中高纬冬季大气低频流与天气涡旋相互作用的运动学机制研究

As well known, atmospheric low-frequency flow (defined as departures of monthly/seasonal-mean flow from climatology) in the wintertime mid-high latitudes usually gets maintaining from the key energy source provided by feedback of synoptic-scale eddies (2-8 days). Meanwhile, the feedback of synoptic eddies is also organized by the low-frequency flow. Therefore, it has an important scientific implication to study features and mechanisms between the two timescales of phenomena for understanding in depth the generation and maintenance of the mid-high-latitude climate variability. This project plans to adopt a new-proposed method of synoptic eddy-structure decomposition to study kinematic mechanisms of interactions between synoptic eddies and low-frequency flow (SELF) in the wintertime mid-high latitudes. It will be first examined that the different types of atmospheric low-frequency flow modulate systematically the synoptic eddy-structure changes and the dynamical feedback which has been induced by the eddy-structure changes can be in return onto the low-frequency flow itself. Further, the kinematic mechaniams and the features of eddy feedback statistics will be analyzed and diagnosed after considering the eddy-heat-flux-induced forcing to the low-frequency flow. Then, the quantitative index to meature the SELF interactions will be developed and the spatio-temporal characteristics of the index and its prelimenary application to climate variability research will be further studied. By utilizing numerical models, it will be carried out to simulate the main features and kinematic mechanisms of the SELF interactions and to conduct numerical sensitivity experiments. Eventually, an integrated schematic diagram for the kinematic machanisms of the SELF interactions in the wintertime mid-high latitudes will be established. Through this project, it can be expected to harvest the high-level study achievements with potential application values.

中高纬冬季大气低频流（月/季平均环流的气候异常）维持的一个重要能量来源是天气尺度涡旋(2-8天)的反馈，但后者的反馈过程同时也受到前者的调制作用，研究二者之间相互作用特征和机制，对深入理解中高纬气候变率形成和维持机理具有重要科学意义。本项研究采用一种新发展的天气涡旋结构分解方法，对中高纬冬季大气低频流与天气涡旋(SELF)相互作用的运动学机制开展研究。考察不同类型大气低频流对天气涡旋结构的运动学调制作用以及涡旋结构改变所引起的对大气低频流的动力反馈特征，进一步分析在考虑了涡旋热力反馈情况下的运动学机制以及涡旋统计量特征，并研究用于表征大气SELF相互作用的定量化测度指标及其时空特征和初步应用问题，运用数值模式开展对这一相互作用运动学机制的模拟研究和敏感性试验分析，从而建立中高纬冬季大气SELF相互作用的运动学机制综合概念模型。通过本项研究，有望取得具有国际前沿水平和潜在应用价值的研究成果。

本项目深入研究了中高纬冬季大气低频流与天气涡旋（SELF）相互作用的运动学特征和物理机制。主要研究成果如下：.1）系统性地研究了SELF相互作用的运动学机制中的两方面物理过程。利用再分析资料，运用天气涡旋结构分解方法，分别考察了大气低频流对于涡旋结构的运动学调制作用以及由涡旋结构改变引起的对低频流的动力涡旋反馈特征。.2）揭示出引入涡旋热力反馈的大气低频流-天气涡旋相互作用的运动学机制。通过将天气涡旋结构分解方法运用到考虑涡旋热力反馈的研究中，诊断了涡旋热力学结构的基本和异常型特征，分析了涡旋热通量“左手”倾向性成因。.3）揭示了在综合考虑涡旋涡度和热通量情况下的运动学涡旋反馈特征和物理机制。利用准地转位涡方程框架，将涡旋涡度通量和涡旋热通量综合构建了涡旋位涡通量（TEPV），诊断出涡旋反馈统计量TEPV符合“左手”倾向性的特征和成因。.4）提出了大气SELF相互作用的定量化测度指标EIG、并考察了其时空特征和初步应用。通过理论推导揭示了天气涡旋强迫统计量与大气低频流之间的关系，进而设计用于表征SELF相互作用的定量化测度指标，分别给出了基于涡度方程框架反馈和基于准地转位涡框架反馈的EIG定义，并考察EIG指标在不同情况下的时空特征、进而探讨了其应用问题。.5）完成了对SELF相互作用运动学机制的数值模拟和敏感性试验研究。基于诊断分析结果，运用带有涡旋强迫算子的线性原始方程模式针对大气低频流改变天气涡旋结构以及天气涡旋反馈回大气低频流这一运动学机制进行了模拟和敏感性试验分析，证实了天气涡旋结构分解方法的诊断结论。进一步开展非线性模式对SELF相互作用运动学机制的模拟和检验研究。.6）建立了一个描述中高纬大气SELF相互作用的运动学机制的综合概念模型，从而加深了对中高纬冬季大气低频流维持机制的理解。.本项目资助培养博士1名、硕士6名。项目负责人晋升研究员并获评首批中国气象局“气象部门青年英才”。由课题资助发表的正式期刊文章23篇，其中包括SCI级论文15篇。