北半球平流层极涡年际和季内变异及其对东亚冬季风的影响

【摘要】： 20世纪末期以来,大气科学界逐渐认识到平流层和对流层是相互耦合、相互作用的,平流层的异常变化会影响到对流层大气环流和化学成分,并起到重要的作用。这种对传统理论的革新促使科学界重新认识整个大气系统,并重新评估全球变化、臭氧损耗以及大气内部过程在气候变化中的作用。 在对流层-平流层耦合过程中一个重要的系统即为平流层极涡,作为平流层一个强大的绕极涡旋,它的变化是联系对流层和平流层过程的重要纽带。极涡所控制的区域不仅是波流强烈相互作用的区域,而且也是大气非绝热加热剧烈变化和臭氧强烈损耗的区域,它的异常活动与北半球环状模位相的转换以及低层大气的极端过程都有密切关联。为此,本文以平流层极涡的异常变化过程为研究对象,从资料分析、动力理论和数值模拟系统地研究了平流层极涡的气候学特征及极涡的演变、极涡的年际变化、极涡异常的下传过程、极涡异常与东亚季风环流的联系等,并利用德国马普气象研究所最新发展的MAECHAM5模式,对极涡的变化及其对东亚冬季风的影响进行了模拟研究。 首先本研究通过再分析资料分析了极涡的气候学特征及春季的崩溃过程,结果表明:极涡是一个冬半年在平流层极区维持的低温低压系统,极涡的形成有赖于平流层非绝热辐射冷却和动力加热的平衡,特别是自对流层上传的行星尺度波动的强迫作用,促使极区环流偏离辐射平衡状态,而夏半年极区为绕极反气旋环流,这种冬、夏间的季节转换是极涡演变的一个基本特征;极涡在春季的平均崩溃时间为4月10日,极涡崩溃与对流层上传的行星波活动密不可分。此外,研究结果还表明极涡的冬夏转换在极涡早晚崩溃年有着不同的特征,表现为极涡崩溃偏晚年一般有两次明显的极涡减弱过程,而极涡崩溃早年只有一次明显的减弱过程,这种季节演变特征的差别与对流层上传的波动活动密切联系。 其次,本文还分析了极涡的年际变化及季节内变化。分析结果表明在年际变化时间尺度上,北半球极涡受到QBO的调制,当QBO西风时极涡偏强,而QBO东风时极涡偏弱,这种QBO的影响被称作Holton-Tan振荡。本文的分析表明QBO的影响主要和极涡年际变化的第一基本模态密切相关,第二模态和ENSO事件引起的波动异常相联系。并且,本研究还指出QBO对于极涡的影响具有不稳定性,当El Ni?o发生的时候,极区向上传播的行星波异常增强,从而削弱了Holton-Tan振荡的振幅;而当La Ni?a发生的时候,Holton-Tan振荡明显增强。 本研究还表明在季节内时间尺度上,极涡异常存在从平流层高层向对流层的下传现象,这种传播从平流层高层到对流层顶大约需要15天左右,下传特征在极区位势高度、极区温度和纬向风场上都有明显的反映;并且,异常信号最早来源于平流层高层的中低纬地区,异常信号一般首先在阿留申高压区域发展,然后向东北方向移动,最终在北美北部进入极区,同时向平流层低层下传,影响到低层北半球环状模的活动。此外,本文的研究还指出这种自上而下的传播与大尺度行星波的活动密不可分,在异常下传之前,向上的波动发生异常变化,通过波流相互作用导致基本气流的异常;基本气流的改变反过来又改变着波动的传播条件,最终使波动活动向相反方向变化。 第三,本文还分析了平流层极涡异常下传对于东亚冬季风的影响过程。结果表明了当极涡异常自上而下传播到对流层低层时,一方面引起北极涛动的异常,另一个方面引起低层大气波动的异常,最终引起低层东亚冬季风活动的振荡。具体而言,当异常强的极涡向下传播时,引起低层AO正异常发展,西伯利亚高压增强,从而导致东亚地区偏强的季风,我国南部地区温度降低,而东北和亚洲中高纬度地区温度增加;反之当异常偏弱的极涡向下传播时,引起AO负位相的发展和偏弱的东亚季风,我国南部异常偏暖,而东北和亚洲中高纬温度降低。进一步分析表明我国东部温度的南北反相振荡关系与提前一个月的平流层极涡异常关系更为明显,这就表明冬季平流层极涡的异常变化对于低层环流变化有很好的指示作用。 最后,本研究还利用了一个垂直高分辨率的大气环流模式(MAECHAM5)对极涡的变异及其对东亚冬季风的影响进行了详细的模拟。此模式在垂直方向总共有90层,垂直分辨率在对流层和平流层中低层达到700米,模式对次网格的重力波有很好的参数化描述,是目前世界上少有的可以模拟出赤道准两年振荡(QBO)的模式。模拟结果揭示了QBO对极涡的影响过程,并证实了ENSO对Holton-Tan的调制作用;并且,模拟结果还表明平流层极涡的异常变化对东亚冬季风南北“跷跷板”式振荡有显著的影响,这种影响具有提前一个月的指示意义。