ENSO影响下平流层极涡变化特征及其与我国冬季天气的关系

Stratosphere plays an important role in the Earth's atmosphere system, thus strengthening the investigations of stratosphere processes and stratosphere-troposphere-interaction is of great scientific and practical significance for understanding the Earth's climate system, replying the climate change, and enriching the climate prediction method. Therefore, based on the varying characteristics of stratospheric polar vortex in Northern Hemispheric winter, this project plans to investigate the disturbing processes of polar vortex under different ENSO situations by statistical analyses and dynamical diagnoses of reanalysis data and satellite observations, combining some numerical experiments of GCM. This project also plans to build a three-dimensional physical picture from tropical SST variations to tropospheric extratropical blocking high to stratospheric polar vortex, and obtain the detailed physical processes and dynamical mechanism of stratospheric circulations. Furthermore, we are going to develop an index which can describe the real features of disturbing polar vortex from dynamical and chemical perspectives, and use this index to discuss the feedback of stratospheric anomalies on the lower atmosphere, such as the propagating conditions, sensitive areas and effective intensities, to explore the relationships between the index and the actions of cold air in our country. Favorable working conditions of National Climate center, plentiful scientific experiences of the cooperative supervisor, and long-term research background about stratosphere of the applicant laid a solid foundation for the execution of this project.

平流层在地球大气系统中有着重要的作用，加强平流层过程及其与对流层相互作用的研究对于深入认识地球气候系统、应对气候变化、丰富气候预测途径等有着重要的科学意义和现实意义。因此本项目计划以北半球冬季平流层极涡的扰动特征为出发点，通过对再分析资料、卫星数据的统计分析和动力诊断，以及大气环流模式的数值实验，研究不同ENSO海温异常条件下平流层极涡的变化特征，建立"低层热带海温变化-对流层中高纬阻塞高压活动-平流层极涡扰动"的全大气三维物理图像，得出平流层极涡扰动的详细物理过程和动力学机制；并从动力和化学角度出发，得出能够真实反映极涡变化特征的极涡扰动指数，以该指数为载体讨论平流层环流扰动后对低层大气的反馈，如异常信号下传的条件、敏感区域和作用强度等，探索其与我国冬季冷空气活动的关系。国家气候中心良好的工作条件、合作导师丰富的科研经验以及申请人对平流层过程长期的研究背景都为本项目的顺利施行奠定了基础。

本项目紧紧围绕“平流层极涡变化特征及其与我国冬季天气关系”的主题，开展了详细且全面的动力诊断、气候统计和数值模拟研究。首先我们以平流层极涡的强扰动过程平流层爆发性增温为突破点，根据对流层阻塞高压的活动区域和增温过程中平流层极涡不同的分布特征，分类讨论了最近30年北半球冬季阻塞高压对平流层极涡分布变化的影响，以及极涡扰动后对低层大气的反馈，发现大西洋-东亚型（极涡分裂后，两个低压中心分别位于大西洋和东亚地区）极涡异常分布对我国冬季的降温过程有直接的影响。之后，我们应用动力诊断工具等熵位涡和反映平流层极涡变化特征的北半球环状模，进一步探索了极涡异常影响低层大气的平流层扰动信号。发现在以弱极涡年为主要特征的21世纪，430 K等熵面上的位涡距平场第一模态的时间序列可以作为反映平流层极涡扰动的指数，对我国冬季的冷空气活动有很好的指示作用；同时，当负的NAM指数从平流层高层向下传播进入上对流层下平流层高度（200 hPa）时，如果可以达到一定的扰动强度（标准化的NAM指数小于-1），就会引起东亚大槽的明显增加，并在大约一周后槽的强度达到最大，槽后的偏北气流会将高纬地区的冷空气向南、向东输送，造成我国东部和北部大部分地区明显的降温过程。然而在强极涡年中，平流层环流扰动较少，对低层大气的影响也相对较小。此外，通过提高模式层顶高度和垂直分辨率，以及重力波参数化的改进，我们发展了自己的BCC大气环流模式中的平流层动力、化学模块，得到了一个46层的BCC大气环流模式版本，可以成功的模拟出赤道平流层纬向风的准两年振荡现象，并且对北半球环状模的特征也可以较成功的再现，大大提高了模式对平流层大气基本过程的模拟能力。通过在国家气候中心业务监测系统中平流层产品的增加和科技论文的撰写，我们还进一步推广了本项目研究的平流层相关内容。总的来说，基本完成了项目研究计划中提出的研究内容，主要的研究目标也都基本执行实现，并且对取得的研究成果有较好的推广。