热带加热异常影响冬季平流层极涡强度的数值模拟

本文利用大气环流模式SAMIL/LASG,通过选择两种对流参数化方案,研究了热带加热异常对热带外平流层模拟的影响。结果表明,因不同对流参数化方案引起的热带对流加热状况的差异,可显著影响模式对北半球冬季平流层极涡强度的模拟偏差。与采用Manabe对流参数化方案相比,采用Tiedtke参数化方案可以显著改善对平流层极涡强度的模拟,使平流层极涡“过强”及极区“过冷”的模拟偏差得到明显改善。研究其中的影响过程发现,由于Manabe方案最大凝结潜热加热高度过低,在对流层中低层;而Tiedtke方案的最大凝结潜热加热位置在对流层中上层,因而Tiedtke(Manabe)方案时热带大气温度在对流层中上层较为偏暖(偏冷),在平流层低层较为偏冷(偏暖)。自秋季开始,与热带对流层高层温度的暖偏差相联系,热带外对流层高层以及热带平流层低层出现伴随的温度冷偏差;与之对应,平流层中纬度从秋季开始也出现持续的温度暖偏差。另外,随着秋冬季节平流层行星波活动的出现,Tiedtke方案时热带外地区行星波1波的强度也明显强于Manabe方案,使得秋冬季节涡动引起的向极热通量在Tiedtke方案时明显偏强,从而造成了冬季平流层极区温度偏暖、极涡强度偏弱。     

赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控

平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧亏损有重要指示意义。在1979～2020年ERA5再分析资料中,早春北极平流层极涡年际变率与热带太平洋海温第二模态（主要空间型为赤道西太平洋海温异常）有关。通过CAM5数值模拟,进一步揭示了赤道西太平洋海温异常影响平流层极涡的途径：冬春季赤道西太平洋增暖时,在暖海温区深对流降水加强,异常的潜热加热通过Matsuno-Gill响应在其西北侧激发了Rossby波（对流层上层的高压异常）。该Rossby波沿大圆路径在北太平洋调整了北半球最强的槽脊系统的强度和位置,从而使得经向风1波分量的振幅减小,经向风3波和温度3波分量的位相差增大。两者分别减弱了下平流层的1波和3波的波作用通量上传,更少的涡动热量通量向极输送促进了春季北极平流层极涡增强。     

行星波对平流层剩余环流的影响

运用欧洲中心ECMWF／ERA-40的资料,分析剩余环流速度v·和W·的变化,从而获得行星波的调整对气候的长期变化的影响。结果表明：赤道气流在低纬度赤道地区由对流层顶上升至平流层中层乃至顶部,而后在中纬度地区下沉,中心位置随季节变化在赤道附近南北移动;剩余环流呈现出准两年的周期变化,剩余速度v·和W·与行星波的振幅三者表现出较好的相关性。另外,行星波波数从1波调整为2波后,平流层低层50hPa以下剩余环流增强,30hPa之上减弱;行星波波数从2波调整为1波后,平流层中层30hPa以下剩余环流减弱,20hPa以上为增强。     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

