基于中纬度瞬变动力学的模式评估研究

Interactions among synoptic transient eddies, mean flow, stationary waves and low frequency variability modes are general rules to govern the atmosperic motions in the mid-high latitude region. This is the major reason leading to the lower predictibility for models to predict mid-high latitude climate. Proper simulations of these distinct interaction processes would be crucial to the climate variability prediction. To validate the climate model performance in simulating these interaction processes is of significance for understanding the model uncertainty and improving the model capability in mid-high latitude region. This project focuses on the transient features of the mid-high latitude atmospheric motion, and investigates the effects of synoptic transient eddy activity on the general circulation and climate simulation in mid-high latitude region.The thermal and momentum transport fluxes associated with synoptic transient eddies and their spatial structures will be evaluated.The influences of synoptic transient eddies on the low frequency variability modes will also be examined in this project.The model evaluation based on the feedback mechanism between synoptic transient eddies and mean flow field as well as low frequency variability modes will be conducted. The results can be used to improve the climate model performance in simulating the East Asian general circulation and climate.

天气尺度瞬变扰动与平均流和定常波以及低频变率之间相互作用过程是控制中高纬度地区大气运动的基本规律，也是导致气候模式在中高纬度地区可预报性降低的主要原因，基于大气内部瞬变动力学过程的模式评估对于理解模式在中高纬度地区不确定性产生的原因进而改进模式、提高模式的整体性能具有重要意义。本项申请针对中高纬度地区大气运动瞬变特征强的特点，开展瞬变扰动过程对中高纬度地区大气环流和气候的模拟能力以及不确定性影响的研究，分析与瞬变过程相关的热量和动量输送基本特征的模拟能力，揭示瞬变过程对气候平均态和大气低频变率模态模拟的影响，从瞬变过程与平均场和低频模态反馈的角度评估模式在东亚地区的性能，探讨瞬变过程的合理描述对东亚大气环流模拟的影响及改进模拟效果的可能途径。

天气尺度瞬变扰动与平均流和定常波以及低频变率之间相互作用过程是控制中高纬度地区大气运动的基本规律，基于大气内部瞬变动力学过程的模式评估对于理解模式在中高纬度地区不确定性产生的原因进而改进模式、提高模式的整体性能具有重要意义。本项目评估了多个模式对中纬度大气瞬变过程基本特征的模拟能力，分析了模式中瞬变过程强弱对大气环流模拟的影响，研究了中纬度局地波活动特征、北太平洋风暴轴与中高纬大气环流异常的联系，评估了模式对东亚上空极锋急流及其伴随的瞬变活动模拟能力，提出了基于区域降水与大气环流指数物理联系的模式评估方法。利用天气尺度瞬变扰动动能、扰动经向动量和热量输送通量等作为表征天气尺度瞬变活动强弱的指标，根据模式模拟瞬变过程的强弱将参加CMIP5的23个模式分为偏强、偏弱和与观测较为一致三种情况，通过合成分析揭示出模式中瞬变活动强度的空间分布具有不对称性，瞬变过程的强弱通过热量输送和动量通量的强迫影响中纬度纬向西风的模拟；局地波是表征中纬度大气环流波动特征的有效方法，通过分析中高纬度局地波活动特征，揭示出极地海冰、热带海温和大气内部变率对局地波活动变化的作用,北极地区海冰融化导致其相邻的欧亚大陆地区反气旋波活动增加，进而引起欧亚大陆地区冷空气活动增加以及极端冷事件的增加；分析表征中纬度瞬变活动特征的北太平洋风暴轴年际变化特征发现，在年际尺度上风暴轴存在强度变化南北位置摆动两个主要模态，两者分别风与西太平洋型遥相关和太平洋北美型遥相关密切相关，从局地瞬变能量转换的角度揭示出瞬变有效位能向瞬变动能的斜压转换项是北太平洋区域风暴轴的主要能量来源；此外，基于区域降水与大气环流指数物理联系提出了一种新的模式评估方法，该方法可以合理区分模式对中国夏季降水模拟能力的差异，减小模式对未来中国夏季降水预估的不确定性。本项目的研究结果有助于提高气候模式在中高纬度地区的模拟和预测能力。