也比以热量形式辐射到太空的能量要多。2005-2010年6年间，推断出的行星能量不平衡为0.59 \pm 0.15 W/m2，证实了人为温室效应在推动全球气候变化方面的主导作用。观测到的地面温度变化和海洋增热共同制约净气候强迫和海洋混合率。我们的结论是，大多数气候模式过于有效地将热量混合到深海中，因此低估了人为气溶胶的负强迫。气溶胶气候强迫今天推断为1.6 \pm 0.3 W/m2，这意味着大量的气溶胶间接气候强迫通过云的变化。继续未能量化这一巨大强迫的具体来源是站不住脚的，因为需要了解气溶胶影响的变化来了解未来的气候变化。我们的结论是，最近海洋热量吸收的放缓是由皮纳图博山气溶胶和深延长太阳极小期的延迟反弹效应造成的。在阿尔戈浮标时代观测到的海平面上升很容易被解释为冰融化和海洋热膨胀，但冰融化的优势使我们预计海平面上升的速度在这十年加速。
2011-09-02 physics.ao-ph
Parametric Excitation of Internal Gravity Waves in Ocean and Atmosphere as Precursors of Strong Earthquakes and Tsunami
本文给出了在旋转流体层中，当流体层沿垂直轴方向振动或垂直温度分布随时间周期性变化时，从上方加热时，产生内重力波（IGW）参量激励的条件。我们显示的双重作用的分子耗散效应，可能会导致不仅是波振荡阻尼，但也出现流体动力耗散不稳定性（DI）在某些频段的IGW。对于水平尺度不超过有限深度流体层特征垂直尺度的局部化水平面龙卷风样扰动，也可能发生这种DI。调查参数共振机制IGW生成在海洋和大气中的地震期间和之前允许监测这样的波（与振动或温度梯度调制的周期的两倍周期）作为这些破坏性现象的前兆。
2013-08-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Representing the Surface Ocean in ECMWF's data-driven forecasting system AIFS
European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)（欧洲中期天气预报中心）
本文提出扩展AIFS以联合建模大气与海面海洋，提升中短期预报能力，通过机器学习捕捉耦合过程，展示对海洋变量预测的改进。
2026-04-28 physics.ao-ph
Day-night cloud asymmetry prevents early oceans on Venus but not on Earth
地球上有海洋已经有将近40亿年了，火星上有湖泊和河流35 - 38亿年前。然而，水是否曾经在金星表面凝结仍然是个未知数，因为这颗行星-现在已经完全干燥-经历了全球性的表面重塑事件，掩盖了它的大部分历史。水最初在太阳系类地行星表面凝结所需的条件是高度不确定的，因为迄今为止只使用一维数值气候模型进行研究，无法解释大气环流和云的影响，而这些是关键的气候稳定因素。在这里，我们使用三维全球气候模型模拟早期金星和地球的水云-这优先形成在夜面，由于强烈的太阳下水蒸气吸收-有一个强大的净变暖效应，抑制地表水冷凝，即使在温和的日照（低至325 W/m2，即0.95倍的地球太阳常数）。这表明水从未凝结，因此，金星表面从未形成海洋。此外，这表明地球海洋的形成需要比今天低得多的日照，这是由于年轻的太阳微弱。这也意味着现今地球存在另一种稳定状态：“蒸汽地球”，所有来自海洋的水都蒸发到大气中。
2021-10-17 astro-ph.EP physics.ao-ph
Stochastic parameterization of subgrid-scale processes in coupled ocean-atmosphere systems: Benefits and limitations of response theory
基于Ruelle响应理论并在Wouters和Lucarini [2012]中提出的随机次网格尺度参数化在低阶耦合海洋-大气模式的背景下进行了测试，其中一部分大气模式被认为是未解决的。一个自然的相空间分离成一个不变的集合和它的补充允许的分析推导的不同条款中涉及的参数化，即平均值，波动和长记忆条款。在这种情况下，波动项是加性随机噪声。它的应用程序的低阶系统表明，沿不变子集的低频可变性可以得到相当大的校正，只要耦合是足够弱的。这种新的尺度分离方法为气候预报中多尺度系统的次网格尺度参数化开辟了新的途径。