过去60年中3—5年时间尺度的强ENSO过程与平流层环流异常的滞后耦合及其机理

基于1950—2009年60a月平均Nino3指数和NCEP/NCAR第一套等压面再分析资料,关注3—5a时间尺度的强ENSO过程与平流层环流年际异常的时空联系及其机理,通过对此期间出现在3次持续强ENSO阶段中的11次3—5a时间尺度的强ENSO过程的诊断表明,平流层环流的年际尺度异常与3—5a时间尺度的强ENSO循环过程密切耦合。极夜急流强度趋于在ENSO暖/冷峰值之后减弱/加强,最大异常值多滞后ENSO峰值约1/4周期(接近1a),出现在ENSO峰值之后的下一年冬季;且3—5a时间尺度的ENSO峰值愈强,滞后约1/4周期出现的热带外平流层纬向风的年际异常也愈强;平均而言,这种年际时间尺度的耦合关系,也对实际的季节尺度平流层极涡振荡的强度和性质有显著的调制作用。进一步研究这种滞后耦合关系与年际时间尺度的行星波活动异常的联系发现,在暖ENSO峰值所在的当年冬季,对流层高层被强迫出年际时间尺度的太平洋-北美(PNA)型异常环流,而与冷ENSO峰值相对应的是相反的太平洋-北美异常型;这种太平洋-北美型与平流层热带外地区的行星波1波的发展相联系;在ENSO峰值之后的下一年冬季,太平洋-北美型环流减弱但对流层高层的主要异常分布在中高纬度,多对应着平流层行星波2波的显著增强,与平流层极区最强的高度异常相联系。行星波活动所引起的经向动量通量和经向热量通量的辐合、辐散异常对平流层滞后异常响应的贡献,存在显著的阶段性差异,在不同的阶段两者可以共同起作用,也可以分别起作用。     

冬季低纬度热源异常在北半球对流层大气环流异常中的作用

本文首先从理论上讨论了北半球冬季低纬度强迫源与中纬度强迫源强迫所产生的准定常行星波在实际基本气流中传播路径及其振幅分布的差异,指出冬季低纬度热源异常将对北半球中、高纬度对流层大气环流的异常起很大影响,而中纬度热源异常将对平流层环流异常起很大作用。 本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散准地转34层球坐标模式分别计算了冬季低纬度热源异常与中纬度热源异常所造成北半球扰动系统的异常情况,计算结果表明了冬季低纬度热源异常将对中、高纬度对流层大气环流异常起很大作用,热带太平洋上空热源异常将产生PNA型环流异常。     

平流层异常下传对2009年12月北半球大范围降雪过程的影响

2009年12月北半球中纬度出现大范围持续低温、暴风雪等天气。采用NCEP／NCAR再分析资料研究了平流层AO（Arctic Oscillation,北极涛动）异常信号下传的特征及其对本次极端气候事件的影响,并讨论了与平流层异常信号下传相关的行星波活动。结果表明：1）与此次极端气候事件相联系的负位相A0异常11月首先发生在平流层,维持将近1个月后于12月初开始下传,并且迅速传至地面。12月整个对流层的位势高度及温度在极区附近出现强的正异常,而中纬度地区则为负异常。2）平流层AO异常信号下传后,地面出现有利于低温降雪过程的环流异常。12月上旬,亚洲大陆东部及北美大陆西部出现异常偏北风,造成了俄罗斯、北美西部大面积负的温度异常;12月中下旬,欧洲大陆盛行偏西北气流,同时蒙古高压增强,欧亚大陆北部包括中国北方出现大片负的温度异常。3）在此次极端气候事件之前,北半球高纬度地区有异常强的行星波上传至平流层,导致平流层出现负位相的AO异常,并维持了一个月;随后,上传到平流层的行星波减弱,同时平流层负位相的AO异常迅速传至地面,导致了有利于低温降雪的环流异常。     

北半球极区平流层冬季12月与1—2月气候变化形势的对比

根据1980—2000年ERA-Interim再分析的风场和温度场资料,计算12月与1—2月北半球行星波的EP通量及其散度,并按冬季不同月份分析了平流层整层温度和风场从20世纪80年代到90年代变化的特征及其与行星波活动变化的关系。结果表明,12月高纬度地区中低平流层呈增温趋势;而1—2月温度变化呈冷却趋势。在12月中高纬度中上平流层纬向风明显减速;而在1—2月高纬度中高平流层,随着纬度和高度的增加,纬向风呈明显加速趋势。冬季北半球行星波主要沿低纬度和极地波导两支波导向上传播。但是,12月行星波沿低纬度波导的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播则明显增强。而1—2月行星波沿低纬度波导的传播明显增强,沿极地波导向平流层的传播则减弱。因此,北半球极区平流层1980—2000年间12月与1—2月波流相互作用的年代际变化形势趋于相反,有必要针对冬季不同月份分开进行讨论。     

