平流层行星波活动及其在对流层-平流层耦合中的作用和机理

本研究利用最近的平流层高分辨率的大气环流模式，结合完整的平流层观测资料和再分析资料，通过诊断分析和数值模拟相结合的研究手段，分析平流层行星波动的三维传播及其异常过程，以及与行星波三维传播相对应的平流层波流相互作用，讨论行星波异常所对应的对流层顶附近的波流和波波相互作用的机理和过程。在传统子午圈平面上讨论行星波"两支波导"传播的基础上，本研究将波动传播的研究扩展到三维空间，尤其是纬圈平面内的行星波活动异常及其所对应的行星波折射过程。在此基础上，讨论外强迫对于行星波活动的影响以及相应的波流相互作用过程，并注意到了外强迫的影响具有年代际的变化特征。本研究在大气动力学理论方面具有明显的创新，不仅对于行星波的三维传播过程、行星波的折射、平流层波流相互作用、平流层-对流层相互作用的机理有重要的理论意义，而且对于对流层天气气候异常的解释，对于平流层数值模式的发展具有重要的应用意义。

本研究利用最近的平流层高分辨率的大气环流模式,结合多套包含平流层的再分析资料,通过诊断分析和数值模拟相结合的研究手段,分析平流层行星波动的三维传播及其异常过程,以及与行星波三维传播相对应的平流层波流相互作用,讨论行星波异常所对应的对流层顶附近的波流和波波相互作用的机理和过程。在传统子午圈平面上讨论行星波"两支波导"传播的基础上,本研究将波动传播的研究扩展到三维空间,尤其是纬圈平面内，讨论行星波活动异常及其所对应的行星波折射过程。本研究发现北半球平流层行星波波动传播，在平流层存在一个联系亚欧大陆和北大西洋的行星波“波动桥”，年际变化时间尺度上表现为“翘翘板”式振荡。研究表明北半球冬季向上的行星波传播主要在亚欧大陆上空，而向下的行星波传播主要出现在北美和北大西洋上空，这样在平流层形成了一个联系亚欧大陆和北大西洋的“波动桥”。.本研究分析了在全球变暖背景下行星波活动的变化，研究注意到温室气体和平流层臭氧损耗引起在中纬度对流层高层和平流层低层地区的温度梯度增加，通过温压场调整导致这一地区西风增强，从而使得行星波的传播波导向中纬度偏移，极涡变化更容易引起中纬度地区的环流异常。本研究指出，平流层环流（尤其是冬季极涡强度）变化与冬季东亚地区温度变化年际变化的第二模态密切相关，我国南部地区的温度变化与平流层极涡强度变化有关，这对于分析我国南部地区冬季极寒/暖气候过程具有指示意义。.本研究评估了参加CMIP5计划的41个耦合模式对于平流层环流和东亚冬季风的模拟状况，分析表明，现有的模式基本上能够再现冬季风的基本特征，与前代模式比较，CMIP5模式模拟的东亚地区温度偏低状况有所好转，降水也更接近实际状况。在模拟东亚冬季温度方面，模式间差异进一步减小，模式平均的年际变化也有了更好的模拟。尽管主流的模式可以模拟冬季风基本特征，但平流层-东亚冬季风关系主要反映在平流层高分辨率模式中。另外，在平流层具有较高模式顶的模式，模拟的平流层环流更接近于实际，并在很大程度上修正了普遍存在的模式极涡冷偏差。.本研究在大气动力学理论方面具有明显的创新,不仅对于行星波的三维传播过程、行星波的折射、平流层波流相互作用、平流层-对流层相互作用的机理有重要的理论意义,而且对于对流层天气气候异常的解释,对于平流层数值模式的发展具有重要的应用意义。