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平流层环状模的分类特征及其与对流层关系的研究

谢再红  
【摘要】: 使用NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过对北半球环状模指数的分析,将平流层异常分为两类:S型和D型,研究了两类平流层异常过程在逐日资料中表现的差异、与波-流相互作用的关系及其与对流层大气环流的关系。 结果表明,两种类型的异常特征在平流层类似,而主要的差别发生在对流层。S型平流层异常期间,平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势,对流层表现为与平流层一致连续的纬向风异常;而D型平流层异常期间,平流层纬向风异常随时间向下传播的趋势不存在,另外平流层纬向风异常仅局限在平流层范围内,对流层表现为与平流层相反的纬向风异常。 平均纬向风异常的高度-纬度剖面图上,S型平流层环状模异常期间,平均纬向风在平流层和对流层也是连续的;临界风速线从平流层高层一直延伸至对流层并到达地面,且最大风速轴随高度向高纬度倾斜。而D型平流层环状模异常所表现的特征与S型环状模有显著的区别:首先,无论在中高纬度还是低纬度,平流层和对流层纬向风异常符号相反。临界风速线也仅局限在平流层的范围内,不能延伸至对流层。 不同类型的平流层环状模异常与波-流相互作用紧密相连。S型环状模异常期间波动的传播促进了环状模特征的传播,使平流层和对流层的大气环流表现出了连续的特征,而D型环状模异常期间波动对环状模异常特征的传播和影响起到了抑制的作用,因而大气环流在平流层和对流层不连续,甚至是相反的变化趋势,并且这种作用发生在整个异常事件的后期。 分析与平流层环状模异常密切相关的平流层极地增温的发展过程得到,波动的强迫以及对流层的热量能否输送到平流层,对平流层极地温度异常的传播起到了至关重要的作用。如果平流层的波动强迫较强并且可以到达较低的高度,同时对流层的热量能够传输到平流层,那么极地平流层的温度异常可以向下延伸;相反,如果平流层的波动强迫相对较弱并且垂直方向上的厚度较薄,同时对流层向上的热量输送被抑制,则极地平流层的温度异常很难向下延伸。这与前面分析的两种环状模异常的特征类似。 通过对平流层环状模异常及平流层极地温度异常升高的发展过程的分析认为,平流层环状模异常,或者是温度的异常,能否向下延伸至对流层甚至地面,在很大的程度上取决于行星波与平流层基本气流之间的相互作用,以下几个因素可能对平流层异常能否向下延伸起到关键作用:首先,平流层的波动强迫要足够强,能把平流层的西风气流转变为东风;然后,临界风速线要向下到达更低的高度,因为波动不能在东风气流中传播,因此临界风速线的向下传播会导致波动所携带的能量在更低的高度释放,伴随着这个过程,平流层的异常特征也随之向下延伸;最后,仅有波-流的相互作用仅能使平流层的异常特征延伸到临界风速线到达的高度,若使平流层的异常能到达更低的高度,还需要从对流层向上和向极的能量的输送。 对S型和D型环状模异常期间温度场和位势高度距平场做合成分析得到,S型环状模异常期间,位势高度距平、温度距平场在水平方向上都呈现了明显的纬向对称结构;在垂直方向上,高低层之间的相当正压结构明显。D型环状模异常期间位势高度距平场在平流层的中高层位势高度距平表现出了与S型相类似的特征,但是从平流层的低层开始至整个对流层,与S型位势高度距平场之间存在显著的差异,主要体现在:首先,南北反位相的振荡结构不存在了,在对流层极区甚至表现出了与平流层高层正好相反的位势高度距平;其次,高低层之间的相当正压结构消失了,随着时间的向前发展,平流层异常的变化与对流层没有连续性甚至是相反的变化。


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