北半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学。观测和模拟结果都表明,在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导,另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明,平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化,它可以影响行星波沿低纬度波导的传播;此外,由一个行星波一平均流耦合模式模拟的结果表明,这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。 行星波对臭氧的输运作用在文中也进行了分析。行星波强迫出的剩余平均环流表明,耗散的行星波有强的输运作用;向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流,其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明,热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响,模式结果表明,在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强,其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。     

半半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学，观测和模拟结果都表明，在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导，另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明，平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化，它可以影响行星波沿低纬度波导的传播；此外，由一个行星波－平均流耦合模式模拟的结果表明，这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。行星波对臭氧的输运作用在中也进行了分析，行星波强迫出的剩余平均环流表明，耗散的行星波有强的输运作用；向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流，其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明，热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响，模式结果表明，在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强，其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。     

Variation in Brewer–Dobson Circulation During Three Sudden Stratospheric Major Warming Events in the 2000s

As the strongest subseasonal atmospheric variability during boreal winter, three remarkable sudden stratospheric major warming(SSW) events in the 2000 s are investigated in terms of the Brewer–Dobson circulation(BDC) response. Our study shows that the changes of cross-isentropic velocity during the SSWs are not only confined to the polar region, but also extend to the whole Northern Hemisphere: enhanced descent in the polar region, as well as enhanced ascent in the tropics. When the acceleration of the deep branch of the BDC descends to the middle stratosphere, its strength rapidly decreases over a period of one to two weeks. The acceleration of the deep branch of the BDC is driven by the enhanced planetary wave activity in the mid-to-high-latitude stratosphere. Different from the rapid response of the deep branch of the BDC, tropical upwelling in the lower stratosphere accelerates up to 20%–40% compared with the climatology, 20–30 days after the onset of the SSWs,and the acceleration lasts for one to three months. The enhancement of tropical upwelling is associated with the large-scale wave-breaking in the subtropics interacting with the midlatitude and tropical Quasi-Biennial Oscillation–related mean flow.     

热带基本气流对冬季北半球中高纬度准定常行星波的影响

本文利用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究冬季北半球地形与热源强迫所产生的准定常行星波与热带基本气流的关系。 计算结果表明,冬季热带平流层基本气流是西风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏大;而当冬季热带平流层基本气流是东风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏小,这与实际结果比较一致。 计算结果还表明冬季热带对流层基本气流对中高纬度准定常波的影响要比平流层基本气流的影响大。     

太阳准周期变化对北半球夏季平流层加热率的影响

采用1979—2013年6—8月欧洲中期数值预报中心ERA-Interim逐月再分析资料和2004—2010年6—8月美国国家大气和海洋管理局太阳光谱辐照度资料,利用北京气候中心大气辐射模式,计算了北半球平流层夏季臭氧加热率(Ozone Heating Rate,OHR)和净加热率(Net Heating Rate,NHR),分析了太阳准11 a变化中太阳活动强年与弱年纬向平均OHR(NHR)的差异,并讨论了差异形成的原因。结果表明:太阳活动强年比弱年的紫外辐射明显要强,导致OHR、NHR整层增强,且随高度增加而增加;臭氧浓度在平流层下层较小,在平流层上层较大,该变化导致OHR、NHR有类似的变化型,且稍向高处偏移;OHR、NHR在平流层上层的变化,由紫外辐射和臭氧共同作用,其他地区均为臭氧起主要作用。     