2017-01-17 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph
Stable equatorial ice belts at high obliquity in a coupled atmosphere-ocean model
利用一个水行星结构的动态大气-海洋-海冰气候模式，实现了在一系列恒星辐照度下，高密度下的各种气候状态。三个稳定的气候状态得到不同的海冰覆盖的程度。对于低辐照度值，该模型模拟了具有常年全球海冰覆盖的Cryoplanet。通过增加恒星辐照度，转变发生在一个常年赤道海冰带的无盖冰冻行星上，最终转变为一个没有冰的水行星。使用模拟器模型，我们发现，无帽Cryoplanet是一个强大的稳定状态的范围内的辐照度和高的CO2和对比早期的结果，高CO2的气候状态与赤道冰带可能是不可持续的或无法实现的。当赤道海洋热通量增强时，由于赤道海冰的融化，允许一个稳定的无盖冰冻行星的参数范围减小。当赤道海洋热通量超过一个临界阈值时，常年赤道冰带消失。因此，一个强大的海洋环流可能会使它不稳定。我们的研究结果表明，常年赤道冰层覆盖是一个可行的气候状态的高湿度系外行星。然而，由于多重平衡，这种状态只能从更多的冰川条件下达到，而不是从较少的冰川条件。
2018-09-16 astro-ph.EP physics.ao-ph
Effect of mantle oxidation state and escape upon the evolution of Earth's magma ocean atmosphere
岩浆海洋时期是决定地球大气如何发展成可居住环境的关键阶段。然而，在决定早期地球大气层的关键过程中，例如行星内部的放气和物种逃逸到太空中，存在着重大的不确定性。本文研究了不同地幔氧化还原状态下不同物质的释气和H $_2$的逃逸对岩浆海洋期大气组成和演化的影响。我们包括一个重要的新的大气-内部耦合机制，即地幔的氧化还原演化强烈影响的物种的放气。我们模拟的挥发性放气和化学形态在表面的各种氧化还原状态的地幔采用C-H-O为基础的化学形态模型结合内部放气模型。然后，我们应用逐行辐射转移模型来研究行星的红外发射和传输方面的远程外观。最后，我们使用一个参数化的扩散限制和XUV能量驱动的大气逃逸模型来计算H $_2$到空间的损失。我们模拟了地球岩浆海洋时期还原或氧化大气的热发射和透射光谱。与富含H $_2$ O和CO $_2$的氧化或厚大气相比，由H $_2$组成的还原或薄大气向空间发射更多的辐射，并且具有更大的有效高度。我们得到的H2从地幔到大气中的释气速率是扩散限制逃逸到空间的速率的10倍。我们的工作提供了有用的洞察地球大气在岩浆海洋时期的发展，以及输入，以指导未来的研究讨论系外行星内部成分。
2020-11-05 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
A global hybrid coupled model based on Atmosphere-SST feedbacks
建立了一个全球混合耦合模式，旨在研究海气反馈对大西洋纬向翻转环流稳定性的影响。该模式包括一个全球海洋环流模式和一个统计大气模式。大气统计模式是根据一个完全耦合的气候模式对当地和半球平均海表温度数据进行线性回归得出的，是大西洋纬向翻转变率的足迹。它为海洋模式提供了热量、淡水和风应力的动态边界条件。混合耦合模式捕捉到了海洋-大气反馈的基本但一致的表示，并且比完全耦合的气候模式快十倍以上。混合耦合模式达到了一个恒定状态，与一个完全耦合的气候模式的气候接近，这两个模式也有类似的响应（崩溃）的大西洋纬向翻转环流的淡水软管应用在北大西洋北部。
2012-01-30 nlin.CD physics.ao-ph
Comment on "Scaling of atmosphere and ocean temperature correlations in observations and climate models"
在最近的一封信中，K。Fraedrich和R. Blender，Phys. Rev. Lett. 90，108501（2003）]，Fraedrich和Blender研究了大气和海洋温度的标度。他们利用去趋势波动分析（DFA 2）分析了月温度记录（主要来自格网数据）的波动函数F（s）~ s^alpha，并声称大陆内部的标度指数α等于0.5，是不相关随机序列的特征。在这里，我们表明，这种说法是（i）不支持他们自己的分析和（ii）不同意的分析，每日观测数据的网格每月数据已经得出。我们的结论是，也为内陆，指数是0.6和0.7之间，类似的海岸线站。
