青藏高原平流层-对流层动力耦合的季节特征及其区域和全球气候效应

Stratosphere (ST) -troposphere (TR) two-way interactions have been recognized as one of the important aspects in understanding the occurrence of climate anomalies in the troposphere. The Tibet Plateau (TP) is the largest and the strongest forcing source of planetary waves, and thus plays a crucial role for the climate in East Asia and around the globe. The TP region was also found to be the key pathway of mass, water vapor, and pollution ingredients from troposphere to stratosphere. However, the lack of knowledge of ST-TR dynamical coupling processes particularly the ST-TR coupling features over TP, largely limits further practical applications of the stratospheric effects especially in the East Asia. By applying the PV-θ theory and the modern global mass circulation framework, and by performing dynamic diagnosis, composite and contrastive analysis, and also a series of sensible experiments with the WACCM model system, this project is to systematically investigate the seasonal features of the ST-TR dynamical coupling over the TP, particularly the possible regional and global climate effects of TP associated with ST-TR coupling processes in different seasons, to illustrate the processes through which the dynamic and the thermodynamic forcing of TP exerts it effects on the regional ST-TR interactions, on the stratospheric circulation and on the meridional global mass circulation intimately related with stratospheric oscillations.

平流层-对流层相互作用已经成为理解对流层气候异常成因的重要方面。青藏高原是尺度最大、强度最强的准定常行星波强迫源，对区域及全球气候至关重要，同时也被认为是对流层向平流层物质输送的重要通道区。对平流层-对流层动力耦合机理及青藏高原地区平流层-对流层耦合过程认识的不足，限制了平流层效应的实际应用以及对高原气候效应的进一步理解。本课题拟以位涡-位温分布（PV-θ）理论为基础，应用全球质量环流理论，并利用对平流层模拟性能良好的WACCM模式系统，通过动力诊断、合成对比分析以及系列数值敏感性试验，系统研究青藏高原及其周边平流层-对流层动力耦合的季节特征，特别是与平流层-对流层动力相互作用有关的高原的区域和全球气候效应，以揭示高原动力和热力强迫影响区域平流层-对流层耦合、影响北半球平流层环流以及影响平流层振荡过程中经向质量环流异常的过程和机理。

本项目为重大专项‘青藏高原地-气耦合系统变化及其全球气候效应’2015年立项的培育项目。项目主要研究内容包括三个方面：1）青藏高原平流层-对流层动力耦合的季节特征； 2）与青藏高原平流层-对流层耦合有关的区域气候效应；3）青藏高原动力和热力作用在热带外平流层的远程（全球）气候效应。3年以来本项目紧密围绕上述研究内容和目标，基于多源资料，应用平流层动力学以及等熵位涡等基本理论，通过动力诊断和数值模拟手段，开展了系统深入的研究，完成了项目原定的研究目标。主要成果包括：1)说明了青藏高原区域平流层－对流层动力耦合的独特的季节特征及其成因，指出平流层－对流层耦合过程在青藏高原影响区域气候过程中的不可忽视的作用。 2)揭示了与上述耦合过程有关的区域气候效应：指出在青藏高原周边，水汽的等熵交换过程是区域平流层－对流层水汽交换的重要过程，平均强度在夏季强于非绝热垂直传输；说明了青藏高原东缘平流层高位涡的向下侵袭以及对流层顶折叠等动力耦合异常的发生，与东亚季风降水的演变和年际异常分布有密切联系。 3)说明了冬、夏季青藏高原动力热力作用对热带外平流层的远程影响过程：夏季高原热力作用可通过激发Rossby波列影响热带外平流层－对流层，从而对热带外的天气气候异常形成显著影响；冬季青藏高原可通过加强区域大气斜压性、增强行星波强度，锁相行星波位相，而作用于北半球热带外平流层的极涡强度、型态分布以及振荡过程。高原的存在使平流层极涡强度变弱，使平流层爆发性增温事件增多，极涡振荡的幅度增强。4）通过对比青藏高原与同纬度落基山地形作用的异同，进一步说明了青藏高原的独特的主导作用。