平流层对流层耦合的特征及其在对流层天气气候变化中的作用

The study of stratosphere-troposphere coupling and its impacts on tropospheric weather and climate is an international frontier research. On what conditions, by which mechanisms and to what an extent the stratosphere affects tropospheric weather and climate are challengeable questions to answer, while a better understanding of these questions is important to extend and improve tropospheric weather forecasting and short-term climate prediction. This project will use the observations and reanalysis data together with numerical models to study the characteristics of the stratosphere-troposphere coupling; investigate the interactions between the chemistry-radiation coupling and the stratosphere-troposphere dynamical coupling; analyze the interactions between the radiatively and chemically active components in the stratosphere and climate change; diagnose the change of the chemistry-radiation-dynamic coupling between the stratosphere and troposphere under the background of changing stratospheric ozone, greenhouse gases and climate. Based on above, the project will investigate the role of the stratospheric progresses and the variations in the composition of the stratosphere in the tropospheric weather and climate change, search for main processes and mechanisms as well as control factors by which the stratosphere affects the troposphere. As the project probes the influence of the stratosphere on the tropospheric weather and climate in a fully coupling frame of chemical-radiative-dynamical processes, it is innovative and unique.

平流层与对流层的耦合及其对对流层天气气候的影响是目前国际上的一个前沿研究领域。平流层究竟在怎样的环境下通过什么机制和在多大程度上影响对流层的天气和气候是挑战性的科学问题，针对这些问题的深入理解和认识对于提高对流层延伸天气预报和短期气候预测具有重要的意义。本项目主要通过资料诊断分析和数值模拟来研究平流层对流层耦合的主要特征，分析平流层对流层化学-辐射耦合与其动力耦合中的相互作用，研究平流层大气中的主要辐射化学活性成分和气候变化之间的相互反馈特征，以及在平流层臭氧、温室气体和气候不断变化的背景下，平流层对流层化学-辐射-动力耦合的变化特征。在上述研究基础上，项目将深入研究平流层大气在对流层天气气候变化中的作用，揭示平流层影响对流层天气气候的主要过程、机制及主要控制因子。项目全面考虑了平流层对流层之间的化学、辐射及动力过程之间的耦合与反馈，探索平流层大气对对流层天气气候的影响，具有特色和创新。

项目以平流层对流层耦合的特征及其在对流层天气气候变化中的作用为主体研究内容，深入研究了平流层对流层动力耦合的主要特征；分析了平流层对流层动力耦合的主要机理；探究了平流层对流层化学-辐射耦合在动力耦合中的作用。项目完成了拟定的研究内容，达到了预期的研究目标，取得了一些创新性的研究成果。.项目的主要研究成果为：1）发现对流层环境及热带平流层准两年振荡（QBO）是影响平流层环状模异常是否下传的两个关键因子；发现北极平流层极涡变化对对流层北极涛动、阻塞活动、冷空气爆发、东亚大槽等系统均有显著影响；平流层残余环流上升支的增强有利于高（中）纬度的地表气压增加（减小）；发现青藏高原上空穿透性对流系统及华南暴雨发生前对流层顶高度会出现明显的异常。这些研究成果表明平流层过程及平流层异常信号对提升对流层延伸期天气预报和短期气候预测的水平具有重要意义。2）发现对流层阻塞是平流层极涡偏向欧亚、北美以及大西洋的前兆信号之一；热带季节内振荡4位相期间中高纬度平流层行星波明显减弱；北太平洋中部海温增加引起了近20年来北极平流层极涡的减弱；这些研究成果加深了我们对平流层对流层动力耦合机理的理解。3）发现北极平流层臭氧减少可通过增强平流层极涡引起美国西北部降水的减少以及正维多利亚型海温异常，在此基础上利用北极臭氧信号和印度洋海温信号建立了一个针对中国中部地区降水的延伸期预测模型；发现北极海冰减少使得近三十年欧亚大陆上空臭氧总量持续下降，厄尔尼诺南方涛动和QBO是造成下平流层臭氧年际变化的主要因子；发现平流层残余环流半球不对称变化趋势是造成2004-2012年平流层N2O、CH4和HCl的半球不对称变化趋势的重要因子；南亚高压的南北移动对亚洲季风区上对流层-下平流层区域内大气成分分布有显著的影响。这些研究成果提升了我们对平流层对流层化学-辐射-动力反馈过程的认识，也表明平流层对流层内化学-辐射-动力反馈过程对对流层天气气候的变化具有重要的影响。