2003-10-08 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.data-an
Comparison of stochastic parameterizations in the framework of a coupled ocean-atmosphere model
提出了一个新的框架，评估随机亚网格尺度参数化的背景下，MAOOAM，一个耦合的海洋-大气模式的中间复杂性。研究了两种基于物理的参数化方法，第一种基于马尔可夫算子的奇异摄动，也称为均匀化。第二个是最近提出的参数化的基础上Ruelle的响应理论。这两个参数化是以严格的方式实现的，但是假设未解决的尺度相关统计量是高斯的。他们被广泛测试的低阶版本已知表现出低频的变化，并获得了一些初步的结果为中间阶版本。几种不同的配置，然后被认为是解决未解决的尺度分离。这两种参数化在校正模型误差的影响方面表现出显着的性能，甚至能够改变概率分布的模态。并讨论了它们各自的局限性。
2018-01-02 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.ao-ph
Intrinsic oceanic decadal variability of upper-ocean heat content
大气和海洋通过海气相互作用耦合。大气条件为海洋环流及其变化提供了燃料，但海洋过程在十年时间尺度上对大气的影响程度仍不清楚。特别是，这种低频变率很难从短期观测记录中提取，这意味着气候模式是解决这一问题的主要工具。在这里，我们评估如何海洋的内在变化导致模式的上层海洋热含量，在十年的时间尺度变化。这些模式有可能反馈到大气层，从而影响气候变化模式，如厄尔尼诺或太平洋年代际振荡。我们使用的输出从全球海洋-海冰环流模式在三个不同的水平分辨率，每个驱动相同的大气再分析。为了解开海洋对大气强迫的直接响应的变化性，由于内在的海洋动力学的变化性，我们比较了年际变化强迫（1958-2018年）驱动的模型运行和重复年强迫驱动的模型运行。依赖于涡旋参数化的粗分辨率模型显示：（i）在十年时间尺度上，上层海洋热含量的方差显著降低;（ii）与高分辨率模型相比，低频变率的空间格局存在差异。气候预测通常使用具有粗分辨率海洋分量的大气环流模型进行。因此，这些偏差影响了我们预测十年气候变率模式的能力，反过来又阻碍了气候预测。我们的研究结果表明，为了改善气候预测，社会应该走向耦合气候模式更高的海洋分辨率。
2021-06-13 physics.ao-ph physics.geo-ph
Redox hysteresis of super-Earth exoplanets from magma ocean circulation
内部氧化还原反应可能会不可逆转地改变地幔成分和地球和超级地球系外行星的挥发性库存，并影响大气观测的前景。然而，这些机制的全球效力取决于还原铁从熔融硅酸盐地幔向金属核的转移。标度分析表明，亚海王星内部岩浆海洋的湍流扩散可以动力学夹带液态铁液滴和淬火核心的形成。这表明，核，地幔和大气之间的化学平衡可能是积极的限制在岩浆流的对流翻转。因此，熔融的超级地球可能保留了其吸积路径的成分记忆。岩浆海洋环流对氧化还原的控制与行星热流、内部重力和行星大小呈正相关。因此，大气剥离的系外行星的存在和物种形成，表面矿物学和核心质量分数可能会限制岩浆海洋动力学。
2021-05-24 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Structure-preserving stochastic parameterization of a barotropic coupled ocean-atmosphere model with Ornstein--Uhlenbeck noise
University of Hamburg（汉堡大学）；Max Planck Institute for Meteorology（马克斯·普朗克气象研究所）
本文首次将随机对流由Lie传输框架应用于简化耦合海洋-大气系统，通过随机拉格朗日动力学假设推导出随机流体方程，保持几何结构，并用Ornstein-Uhlenbeck噪声替代白噪声，提升预测性能。
2026-03-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Ocean signatures in the total flux and polarization spectra of Earth-like exoplanets
