中纬度海表面温度锋和海洋中尺度涡对北大西洋涛动及其多尺度相互作用的影响研究

The North Atlantic Oscillation (NAO) is one of the most significant low-frequency modes of the mid-high latitude atmospheric circulation anomalies in the North Hemisphere. The dynamical research about the NAO showed that the multi-scale interaction, i.e. synoptic wave-planetary wave-mean flow interaction, is the crucial process for the NAO dynamics. As the upstream source of the synoptic wave for the multi-scale interaction of the NAO, the storm track associated with the subtropical jet stream is extremely important for the NAO evolution. Under the storm track and the subtropical jet stream, there exist the ocean western boundary current and its extension, where have strong sea surface temparature gradient and energetic oceanic mesoscale eddies.This results to strong air-sea interaction in that region. With focusing on the multi-scale interaction associated with the NAO,the project will introduce the effect of the oceanic thermal front and mesoscale eddies into the discussion of the NAO dyanmical process. Based on the data analysis and the numerical simulation by carrying out a simple air-sea coupled model,the relationships between oceanic thermal front/oceanic mesoscale eddies, the subtropical jet stream, the storm track and the NAO are investigated. The connection between oceanic forcing meantioned above and the intensity evolution and phase transition of the NAO will be explored. Through the sensitivity numerical experiments, the possible mechanisms of the above relationships will be presented and the contribution for the NAO multi-scale interaction from air-sea coupled mode associated with the oceanic thermal front and mesoscale eddies will be evaluated.The research work in the project will extend the NAO dyanmics and be helpful for us to comprehend the essence of the NAO.

北大西洋涛动（NAO）是北半球中高纬度大气最为显著的低频模态之一，是全全球气候变化链条中的重要一环。研究表明，天气尺度波-行星尺度波-基本流的多尺度相互作用是NAO动力学的核心。风暴路径是NAO上游的主要天气尺度波来源，对NAO影响至关重要。风暴路径和与之相联的副热带急流下方是海洋西边界流及其延伸体区域，该区域具有较强的海表面温度锋和中尺度涡能量，是海-气耦合的活跃区域。本项目围绕NAO的多尺度相互作用问题，着眼于海表面温度锋和海洋中尺度涡与大气环流的相互作用，通过资料分析和海-气耦合模式的数值模拟，揭示不同强度和位置的海表温度锋和海洋中尺度涡与副热带急流、风暴路径和NAO的强度演变、位置变化及位相转换之间的联系。进一步通过敏感性数值实验揭示造成这些内在联系的可能机制，评估与海表面温度锋和海洋中尺度涡有关的海-气耦合模态在NAO多尺度相互作用中的贡献，从而丰富我们对于NAO的认识和理解。

中纬度海洋锋与大气相互作用是中纬度海气相互作用的焦点，而风暴轴和北大西洋涛动（NAO）的相互作用对于北半球大气环流异常重要，故研究中纬度海洋锋－风暴轴－NAO的相互作用具有重要科学意义。围绕这一科学问题，本项目试图回答如下问题：中纬度海洋锋与风暴轴和NAO有怎样的对应关系？三者是否存在低频共振？共振时间尺度是多少？共振通过什么物理过程实现？天气尺度波在共振中的角色是什么？天气尺度波又怎样影响NAO变化？ 这些问题的回答有助于明晰中纬度海气相互作用的关键机制，理解中高纬度大气海洋变率的内在机理，为进一步探讨有关多尺度相互作用过程提供依据，并为中高纬气候预测提供研究基础。. 项目利用拉格朗日法提取了北美北大西洋温带气旋，研究显示温带气旋活动范围在近30年有向西南漂移趋势，这与NAO位相以及大气低层斜压区基本吻合，这显示其与中纬度海洋锋的密切关系。进一步资料分析研究发现，中纬度海洋锋存在南北摆动和经向分支合并两个主要模态，与之对应的风暴轴变率也具有类似结构，其中分支合并模态与NAO显著相关，该模态对应的物理过程为：海洋锋合并（分支）→单支（双支）风暴轴→NAO正（负）位相→北负南正（北正南负）SLP异常→海盆尺度风生环流加强（减弱）→海洋锋合并增强（分支减弱）。联合谱分析证明，海洋锋与风暴轴和中高纬大尺度环流存在1～3年的年际共振，其中准一年共振信号体现了海洋锋和NAO的对应关系。三者的共振机制是通过海洋锋改变低层大气斜压性和经向热通量，引起涡动有效位能变化，再通过海洋非绝热加热使涡动有效位能转变为涡动动能，从而改变风暴轴异常并东移影响下游NAO。理想模型的动力学研究发现，天气尺度波位涡强迫的空间结构决定了下游行星尺度环流的弯曲和变形，只有当风暴轴异常激发的位涡强迫与下游NAO异常具有相同经向结构时才引发NAO共振加强，否则NAO崩溃衰亡。这种匹配关系暗示风暴轴对于NAO发生发展具有诱导作用，且其对于NAO的强迫效应在NAO发展的不同阶段作用截然不同。天气尺度波非均匀性会诱发对于大尺度流的能量反串级，其诱发的大尺度流的空间分布决定了涡动能量的传播方向，也进一步决定了NAO的位相和发展。上述结论进一步论证了海洋锋通过影响风暴路径进一步影响NAO的物理过程。而NAO异常的反馈效应能显著影响NAO正负位相的振幅和持续时间，进一步影响海洋锋变率。