北极平流层臭氧变化对北半球上对流层下平流层行星波活动的影响及机理

The study of the impacts of stratospheric ozone anomalies on the tropospheric weather and climate is an international frontier research. Previous studies have found that the Antarctic stratospheric ozone has significant impacts on the tropospheric weather and climate in the Southern Hemisphere, however, the impacts of the Arctic stratospheric ozone (ASO) on the tropospheric weather and climate and the mechanisms are still unclear. This proposal focuses on the planetary waves, which play a key role to the coupling between the stratosphere and troposphere. Using several observational and modelling datasets, the potential impacts of ASO on the planetary wave activities over the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) and the mechanisms are investigated by the data analysis, model simulation and theoretical analysis. We will try to clarify the impacts of ASO on the stratospheric planetary wave activities, the effects of ASO on the propagation environment for the planetary waves, the potential influences of ASO on the tropospheric planetary wave strength, and the possible mechanisms will be further investigated. The relative contributions of the impacts of ASO on the stratospheric planetary wave activities via modifying the tropospheric planetary wave strength or changing the propagation conditions of the planetary waves over the UTLS will be evaluated. The results from this project will have important scientific implications in better understanding the mechanisms to the impacts of stratospheric ozone on the tropospheric weather and climate, also have values in the improvments of the extended-range weather forecast and short-term climate prediction.

平流层臭氧异常对对流层天气气候的影响是目前国际上的前沿研究热点之一。以往的研究已发现南极平流层臭氧损耗对南半球对流层天气气候有重要影响，但北极平流层臭氧变化影响北半球对流层天气气候的程度及机理还不清楚。本项目将以平流层对流层相互作用的关键纽带即行星波为主体，利用多套观测和模式资料，采用资料诊断、数值模拟和理论分析相结合的方法，探讨北极平流层臭氧对上对流层下平流层行星波活动的影响及机理。项目将阐明北极平流层臭氧变化对平流层行星波活动的影响，揭示北极平流层臭氧变化影响行星波传播环境特征及此过程对平流层行星波活动的影响，弄清北极平流层臭氧变化对对流层行星波强度的潜在影响，并评估该过程在平流层臭氧变化影响平流层行星波活动过程中的贡献。研究结果将对深入理解平流层臭氧变化影响对流层天气气候的机理具有重要科学意义，也对提高北半球对流层延伸期天气预报和短期气候预测水平有实际应用价值。

项目围绕北极平流层臭氧变化、成因及其与对流层气候异常的联系展开研究，探讨了北极平流层臭氧近些年的变化及其与北太平洋海温等的关系；分析了北半球行星波活动及行星波传播环境的变化；揭示了北极平流层臭氧变化对北半球Hadley环流边界、中纬度降水、北极涛动AO等的可能影响；阐明了北极平流层极涡SAV的变化及成因。得到以下主要结论：1）北极平流层臭氧在1998-2018年间以–0.12±0.07 ppmv decade–1的速率在减少，约30%是由超前一个月的北太平洋海温贡献的。北太平洋海温异常通过减弱阿留申低压、增强西太平洋遥相关型、减弱太平洋-北美遥相关型，进而阻碍了行星1波的垂直上传。行星波活动变化通过减弱Brewer-Dobson环流导致北极平流层臭氧损耗。研究还表明，北半球行星波强度在2000年后出现了减弱趋势，且该减弱趋势主要与高纬度对流层顶附近背景波传播环境和对流层行星1波活动减弱导致的行星1波强度减弱有关。2）北极平流层臭氧与北半球春季Hadley环流北边界存在显著反相关系。北极平流层臭氧增加主要通过减弱涡动动量通量、减少静力稳定性、减弱涡动量通量散度和经向北风异常，从而导致Hadley环流北边界及副热带雨带向赤道移动。3）早冬北极平流层极涡SAV与晚冬地面AO在2000s前存在显著正相关关系，而在2000s后二者关系变弱且不显著。SAV与北大西洋海温异常SSTAs之间也存在显著的年代际关系，即暖(冷)SSTAs对应一个减弱(增强)的SAV。正SSTAs主要通过通过引起大西洋脊和太平洋槽的环流异常，该异常伴随着北大西洋负NAO型及太平洋减弱的阿留申低压，更多的行星1波通过改变北极上空纬向平均背景状态的斜压项和改变北极对流层顶附近的传播条件而传播到北极平流层。这些结果将对深入理解平流层臭氧变化影响对流层天气气候的机理具有重要科学意义，也对提高北半球对流层延伸期天气预报和短期气候预测水平有实际应用价值。. 在三年的项目研究过程中，共发表SCI论文9篇，其中5篇一区SCI 论文和3篇二区SCI论文，培养1名博士研究生和1名硕士研究生，资助项目负责人参加国际学术会议3次，国际学术访问1年。超额完成了项目预期的研究目标。