对类地系外行星反射的星光的数值模拟预测了未来望远镜可以搜索的可居住性特征。我们探索水海洋的通量和偏振光谱的反射光的签名。利用加法-加倍算法，计算了具有类地大气和片状云的干行星和海洋模型行星反射星光的总通量F、偏振通量Q和偏振度P。海洋由菲涅尔反射表面组成，在自然蓝色海水上方有风吹皱的波浪，泡沫和波浪阴影。我们的结果是作为波长的函数（从300到2500 nm，1 nm的分辨率）和行星相位角的函数从90到170度。在非吸收波长处，海洋闪烁使F、|Q|和P随相位角的增加而增加，并使不同相位角的F和|Q|的光谱相交。在近红外，Q是负的，即偏振方向垂直于通过恒星、行星和观察者的平面。在P-光谱中，闪烁在气体吸收带中留下凹陷（而不是峰值）。所有这些特征在干燥行星的光谱中都是缺失的。P的下降和近红外线的负Q可以在90度的相位角处搜索到，在那里行星-恒星分离最大。这些海洋信号在偏振光中不会受到可能由于云层或反射干燥表面而产生的假阳性闪烁信号的影响。对于多云的行星，当闪烁（部分）无云时，海洋探测是可能的。因此，在模拟有海洋的行星的信号时，使用水平不均匀的云层是至关重要的。随着时间的推移，观测将增加捕捉无云闪烁和探测海洋的可能性。
2022-05-11 astro-ph.EP physics.ao-ph
SSTODE: Ocean-Atmosphere Physics-Informed Neural ODEs for Sea Surface Temperature Prediction
本文提出物理信息神经常微分方程框架SSTODE，通过推导平流-扩散ODE并引入能量交换积分器，实现可解释且物理一致的全球与区域海表温度预测，取得最先进性能。
2025-11-07 cs.AI cs.LG physics.ao-ph
Statistical and Dynamical Properties of Covariant Lyapunov Vectors in a Coupled Atmosphere-Ocean Model - Multiscale Effects, Geometric Degeneracy, and Error Dynamics
我们研究了一个简化的耦合大气-海洋模式，使用协变李雅普诺夫向量（CLV），它连接物理为基础的扰动方向的增长/衰变率的形式主义。该模型是通过一个严重的截断准地转方程的两种流体，并包括一个简单的，但物理上有意义的表示其动力学/热力学耦合。该模型有36个自由度，并选择参数，以便观察到混沌行为。发现两个正的李雅普诺夫指数（LE），十六个负的LE，和十八个接近零的LE。许多近零LE的存在下，从巨大的时间尺度分离的两种流体的特征时间尺度之间的结果，并导致非平凡的误差增长属性的切线空间跨越相应的CLV，这是几何非常退化。这种CLV对应于两种不同的海洋/大气耦合模式。相反，由对应于正和负LE的CLV所跨越的切线空间具有非病理行为，并且可以为有限时间LE构建鲁棒的大偏差定律，从而提供用于评估沿这些方向的长到超长尺度的可预测性的通用模型。令人惊讶的是，不稳定流形的切空间对大气和海洋分量都有很强的投影。我们的研究结果强调了使用双曲性作为多尺度混沌动力系统的概念框架的困难，而部分双曲性的框架似乎更适合，可能表明混沌假设的另一种定义。我们的研究结果表明，需要准确的分析误差动态在不同的时间尺度和域，并仔细设置的同化方案时，在考虑耦合的大气-海洋模式。
2016-03-07 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Global attractor of the three dimensional primitive equations of large-scale ocean and atmosphere dynamics in an unbounded domain
本文研究了无界区域上三维大尺度海洋和大气动力学原始方程解的长时间性态。由于Sobolev嵌入在无界区域上不再是紧的，所以即使在更正则的相空间中得到了吸收集的存在性，也不能用Sobolev紧嵌入定理得到问题（2.4）-（2.6）生成的半群的渐近紧性.为了克服这个困难，我们首先利用尾估计和能量方法证明了问题（2.4）-（2.6）生成的半群在弱相空间中的渐近紧性。由于在更正则的相空间中存在一个吸收集，我们利用Sobolev插值不等式建立了问题（2.4）-（2.6）的整体吸引子的存在性.