Link between Arctic ozone and the stratospheric polar vortex

The stratospheric ozone layer protects life on earth by preventing solar ultraviolet radiation from reaching the surface. Owing to the large population in the Northern Hemisphere and extreme ozone loss in the Arctic, changes in Arctic stratospheric ozone (ASO) and their causes have attracted broad attention recently. Using monthly mean data during the period 1980–2020 from MERRA-2, the relationship between the stratospheric polar vortex (SPV) and ASO, along with the relative contributions of chemical and dynamic processes associated with the SPV to changes in ASO, were examined in this study. Results showed that the ASO in March has a strong out-of-phase link with the strength of the SPV in March, with no obvious lead–lag correlations, i.e., an increase (decrease) in ASO corresponds to a weakened (strengthened) SPV. Further analysis suggested that the strong out-of-phase link between the SPV and ASO is related to changes in Brewer–Dobson circulation (BDC). Strong SPV events, accompanied by a low temperature condition and weakened upward propagation of planetary waves over the Arctic in the stratosphere, result in weakened BDC. The weakened downwelling at high latitudes tends to transport less ozone-rich air in the upper stratosphere at lower latitudes into the lower stratosphere at high latitudes, facilitating a decrease in ASO. The BDC's vertical velocity plays the dominant role in modulating ASO.摘要利用1980–2020年MERRA-2资料, 分析了平流层极涡 (Stratospheric polar vortex, SPV) 和北极臭氧 (Arctic stratospheric ozone, ASO) 的关系, 评估了与SPV相关的化学, 动力过程在其中的相对作用. 结果表明, 3月份ASO与同期SPV强度反相关最大. SPV-ASO二者反相关与平流层剩余环流 (Brewer-Dobson circulation, BDC) 变化密切相关. 强SPV伴随的北极平流层低温条件和行星波向上传播减弱, 导致BDC减弱, 减弱的BDC下沉支将低纬度平流层上层臭氧含量较低的空气输送到北极平流层低层, 从而导致ASO减少. BDC垂直速度在其中起主导作用.     

Changes in the Brewer-Dobson circulation for 1980–2009 revealed in MERRA reanalysis data

Changes in the Brewer-Dobson circulation (BDC) during the 30 years 1980–2009 are investigated using Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications (MERRA) reanalysis data. The mass streamfunction that is induced by wave forcings in the transformed Eulerian-mean (TEM) equation through the downward-control principle is used as a proxy for the BDC. The changes in the BDC are investigated using two aspects: the wave propagation conditions in the stratosphere and the wave activity in the upper troposphere. They are compared in the first (P1) and second (P2) 15-year periods. The resolved wave forcing, expressed by the Eliassen-Palm (EP) flux divergence (EPD), is significantly enhanced during the December-January-February (DJF) season in P2 in both the Northern Hemisphere (NH) high latitudes and the Southern Hemisphere (SH) mid- and high latitudes. The increased zonal mean zonal wind at high latitudes in the SH, caused by ozone depletion, leads to an upward shift of the Rossby-wave critical layer and this allows more transient planetary waves to propagate into the stratosphere. In the NH, the enhanced EPD in DJF leads to an increase in the frequency of Sudden Stratospheric Warming (SSW) events. The gravity wave drag (GWD) is smaller than the EPD and the change in it between the two time periods is insignificant. The residual term in the TEM equation is similar to the GWD in the two periods, but its change between the two periods is as large as the change in the EPD. Among the four components of the EP flux at 250 hPa, the meridional heat flux played a dominant role in the enhancement of the BDC in P2.     

INFLUENCE OF THE BASIC FLOW IN THE TROPICS ON THE STATIONARY PLANETARY WAVES AT MIDDLE AND HIGH LATITUDES DURING THE NORTHERN HEMISPHERE WINTER

The relationship between the quasi-stationary planetary waves forced by topography and heat sourceduring the Northern Hemisphere winter is investigated by means of a quasi-geostrophic,34-level,sphericalcoordinate model with the Rayleigh friction,the Newtonian cooling and the horizontal eddy thermal diffu-sion.The calculated results show that when the basic flow is the westerly in the tropical stratosphere,theamplitude of quasi-stationary planetary wave for zonal wavenumber 2 at middle and high latitudes is largerduring the Northern Hemispheric winter;while when the basic flow is the easterly,it is smaller.This is inagreement with the observed results.The calculated results also show that influence of the basic flow in the tropical troposphere on the quasi-stationary planetary waves is larger than that of the basic flow in the tropical stratosphere on the quasi-stationary planetary waves.     

