下界面过程影响东亚瞬变涡旋季节变化的动力机制研究

Transient eddies, not only the most frequent mid-latitude weather phenomena, but also play important roles in the mid-latitude general circulations. Observational study shows that transient eddies in East Asia exhibit non-conventional seasonal variations, which are strongest in fall and spring but relative weak in winter. The causes for this unique seasonal variations are not clear so far. Recent study indicates that surface heating by the sensible heat flux might play a dominant role in driving such seasonal variations. This project is proposed to study the mechanisms through which surface heatings in the upstream and downstream of East-Asian transient eddies can affect the eddy activities as well as their interactions with the mean flow. This study will help understanding not only the seasonal but also interannual, decadal variations of the East Asia climate, understating the impacts of surface processes such as snow-cover and aridification on the regional climate, and help improve the climate forecasting ability in East Asia.

瞬变涡旋活动既是中纬度最普遍的天气现象，又是驱动和维持中纬度大气环流的重要动力过程。对观测资料的分析发现，东亚地区的瞬变涡旋活动有着较为独特的季节变化规律，呈现春季和秋季强、冬季偏弱的双峰型变化。而造成这一独特季节变化规律的原因目前却并不完全清楚。最近的研究显示，东亚地区下界面对大气的感热加热可能是引起东亚瞬变涡旋独特季节变化的主要原因。本研究着眼于其背后的动力学机制，研究在不同季节的气候和环流背景下，东亚瞬变活动上、下游不同区域的下界面过程对东亚瞬变涡旋活动及瞬变涡旋与平均流相互作用机制的影响。该项研究对理解东亚地区的季节以及年际、年代际等更长时间尺度上的气候变化，理解冰雪、干旱化等下界面异常对东亚气候的影响、提高对东亚的气候预测能力等有重大的理论及现实意义。

利用诊断分析与数值模拟，本项目研究了在不同季节的气候和环流背景下，东亚瞬变活动上、下游不同区域的下界面过程对东亚瞬变涡旋活动及瞬变涡旋与平均流相互作用机制的影响。 ..本项目揭示出下界面过程通过影响低层大气斜压性而影响中纬度大气瞬变活动的具体机制。与国际上已有的斜压响应观点不同，本研究提出低层大气斜压性的改变所引起的高层风场及瞬变涡旋的水平传播等正压过程的改变是引起大气环流变化的最主要过程。该结果是对经典的斜压调整理论的修正与发展，更为进一步研究东亚地区具体的下界面过程对瞬变活动的影响提供了理论基础。本项目研究进一步提出了区分并定量诊断大气瞬变活动的正压和斜压过程在大气环流异常中的相对作用的新方法，为大气环流异常的归因、动力诊断和定量预测提供了切实有效的工具，更为中纬度非线性动力学研究提供了手段和途径。..在以上理论工作的基础上，本项目明确了青藏高原的大地形分布、北极海冰和北太平洋中纬度的海气耦合过程对东亚大气瞬变活动的关键作用，尤其是前两种下界面过程对东亚瞬变活动的季节变化影响显著，并进一步揭示了以上不同下界面过程对东亚瞬变活动的不同影响。项目研究结果对理解东亚地区乃至整个中纬度地区的次季节、季节以及更长时间尺度上的气候变率，提高东亚的气候预测能力等有重要的理论和现实意义。..本项目的研究工作已经整理成5篇文章发表在本方向的国际权威期刊J. Atmos. Sci.、Geophys. Res. Lett. 和 J. Climate上，还有数篇文章也已分别投往了JAS、GRL和JCL在审或正在撰写。以上研究工作发表后被哈佛大学、芝加哥大学、日本东京大学等国际著名气候动力学研究组发表在JAS、GRL、JCL的文章多次引用，并在国际会议上做邀请报告。部分研究工作于2016年被美国地球物理学会（AGU）选为研究亮点（AGU Research Spotlight），在其学会通讯（Eos，https://eos.org）上专门撰文进行了报道，评价研究结果为提高次季节至跨季节尺度的气候预测提供了途径。