热带对流层季节内振荡对中高层大气影响的观测及模拟研究

Using the satellite observations and reanalysis data, as well as the numerical simulation, this study will investigate the effect of the tropical tropospheric intra-seasonal oscillation (e.g. Madden-Julian Oscillation) on the variations of the middle atmosphere (stratosphere and mesosphere). For the stratosphere, this study will focus on the MJO-stratospheric polar vortex interaction, along with its physical and chemical mechanism. This object attempts to explore the effect of the atmospheric background on the MJO-stratosphere interactions, by analyzing the MJO-induced wave disturbances. The ‘Specified Dynamical’ WACCM and CAMCHEM model of National Center for Atmospheric Research will be utilized to simulate the impact of MJO on the stratosphere and the mesosphere. By nudging to the lower atmospheric reanalysis data, the MJO characteristics and the responses to it in the troposphere and stratosphere in WACCM/CAMCHEM follow those in the reanalysis meteorological fields. By analyzing both the numerical simulations and the satellite observations, the propagation of MJO signal and its effect on the middle atmospheric circulation/tides and atmospheric composition will be studied. We also attempt to understand the mechanism in which the MJO could modulate the wave (Planetary waves and gravity waves) incitation and propagation in the stratosphere and mesosphere, and how these waves interact with the middle atmosphere.

本项目拟通过对卫星观测资料和再分析数据的统计分析，结合数值模式模拟结果，研究热带对流层季节内振荡活动(MJO)对中高层大气活动的影响。对于平流层的研究，拟关注MJO事件与平流层极涡活动的相互作用及其物理、化学机制。通过分析MJO对行星波、重力波等的扰动，尝试理解背景大气变化（如是否发生了平流层突然增温，SSW）对MJO于平流层极涡耦合过程的影响。在MJO对中间层大气影响的研究中，拟利用美国国家大气科学研究中心定制动力版本（SD）WACCM、CAMCHEM模式，通过耦合低层大气再分析数据，从而在模式的低层大气模拟中得到与观测一致的MJO信号，并模拟其与中间层环流、潮汐等大气活动的影响。综合分析模式模拟并对比卫星观测数据，研究MJO信号在中高层大气中的传播过程及其对大气环流/潮汐等变化的影响。尝试理解对流层季节内活动对行星波、重力波的激发、传播过程的调制以及其与中层大气环流的相互耦合作用。

本项目按照申请书和项目计划书执行，基本完成了项目设定的任务。基于多种卫星观测数据、再分析数据和全大气耦合模式模拟，系统研究了热带大尺度对流10-100天振荡活动(Madden and Julian Oscillation, MJO)引起的中高层大气多种响应及相关影响机制。基于欧洲中尺度天气预测中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 的 ERA-Interim再分析数据，研究发现MJO事件中热带对流活动引起的大气扰动可通过激发异常行星波，并通过行星波的传播和破碎调制平流层极涡的变化，同时在平流层和中间层的大气响应存在不同的时间滞后特征。此外，不同区域的热带对流活动激发的行星波对平流层不同纬度的影响存在差异。通过全大气公共气候模式（WACCM）数值模拟研究，进一步阐明了热带对流活动引起行星波-背景风场-重力波-高层大气温度的多过程系统耦合机制，揭示了中高层大气对热带对流活动响应时间滞后的机理。结合卫星观测和数值模拟，本项目的研究中发现了热带对流活动通过大气波动引起南极平流层臭氧的动力学快速输运机制，其引起的臭氧柱含量变化速度与引起臭氧洞形成的化学作用相当。该机制导致MJO特定相位发生后，南极平流层臭氧发生快速变化。基于Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications 2 (MERRA2)再分析数据，在对2019年南半球平流层突然增温事件(SSW)引起的对流层-平流层-中间层大气滞后耦合机制的分析中，创新性的提出了平流层风场异常下传引起的大气稳定性-大气波动耦合机制，可在2-3个月的跨季节时间尺度调制大气垂直耦合。通过对SABER卫星大气温度观测的拟合，结合“定制动力”的全大气公共气候模式（SD-WACCM），系统分析了热带海洋温度变化对中高层大气周日迁移潮汐的影响机制，发现在东太平洋温度异常偏高时，低层大气潮汐热源、大气潮汐波导，高层大气重力波-潮汐相互作用3种动力学机制均会抑制高层大气潮汐振幅。上述成果已发表5篇高水平国际SCI论文（均为中科院1区或Nature Index索引），标注本项目资助。