下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

【摘要】： 北极涛动(AO)是北半球热带外气候变率的最显著模态。它是始于20世纪末期的气候领域新的研究课题。由于它在认识全球天气、气候方面的重要作用,关于AO研究越来越受到国内外的重视。迄今为止,有关AO的研究中存在的问题主要可以归结为以下三个方面:1)AO的形成机制问题;2)与AO相关的平流层与对流层现象的耦合问题;3)AO对区域气候的影响机理问题。而后两个问题的解决很大程度上又依赖于AO形成机制问题的解决。已经明确的是,AO的形成与中高纬大气中的瞬变和准定常Rossby波的活动密不可分。而山脉和海陆分布热力差异等下边界条件是强迫准定常波的主要来源。不同下边界条件通过强迫不同准定常波对AO产生影响。同时,下边界条件通过决定气候基本态,也影响AO的形态。因此,研究下边界条件对AO的影响是研究AO形成机制的一个重要方面。 本文侧重于利用NCAR大气模式CAM3.0进行数值模拟来研究下边界条件对AO基本形态影响,在此基础上分析下边界条件通过改变平流层和对流层的波流相互作用机制对AO产生的影响,并由此探讨AO的形成机理。 首先,利用数值模式设计了控制试验、无山脉试验和水球试验,对三个试验的月平均输出结果进行分析确定了下边界条件对AO水平环状结构和垂直相当正压结构的影响。控制试验结果表明,模式能很好的模拟AO的水平和垂直结构。在三个下边界试验中,都存在环状模结构,这说明AO是大气内部某种过程的结果,它的存在本身不取决于下边界条件。尽管如此,试验结果表明下边界条件对AO的具体形态是有影响的。无山脉试验和控制试验结果比较发现,山脉主要影响AO中纬度北大西洋和北太平洋两个活动中心的强度、范围和位置。水球试验和无山脉试验结果比较发现,海陆分布热力差异是中纬度两个大洋活动中心存在的原因。在水球下边界下,AO纬向平均纬向风平流层异常最大值活动中心消失。 为了研究下边界条件通过影响波流相互作用对AO的影响,首先利用NCEP逐日资料确定了波流相互作用与AO形成间的关系。具体的方法是采用向量EOF分析分离出了表征平流层中相对缓慢的准定常波与平均流相互作用的E P通量异常型以及表征对流层中时间尺度较短的瞬变波与平均流相互作用的E P通量异常型。然后研究上述不同的异常型在不同时间尺度上的波流相互作用及与AO间的关系。结果发现,平流层准定常波和对流层瞬变波引起的波流相互作用与AO形成间都存在着因果关系。各种波动强迫对AO的作用是相互独立的,AO是它们共同作用的结果。当波动强迫1 2天时,AO响应最大。数值模式控制试验逐日输出结果表明,上述波流相互作用特征及其与AO间的关系基本上能得到清楚的描述。 确定波流相互作用与AO间的关系之后,利用敏感性试验逐日输出结果研究了下边界条件通过影响波流相互作用对AO的影响。首先分析了无山脉下边界和水球下边界下平流层准定常波和对流层瞬变波引起的波流相互作用特征以及这些波动强迫与AO间的作用关系,然后着重比较了不同下边界下这些波动强迫与AO间的作用关系和真实下边界下它们之间作用关系的差异。无山脉试验结果分析表明,去除山脉强迫的准定常波后,平流层准定常波波-流相互作用与AO间仍然存在因果作用关系。水球试验结果分析表明,去除山脉和海陆分布共同强迫的准定常波后,平流层准定常波波-流相互作用与AO间的因果作用关系消失,这显然与水球下边界时AO纬向平均纬向风平流层高纬度不存在异常最大值活动中心有直接关系。 本文工作清楚地确定了下边界条件通过影响气候态和行星波动对AO的影响,使平流层和对流层不同空间型和时间尺度的波动强迫与AO形成间的关系更加清晰化,对AO形成机制有了更深一步的认识,并且对平流层和对流层的耦合问题也有很大的启发作用。工作中得到的主要结论和讨论的问题为以后进行与AO相关的其它研究提供了借鉴。