青藏高原中小尺度地形动力学研究

The topographic forcing of Tibetan Plateau (TP) has an important influence on the global weather evolution and climate change. According to the general objective of the major research plan “Change and global climate effect of land-atmosphere coupling system over TP”, and to improve our understanding on the dynamics of TP multi-scale orography and the physical processes of land-atmosphere coupling system, this project establishes a theoretical framework for orographic gravity waves (OGWs) generated in rotating and non-Boussinesq flows. The hotspot region of meso- and small-scale OGWs over the TP is analyzed in order to reveal the effect of momentum transport by OGWs on the stratosphere. More importantly, through the examination of orographic gravity wave drag (OGWD) in unidirectional flows and orographic gravity wave lift (OGWL) in directional flows, a theoretical model of “orographic pumping” similar to Ekman pumping will be established to better understand the important role of meso- and small-scale OGWs on the atmospheric general circulation. Finally, the influence of meso- and small-scale OGWs on severe weather and climate will be investigated both theoretically and numerically, based on the development of a unified parameterization scheme of OGWD and OGWL.

青藏高原的地形强迫对全球天气演变及气候变化具有重要影响。按照“青藏高原地-气耦合系统变化及其全球气候效应”重大研究计划的总体目标要求，为加深对青藏高原多尺度地形动力效应以及地-气耦合系统物理过程的认识，本项目通过研究建立地球旋转动力框架下的非Boussinesq流体的地形重力波理论，分析青藏高原中小尺度地形重力波活动的显著区域，揭示出地形重力波动量传输对平流层大气的强迫作用。更为重要的是，侧重通过开展定向基流下的地形重力波拖曳以及方向性切变基流下的地形重力波举力研究，以期建立起类似于艾克曼抽吸的“地形抽吸”理论模型，揭示中小尺度地形重力波对大气环流的重要作用。在此基础上，通过研发一体化的地形重力波拖曳和地形重力波举力参数化方案，在理论和数值模拟上揭示出青藏高原中小尺度地形重力波对灾害性天气气候的影响机理。

青藏高原复杂地形对北半球乃至全球的天气演变及气候变化都具有重要影响。以往研究揭示了青藏高原大尺度地形对天气气候的影响，但是仍缺乏对青藏高原中小尺度地形作用的深入认识。本项目针对青藏高原中小尺度地形激发的重力波，通过对方向性切变基流下的非静力地形重力波进行理论求解，结合再分析资料和高分辨率地形数据，分析青藏高原地形重力波动量通量的时空分布特征及变化趋势。通过开展全球和区域数值模拟，研究青藏高原中小尺度地形重力波对北半球大气环流、东亚季风环流和降水的影响机制。在理论研究的基础上，改进和完善数值模式中的地形重力波参数化方案，分析其对青藏高原降水模拟的影响。结果表明，青藏高原西部及东南部是地形重力波活动的热点地区，而中部及东北部较弱。冬春季节地形重力波活动较强，而夏秋季节较弱。近40年青藏高原的地形重力波活动呈减弱趋势，特别是春季。青藏高原地形重力波能够增强北太平洋地区上传至平流层的行星波，从而减弱北半球极涡。研究还发现了青藏高原地形重力波拖曳的动力抽吸作用，能够增强高原南侧的垂直上升运动和降水，通过增强西南季风气流影响下游东亚地区的春季降水。与传统地形重力波参数化方案相比，研究建立的方向性切变基流下的非静力地形重力波参数化方案能够抑制低层重力波破碎，将更多动量上传至高层，增强中纬地区对流层的地形重力波强迫、减少高纬地区平流层的行星罗斯贝波强迫，提高对北半球冬季平流层极夜急流的模拟。新方案能够减弱青藏高原地区的地形重力波拖曳，从而增强高原上的西风，减弱高原上游地区的绕流和水汽输送，缓解数值模式中的高原冬季降水湿偏差。项目研究成果促进了对青藏高原地形重力波天气气候效应的认识，加深了对青藏高原多尺度地形动力效应以及地-气耦合系统物理过程的理解。