扰动位能在东亚夏季风变化中的作用及其可预报性

The variation of the East Asian summer monsoon (EASM) exerts considerable influences on the climate in China. Studying kinetic energy sources of monsoon circulation from the perspective of energetics is critical important to understand monsoon variation and its mechanism, however, the traditional theory of available potential energy (APE) has limitations in studying regional effective energy cycle and transformation. Therefore, it is necessary to put forward a new theory of regional APE which can be applicable to the study of energy cycle and transformation of regional circulation system. On the basis of existed studies this proposal intends to systematically develop the theory of perturbation potential energy (PPE) of atmospheric circulation and to apply the PPE theory to EASM study. The proposal tries to investigate spatial and temporal characteristics of PPE over the EASM region, explore relationship bewteen PPE and EASM as well as underlying surface forcings, reveal the physical process and relevant mechanism on how underlying surface forcings effect the kinetic energy of EASM circulation through the link of PPE, look for preceding PPE signals associated with EASM varaition, elucidate the predictability of PPE over the EASM region and underlying mechanism, and propose the corresponding physical concept model. The sucessful implementation of this project will provide a new approch to undrestand and investigate EASM variability and its impacts on the climate in East Asia and lay a theoretical foundation for improving the predcition level of seasonal-interannual EASM.

东亚夏季风变化对中国气候有显著影响，从能量学探讨季风环流的动能来源对认识季风变动及其机制至关重要，然而，传统的有效位能理论在应用于区域环流有效能量转换问题的研究上尚有局限性。因此，需要提出适用于研究区域环流能量循环和转换的局地有效能量学的新理论。本项目拟在前期研究的基础上，通过系统发展大气环流扰动位能(PPE)理论，将该理论应用于东亚夏季风变化的研究，建立东亚夏季风变化的PPE理论，揭示东亚季风区PPE变化的时空特征，探讨PPE与东亚夏季风以及下垫面强迫之间的联系，阐明下垫面强迫通过PPE转化成东亚夏季风环流动能的物理过程和机理，寻找影响东亚夏季风变化的前期PPE能量学信号，揭示其中的作用过程及机制，探讨其可预报性。在此基础上，提出相应的物理概念模型，为提高东亚夏季风预测水平提供一定的理论基础。项目的成功实施将为理解东亚夏季风变化及其对东亚气候的影响提供新的途径。

从能量学探讨季风环流动能来源对认识东亚夏季风变动及其机制至关重要，然而，传统有效位能理论对研究区域环流能量转换尚有局限性。本项目通过研究适用于区域环流能量转换分析的扰动位能(PPE)新理论，揭示PPE的时空特征及主导模态、其与东亚夏季风及下垫面强迫的耦合联系、下垫面强迫通过PPE转化成夏季风扰动动能的机制，寻找东亚夏季风变化的前期PPE信号、影响机制与可预报信号来源。主要成果如下，对从能量学角度认识东亚夏季风变化及其预测模型建立有重要科学意义和应用价值：1)得到了大气扰动位能PPE一阶距方程与扰动动能PKE转化方程，分层扰动位能LPPE和分层扰动动能LPKE的控制方程，指出PPE的优越性，阐明了PPE及LPPE是联系非绝热加热和PKE变化的重要纽带，说明PPE理论是研究东亚夏季风或其他气候系统变化的新视角，对深入认识区域环流异常与能量转换及其在夏季风变化中的作用有重要意义。2)揭示了全球PPE和东亚夏季风区LPPE主导模态的时空特征，发现东亚LPPE第一模态呈现明显的年代际变化特征；揭示了印太地区LPPE与下垫面非绝热加热的耦合关系，及下垫面强迫通过LPPE向东亚夏季风扰动动能转化的可能物理机制。3)发现影响东亚夏季风的前期春季LPPE信号，揭示了LPPE在关键区前期海温对东亚夏季风影响的纽带作用，为预测东亚夏季风提供了新的可预报性信号来源，给出了相应物理概念模型。4)建立了基于前期春季LPPE东亚夏季风预测模型，预测性能良好，具有业务应用潜力。此外，建立了长江中下游夏季降水尺度分离滑动统计预测模型、秋季IOD季节预测模型。5)指出PPE是研究西太热带气旋(TCs)变化新的切入点，发现西太PPE在关键区海温影响西太TCs中的桥梁作用，指出印太对流涛动(IPCO)影响东亚夏季风可通过PPE调节西太TCs来实现。6)利用PPE理论研究了影响东亚夏季风变化的重要热带系统的能量学过程与机制。提出ENSO循环过程中中西太平洋Hadley环流负反馈机制，对理解ENSO循环位相转换有重要意义；揭示了IOD期间SSTA-PPE-Walker环流正反馈机制；提出南海夏季风对流-PPE-环流正反馈机制，建立了南海夏季风和IOD之间的能量学联系。发表论文41篇(SCI 36篇)，举办国际会议3次，组织国际会议分会10次，做特邀报告12次，培养毕业研究生10人(其中博士8人，硕士2人)。