气候变化背景下温带急流及其低频变化的机制研究

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温带急流是中纬度大气环流的重要组成部分,对热带外大气的天气和气候,对全球尺度上的热量、动量和水汽的经向输送,均有着广泛而显著的影响。观测事实和气候模式模拟都表明,在低频时间尺度以及气候变化背景下,温带急流会发生显著变化。认识温带急流的低频变化以及气候变化背景下温带急流变化的机理对预报中纬度持续性天气异常、提高短期气候预测水平和评估大气环流对气候强迫的响应等都具有重要的科学和实际意义。本文通过诊断再分析资料、设计数值试验以及动力学分析,研究了低频时间尺度和气候变化背景下温带急流变化的动力学机制,得到以下主要结论:  一、揭示了实际大气中温带急流低频变化的波流相互作用机制,提出了高低频波动共同作用的斜压反馈机理。  首先,利用理想化的非线性准地转β平面通道模式,论文研究了温带急流低频变化中的波流相互作用,揭示了一个维持温带急流低频变化中波流正反馈过程的斜压机制。高低频波动在维持温带急流低频变化中发挥了不同的作用。关于摩擦系数的敏感性试验表明地表摩擦可以影响温带急流变率的模态以及它的时间尺度。不同摩擦强度下温带急流变率的转变可能与高低频波动的临界层分布有关。  利用ERA-40再分析资料,论文进一步探索了实际大气中维持温带急流低频变率的斜压机制,研究了高低频波动在维持南半球温带急流低频变化中低层斜压性持续性异常的不同作用。研究发现,温带急流的低频变化伴随着低层斜压性的持续性异常。除了天气尺度的高频波动引起的间接经向环流作用之外,低频波动的热量通量引起的直接热力作用对斜压性的维持也具有非常显著的作用。这两类过程一起维持了低层斜压性在温带急流低频变化中的持续性异常。此外,研究结果还强调了高频波动的动量通量部分和热量通量部分引起的间接经向环流对斜压性变化的不同作用,前者超前并驱动低层斜压性的变化,后者维持了低层斜压性的持续性异常。  一、揭示了气候变化引起温带急流位置发生经向移动的“高层控制”机制。  观测资料和气候模式模拟都表明,温带急流的位置在全球变暖、平流层臭氧空洞等气候变化背景下呈现相当正压结构的经向移动。而气候变化背景下,大气斜压性垂直结构的改变被认为是引起急流变化的可能原因。本论文利用非线性β平面准地转多层模式,通过移动高低层斜压区的经向位置,探讨了大气斜压性的垂直结构对温带急流位置的影响。通过设计初值敏感试验、瞬态响应试验,并利用有限振幅波作用密度诊断,论文揭示了高低层斜压性对温带急流移动的不同作用。高层斜压性的改变可以通过影响波破碎区域的空间分布和垂直环流,引起低层斜压场变化,进而改变低层斜压波的生成,引起急流变化。而低层斜压性改变,通过热成风关系,可以有效改变高层纬向风场的水平分布,从而改变大气波动的水平传播以及波破碎区域的空间分布来改变急流的位置。当高低层斜压性同时向南北方向移动时,急流的位置主要受高层斜压性的控制。  三、揭示了气候变化背景下,正压过程和斜压过程相互作用影响温带急流低频变率的机制。  利用相同的准地转模式和数值试验,论文继续讨论了气候变化背景下斜压性的垂直结构对温带急流低频变率的影响,提出了一个同时包含正压过程和斜压过程的维持温带急流低频变化的新机制。通过有限振幅波作用密度诊断,论文揭示了高层波动传播和波破碎活动(正压过程)以及低层斜压波活动(斜压过程)影响温带急流低频变化中的不同机制,前者驱动涡动动量和急流的移动,后者维持了纬向风的持续性异常。此外,在气候变化背景下,由于高低层斜压性的非对称性,高层波动水平传播和波破碎活动对温带急流的驱动作用减弱,同时低层斜压波无法持续伴随急流移动,共同导致了急流低频变化的时间尺度变短,且表现出正负位相时间尺度具有非对称性。  最后,利用耦合模式GFDL_CM2.1,论文进一步分析了全球变暖影响温带急流变化的机制,论证了前两章提出的斜压性垂直结构影响温带急流变化的动力机制在解释全球暖化影响温带急流变化中的适用性。研究指出,全球变暖背景下温带急流的位置向高纬度偏移,且急流的低频变化时间尺度变短。对模式结果的动力学诊断结果表明,温带急流的位置偏移可能与波破碎活动在高纬度地区的减弱有关。温带急流低频变化时间尺度降低的可能原因是波流正反馈过程中高层波破碎活动对涡动动量的驱动减弱和低层斜压波活动伴随纬向风移动的持续性异常减弱。
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