角动量守恒对经圈环流建立和变异的影响

【摘要】： 大气环流作为气象学最古老的分支之一,它的研究一直伴随着大气角动量收支的研究。大气中角动量平衡与否一直是衡量一个大气环流图案是否合理的重要依据之一。平均经圈环流作为大气环流成员之一,在平衡大气角动量在近地表的制造和消耗,以及角动量在自由大气中的输送方面,有着不可替代的作用。在科技进步,气象资料日益丰富的今天,重新研究大气角动量的平衡和输送,以及平均经圈环流的形成,有着很现实的意义。本文利用中国科学院大气物理所(IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的大气环流谱模式SAMIL,以及NCEP/NCAR再分析资料,首先对数值模式中大气角动量的输送和平衡特征进行了评估;其次利用模式模拟研究了大气中平均经圈环流的形成;最后对ENSO事件中大气角动量的循环进行了研究。主要结论如下: 1)数值模式中大气角动量输送和平衡特征的评估 利用模式积分结果和NCEP/NCAR再分析资料研究大气角动量的平衡和输送,并与Oort所使用的观测资料结果进行比较,发现影响大气角动量平衡的山脉力矩和摩擦力矩在模式中得到合理的模拟,其分布表明模式大气中热带地区是大气角动量源区,中高纬地区是大气角动量汇区。但模式中热带的摩擦力矩偏大,可能与近赤道辐合带中降水偏多有关。 模式能正确描述大气角动量循环过程。通过对比模式输出资料和NCEP/NCAR再分析资料以及Oort等观测资料,发现三者在描述大气角动量循环的总体形势上相当吻合,但也存在一些细节方面的差异,这可能跟模式中积云对流参数化和赤道降水的模拟需要进一步改善有关。 2)大气中平均经圈环流形成的模拟研究 在取消地形高度,保存海陆分布的外部理想条件下,利用大气环流模式模拟静止大气在南北加热差异的驱动下利用大气环流模式模拟静止大气如何通过角动量的制造和消耗,使大气由静止达到一个稳定的状态。分析结果表明,模式大气初始时刻静止,因而在启动转动时并不存在动量源。初始场的选取以及辐射加热形成的赤道和两极地区的热力差异,使模式大气在低纬地区有一个热量的源,在极地是热量的汇,从而促使大气形成一个覆盖整个半球的热力直接环流。在低纬地区上升,在极地地区下沉,在这个直接环流的上支是从低纬流向极地的气流,由于科氏力的作用,在极地形成“极地西风急流”,并且有从这个“极地西风急流”向下贯穿的西风到达地表,来消耗大气中西风角动量。随着模式的运行,直接环流加强,地表东风带制造西风角动量加大,上支气流的加强,同样在科氏力的作用下,在副热带地区形成副热带西风急流,同时所谓的“极地西风激流”向赤道靠拢、减弱,最后消失,这时在整个半球形成了靠赤道的直接环流和靠极地一侧的间接环流,两圈环流形成的过程仅仅需要9个小时左右。在大气调整的过程中,大气一直处于角动量极不平衡,大气极不稳定的状态,直至模式运行到17天左右,三圈平均经圈环流形成,大气的角动量收支相继趋于平衡。 3)ENSO事件中大气角动量的循环 选取1958年到2004年比较典型的6次ENSO暖事件和4次ENSO冷事件,分别进行合成分析,发现在12-2月,相对ENSO冷事件来说,ENSO暖事件从下到上整层大气在低纬地区都有很强的向北动量输送,在高层主要是由于定常扰动和平均经圈环流在ENSO暖事件年同时加强造成,而在低层只有Hadley环流的加强原因。在中高纬地区,ENSO暖事件有很强的向赤道动量输送异常,这主要是由于定常扰动对动量输送的差异引起。由此导致暖事件时副热带西风明显加强。 无论是各种运动形式的向北动量输送,还是总的角动量的流函数分布,都表明:在6-8月ENSO暖事件年和ENSO冷事件年差别不大。 本文研究表明,大气角动量作为表征大气环流和气候状况的基本参数之一,能够在大气模式这个平台上,很好的来研究平均经圈环流和ENSO等气象学界的一系列问题。