热带热源的大气响应理论拓展及其应用

Tropical heating is the important driver of atmospheric circulation. Patterns of tropical heat sources diversify in natural atmosphere, showing significant differences in heating properties, such as strength, zonal range, meridional location and gradient. How and to what extent varying heating properties influence atmospheric circulations haven’t been systematically analyzed. Thus, base on Gill model, this project introduces the heating equation with varying heating properties, obtains its analytical solutions by using Weber function expansion, to improve the theory of atmospheric response to tropical heating. Then the impact of varying properties in isolated and bipolar heating on the atmospheric circulation could be analyzed theoretically. To further extend application scope of the theoretical result, it will be used to explain atmospheric circulation anomalies induced by heating and the corresponding weather and climate change in natural atmosphere. The relevant work would be beneficial to better revealing the impact of tropical heating to the atmospheric circulation, and further understanding of the evolution of atmospheric circulation, weather and climate.

热带热源是大气的重要驱动力。实际大气中热带热源形式多变，其属性如强度、范围、经向位置及梯度存在显著差别。目前热源属性变化如何及在多大程度上影响大气环流尚缺乏系统研究。因此，本项目拟在Gill模式中引入包含热源属性变化的热源函数，利用Weber函数展开求得相应的大气响应理论解，完善热带热源的大气响应理论。进而从理论上分析单一型和双极型热带热源中热源属性变化对水平及垂直大气环流的影响，解释实际大气中外强迫源激发的环流及相应的天气气候异常特征，扩展该理论实际应用范围。此项目有助于我们更全面揭示和理解热带热源对大气环流的影响，提高对大气环流及天气、气候演变规律的认识。

实际大气中热带外强迫源形式不尽相同，其强度、范围、经向位置和梯度等均会存在差异，并且对大气环流有不同的影响。为了更加准确解释实际大气中热带热源对应的大气响应并研究不同形式热源的大气响应差异，本研究建立了包含热源属性如强度、范围、经向位置及梯度的热源函数，并基于Gill模式求得了相应的水平和垂直解析解。基于拓展的大气热源理论解表明，热源强度和范围均会正向影响大气相应的强度和范围。经向梯度与热源经向结构紧密相关，相对于大气响应强度，其主要影响大气响应的经向位置和范围。热源的经向位置主要影响大气响应空间分布及强度的对称性。此外，我们将拓展的解析解用于解释印度洋偶极型和海盆一致型分布型对应的大气环流特征、全球变暖背景下赤道太平洋信风变化趋势成因以及用于佐证赤道太平洋冷舌模态与赤道大西洋纬向海温梯度减弱趋势的关联。本研究完善了包含热源属性变化的热带热源大气响应理论，并扩展相关理论的实际应用。该研究将有助于我们更全面揭示和理解热带热源对大气环流的影响，提高对大气环流及天气、气候演变规律的认识。