2016-12-07 math-ph math.AP math.MP
Near-resonance tidal evolution of the Earth-Moon system influenced by orbital-scale climate change
建立了地月系统气候和潮汐演化的概念耦合模型，探讨了气候对潮汐的影响。本文应用能量平衡模式，由年平均日射量作为变化天文参数的函数，计算稳态温度场。采用谐振子模型，将月球轨道和地球自转与潮汐力矩结合起来，潮汐力矩依赖于海洋的主导固有频率。海洋的几何形状是温度和海洋频率之间的桥梁。在半球形大陆和赤道圆形月球轨道的假设下，仅考虑地球自转周期$\varepsilon$和$M_2$潮汐的41 kyr周期，模拟了$10^6$ yr的近共振潮汐。验证了气候可以通过海洋影响潮汐演变。与恒定$\varepsilon$相比，变化$\varepsilon$的潮汐演化变慢;地月距离在共振极大值前与$\varepsilon$同相振荡，共振极大值后完全反相振荡;振荡位移与海洋频率和潮汐频率之差呈正相关。
2019-08-19 astro-ph.EP physics.ao-ph
Oceanic and atmospheric methane cycling in the cGENIE Earth system model
甲烷循环是地球系统的一个关键组成部分，它将行星气候、生物新陈代谢和碳、氧、硫和氢的全球生物地球化学循环联系起来。然而，目前缺乏的是一个数值模型，能够模拟海洋中甲烷可以产生和破坏的各种环境，并具有灵活性，不仅能够探索地球甲烷循环相对较新的扰动，而且能够探测甲烷循环和相关的气候影响，这些影响是地球历史上大部分时期的特征，可能广泛存在于其他类地行星上。在这里，我们提出了一个扩展的海洋-大气甲烷循环中的中间复杂的地球系统模型cGENIE，包括参数化的大气光化学和微生物产甲烷，好氧甲烷营养和甲烷的缺氧氧化计划。我们描述了模型框架，比较模型参数化对现代观测，并说明了模型的灵活性，通过一系列的例子模拟。虽然我们没有试图严格调整默认的模型参数，我们发现，模拟的大气甲烷水平和海洋溶解的甲烷分布与现代和近代地球的经验约束基本一致。最后，我们说明了该模型的实用性，在理解甲烷循环的时间依赖性的行为造成的瞬态碳注入到大气中，目前的模型合奏，研究海洋化学和微生物代谢的热力学对稳态大气甲烷丰度的影响。
2020-07-29 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The vortex gas scaling regime of baroclinic turbulence
大气和海洋的平均状态是通过外部强迫（风、辐射、热量和淡水通量）与紧急湍流之间的平衡来确定的，紧急湍流将能量转移到耗散结构。强迫引起大气中的喷流和海洋中的海流，它们通过斜压不稳定性自发地发展湍流涡旋。发展气候理论的一个关键步骤是适当地包括由此产生的热、水分和碳等特性的涡致湍流输送。斜压不稳定在Rossby形变半径处产生流动结构，其长度尺度在大气中为1000 km，在海洋中为100 km，分别小于行星尺度和海洋盆地的典型范围。因此，在大尺度温度梯度和随机平流的较小涡流之间存在尺度分离，从而引起有效扩散。数值解的两层准地转模式，标准模型的研究在大气和海洋中的涡旋运动，表明这种尺度分离保持在强非线性湍流制度，提供了足够的底部阻力。我们计算了与斜压湍流有关的涡驱动输运的标度律。首先，我们提供了一个理论基础的经验标度法在以前的研究中报道，不同配方的底部阻力法。其次，这些标度律提供了一个重要的第一步，准确的本地关闭，以预测斜压湍流的影响，在设置大尺度的温度分布在大气和海洋。
2020-10-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
North Atlantic thermohaline circulation predictability in a coupled ocean-atmosphere model
建立了GFDL耦合海气环流模式模拟的北大西洋温盐环流（THC）变率的可预报性集合试验。该集合由相同的海洋初始条件下的模式大气随机选择的模式气候。这个实验设计是基于分离的时间尺度存在于模型中，这激发了这样的假设，即从这些集合推导出的可预测性提供了一个上限模型的THC的可预测性。气候学是从一个多世纪的模式集成，其THC的变化有权力集中在40-60年的时间尺度。一个线性随机的角度来看，一般是一致的合奏统计。线性理论认为集合可预报性的自然量度是集合方差成为气候方差的主观定义分数（这里使用的是0.5）的时间。此外，感兴趣的是将模型的THC的快速去相关部分的可预测性与较长时间相关部分区分开。快速去相关部分显示了$\approx 1.5$年的可预测性。较慢的部分显示了$\approx 5-7$年的可预测性。线性随机框架提供了一个最佳的预测模型的THC的可变性和理解为什么最佳预测是无用的超过一个特定的限制的直接建设。
1995-03-10 ao-sci physics.ao-ph
