一个北半球冬季大气低频流型的形成和维持机制

Bao and Wallace (2015) identified four Northern Hemisphere wintertime flow regimes using SOM cluster analysis. One of them, C2 pattern, has significant impacts on the weather and climate over most North America and western Europe. The key issue of this project is to investigate the formation and maintenance mechanism of the C2 flow regime. Based on the atmospheric dynamic basic theory, ERA datasets during 1957-2015, a global atmospheric circulation model along with a baratropic atmospheric model, we intend to analyze the tropical thermal forcing and its sensitivity. We will study the dynamical effects of subtropical jet, stationary waves and synoptic waves propagation in mid-latitude on the formation and maintenance of the C2 pattern. The potential role of stratosphere-troposphere dynamical coupling is also to be considered. The project aims at explaining how the C2 pattern is formed and maintained which is important for us to understand the large scale climate variability of the Northern Hemisphere in boreal winter and has potential value for dynamical extended-range forecast and climate prediction.

申请人最近揭示了北半球冬季一个新的大气低频流型C2（Bao and Wallace 2015 JAS)；C2流型对冬季从北美到欧洲的大范围天气气候异常有重要影响，而不同于以往所认识的遥相关型。本项目拟研究的关键科学问题是C2流型的形成和维持机制。我们将基于大气动力学基本理论，利用1957-2015年ERA再分析资料、海温强迫的全球大气环流模式和一个全球正压大气模式分析热带热源强迫及其敏感性、副热带急流的动力效应、中纬度定常波和天气尺度波传播、平流层与对流层动力耦合在C2流型的形成和维持上所起的作用和机制。本项目将试图解释新发现的大气低频流型是如何形成和维持的，这对我们认识北半球冬季大尺度气候变率有重要科学意义，对延伸期预报和短期气候预测具有潜在应用价值。

通过自组织映射方法对北半球对流层冬季低频高度场进行聚类分析，能够得到一种新发现的低频遥相关模态——西半球（WH）环流型。这个环流型影响着北太平洋-北美大陆-北大西洋大范围地区的低频大气变率。本项目使用ERA-40和ERA-Interim的再分析数据集，研究了WH环流型的形成和维持机制以及对平流层极涡的影响。研究结果表明天气涡旋引起的低频高度异常维持了阿拉斯加湾上空的异常低频脊，同时造成更多的天气尺度波向下游传播。天气涡旋强迫有利于北大西洋中纬度急流的加强和低频槽的加深，而北美东部槽的加深则主要是由从北太平洋传播来的准定常波形成。合成结果表明WH环流型在太平洋和大西洋的急流的出口区域，可以通过正压不稳定过程从背景急流中获得扰动动能。与北美东岸的背景场温度梯度相关的斜压不稳定发展过程能够有效地将平均有效位能转化为扰动有效位能，进而加强与WH环流型相关的温度异常。这一斜压能量转化过程拥有最高的转化效率，表明背景场的温度分布对WH环流型的维持和发展有着十分重要的作用。. 利用自组织映射方法将平流层爆发性增温事件（SSWs）的对流层前兆型进行分类，有利于我们理解导致SSWs的不同引发机制。分得的三类前兆型分别对应着不同的异常行星波上传信号。其中有一类前兆型表现为负位相的WH环流型和正位相的太平洋-北美遥相关型的混合模态，其影响了约三分之一的SSWs的形成，能应用于对SSWs的预测。合成分析和滞后奇异值分解的结果均表明，WH环流型会超前于50-hPa逐日位势高度异常第一EOF模态（NA模态）约5天左右出现。WH环流型通过与气候态的一波和二波线性叠加的方式，加强（抑制）了垂直方向上行星二波（一波）向平流层的上传。这种行星波异常影响到平流层后，会导致平流层极涡向北美大陆偏移，从而导致NA模态的形成。值得注意的是，与WH环流型相关的环流异常有利于北美大陆的极端冷事件的发生，而平流层NA模态并没有对北美大陆的极端冷事件有直接影响。