北半球平流层极涡位置的变化及其对东亚地区天气气候的影响

Northern Hemisphere polar vortex is an important system in the stratosphere-troposphere coupling processes and is vital link between tropospheric and stratospheric processes. The changes of polar vortex strength and its influences on the mid-latitude weather and climate over the Northern Hemisphere during winter have attracted wide attention. Recent studies found that the Northern Hemisphere stratospheric polar vortex is shifted towards the Eurasian continent. However, the knowledge of causes for the polar vortex shift and various potential changes in weather and climate induced by the polar vortex shift is not enough. With data analysis and general climate model simulation, this project will analyze the changes of centre and edge of the Northern Hemisphere stratospheric polar vortex during winter over the past three decades. The influences of main stratospheric processes (i.e., sudden stratospheric warming, quasi-biennial oscillation and stratospheric ozone changes) on the polar vortex position will also be analyzed. Furthermore, the project will quantify the contribution of these stratospheric processes to the polar vortex position changes. Finally, the influence of polar vortex position changes on the weather and climate in East Asia will be estimated and its underlying dynamical processes and physical mechanisms are going to be discussed. This project will reveal the change of Northern Hemisphere stratospheric polar vortex in the past and its causes, and explore the role of change in polar vortex position in the stratosphere-troposphere coupling in East Asia, in order to provide scientific evidences for weather forecast and short-term climate prediction in winter over China.

北半球极涡是平流层-对流层耦合过程中的一个重要系统，是联系对流层和平流层过程的重要纽带。极涡强度的变化及其对北半球冬季中高纬度天气气候的影响已受到广泛的关注。近期的研究发现北半球平流层极涡存在向欧亚大陆偏移的趋势。然而，关于北半球平流层极涡偏移的原因及极涡偏移引起的各种可能的天气、气候变化，目前的认识还很薄弱。本项目拟从资料分析入手，结合大气环流模式模拟结果，详细诊断过去三十年冬季北半球平流层极涡中心和边界位置的变化，分析主要平流层过程（平流层爆发性增温、平流层准两年振荡和平流层臭氧变化）对极涡位置的影响，并给出这些平流层过程对极涡位置变化的定量贡献；评估平流层极涡位置变化对东亚地区天气气候的影响，探讨其中的动力学过程和物理机制。项目将揭示过去几十年北半球平流层极涡位置的变化和成因，探索极涡位置变化在东亚平流层-对流层耦合过程中的作用，为我国冬季天气预报和短期气候预测提供科学依据。

北半球极涡是平流层-对流层耦合过程中的一个重要系统，是联系对流层和平流层过程的重要纽带。极涡强度的变化及其对北半球冬季中高纬度天气气候的影响已受到广泛的关注。项目负责人于2016年研究发现北半球平流层极涡存在向欧亚大陆持续偏移的趋势。然而，关于北半球平流层极涡偏移的原因及极涡偏移引起的各种可能的天气、气候变化，目前的认识还很薄弱。本项目以自1980年以来的冬季北半球平流层极涡中心和边界位置的变化为主体研究内容，分析平流层、对流层主要过程对极涡位置的影响，并评估平流层极涡位置和强度的变化对包括东亚地区在内的欧亚大陆的天气气候的影响，探讨其中的动力学过程和物理机制。.经过三年的研究，项目得到了以下主要结果：（1）揭示了北半球中高纬度平流层臭氧纬向非均匀变化是造成极涡存在偏向欧亚大陆趋势的重要原因之一，指出热带准两年振荡（QBO）可以在年际尺度上影响极涡的位置，即在QBO东风（西风）位相下北半球平流层极涡会偏向（偏离）欧亚大陆，发现北欧的阻塞增加以及白令海峡的阻塞减少有利于平流层极涡移向欧亚大陆；（2）发现平流层极涡偏向欧亚大陆不仅会造成包括东亚地区在内的欧亚大陆上空位势高度降低和地面降温，也会引起该区域的平流层臭氧化学损耗增强，使得冬季欧亚地区平流层臭氧恢复速率缓于同纬度其他地区；（3）揭示了冬季北半球平流层极涡强弱变化可以通过改变低平流层和对流层的瞬变波相速，调节对流层低层急流位置和强度，并最终影响北太平洋地区的海表温度、大气环流和降水。.上述成果为认识、预测北半球平流层极涡位置变化，理解极涡位置和强度变化对平流层、对流层天气气候的影响提供了重要的科学依据。在项目支持下，项目成员在Nature Communications，Journal of Climate，Climate Dynamics等国际国内期刊上发表15篇论文（SCI论文13篇）。项目负责人于2018年获得第九届“十佳全国优秀青年气象科技工作者”称号和2019年获得“谢义炳青年气象科技奖”。