2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因分析

我国西南地区从2009年秋季到2010年春季发生了严重干旱,这次干旱无论持续时间和发生区域或降水减少程度都是近50年来所罕见的,因而本文利用ERA-40再分析资料和海温资料从热带西太平洋和热带印度洋热力异常对热带西太平洋和南亚上空大气环流的影响来分析了这次西南地区干旱发生的成因。分析结果表明:从2009年秋到2010年春季,热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态,它使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流,造成了西南气流异常在我国东南沿海加强,而华南和华中地区上空处于低槽控制,因而在高原东部为槽后西北气流和下沉气流所控制,造成了从孟加拉湾来的水汽很难到达云贵高原,从而引起了此区域降水长期偏少。并且,分析结果还表明了中高纬度地区的环流异常对此次严重干旱也有重要影响。由于从2009年冬季到2010年春季中高纬度准定常行星波传播的极地波导偏强,而低纬波导偏弱,这导致波的E-P通量在60°N附近对流层和平流层为辐合,而在35°N附近对流层中、上层为辐散,从而引起纬向平均西风在60°N附近对流层和平流层减弱,而在35°N附近对流层中、上层加强,造成了北极涛动(AO)为很大的负值。由于AO为负值,东亚冬季冷空气活动强且路径偏东,使得到达西南地区冷空气偏弱,从而引起西南地区持续性严重干旱的发生。     

Three-dimensional semi-empirical climate model of water vapor distribution and its implementation to the radiation module of the middle and upper atmosphere model

To provide the more accurate simulation of stationary planetary waves and atmospheric tides using the middle and upper atmosphere model (MUAM), the three-dimensional (longitude-latitude-height) semi-empirical climate model of water vapor distribution in the troposphere was developed which takes into account seasonal variations. The modules of radiation heating and cooling in the MUAM model were modified taking into account the dependence of water vapor concentration on longitude. The simulations performed using the modified version of MUAM revealed that the consideration of water vapor concentration variability along the circle of latitude leads to the substantial dependence of solar heating on longitude that affects the amplitudes of stationary planetary waves in the stratosphere.     

北半球冬季平流层强、弱极涡事件演变过程的对比分析

利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析,同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明,强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程,而弱极涡事件的建立非常迅速;和强极涡事件相比,弱极涡事件的峰值强度更强,异常中心的位置更高。此外,强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件,发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波;当平流层西风达到一定强度,上传的行星波受到强烈抑制,使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件,发展阶段一波型的异常增强了行星波上传,通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态,更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明,有SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常,通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃;无SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层缺乏向上的一波通量,二波活动起到重要作用,其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件,其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常,伴随着强的向极的EP通量异常,导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常,其后期的对流层效应更加滞后也不连续,对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。     

平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用的研究:进展与问题

本文综述了近年来关于平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用动力过程的研究进展,特别是回顾了近年来关于平流层大气环流和行星波动力学、热带平流层大气波动及其与基本气流相互作用、平流层大气环流变异对对流层环流和气候变异的影响及其动力过程、平流层大气数值模拟以及在全球变暖背景下平流层大气的长期演变趋势预估等的研究进展。最近的研究揭示了大气准定常行星波传播波导的振荡现象、重力波在热带平流层准两年振荡和全球物质输送中的作用、平流层长期的变冷趋势变化、平流层在对流层天气和气候变化中的作用等现象,表明了平流层大气动力学研究的重要性。平流层大气动力学的深入研究,以及对数值模式中平流层模拟性能的提高,最终都会推动整个大气科学和气候变化研究的进一步发展。