行星波与天气尺度波相互作用对冬季极端低温事件的影响研究

The extreme low temperature events result from the combination influence among synoptic waves, planetary waves and remote forcings that differ in temporal and spatial scales. Prior studies investigated individual impacts of synoptic waves, planetary waves and remote forcings on the extreme low temperature events. Moreover, considering the modulation of planetary waves on synoptic waves or the feedback of synoptic waves on planetary waves, prior studies focused on "one-way" dynamical influence. In fact, there are "two ways" in the interaction between planetary waves and synoptic waves, which is not only the key problem in the occurrence of extreme low temperature events but also difficulty in the dynamic aspect for the extreme low temperature events. On the instraseasonal time scale, this study tries to present the synoptic-scale meteorological patterns and planetary wave patterns associated with extreme low temperature events over China. By applying the piecewise tendency diagnosis (PTD), we will look deep into the dynamical processes in the interaction between planetary waves and synoptic-scale meteorological patterns. In addition, the relationships between extreme low temperature events and remote forcings will be investigated with the planetary wave pathway. Based on these analysis, this project aims to build a conceptual model of the interaction between synoptic-scale meteorological patterns and planetary waves during the extreme low temperature events. This conceptual model provides a new thought and basis for the intraseasonal forecast of extreme low temperature events.

极端低温事件是天气尺度波、行星波和外强迫这些不同尺度系统共同作用的结果。已有研究大多是分别从天气尺度波、行星波和外强迫的某个角度研究它们对极端低温事件的影响。其中，不论是行星波对天气尺度波的制约作用，还是天气尺度波对行星波的反馈作用，基本都是“单向”研究，而实际上两者的相互作用是“双向”的，这才是导致极端低温事件的关键所在，也是研究极端低温事件动力学过程的难点所在。本项目拟在季节内时间尺度上，提出与我国冬季极端低温事件相联系的天气尺度波流型和行星波环流型，再利用多尺度分块位涡位势倾向诊断，深入研究行星波和天气尺度流型相互作用的物理过程，并以行星波为纽带来分析极端低温事件与外强迫异常的相关性。基于上述研究，建立一个在极端低温事件中天气尺度流型和行星波相互作用的动力学概念模型，为我国冬季极端低温事件的季节内预报提供新的思路和依据。

气候变化使得极端低温事件广发、强发和并发。极端低温事件是多尺度环流共同作用的结果，其过程非常复杂，目前对其认识还不足，是制约季节内预报的重要因素，也是国际上热点和难点问题。本项目从季节内时间尺度，使用APHRODITE逐日地面温度和ERA5再分析资料，界定了中国1961-2018年冬季极端低温的主要类型及其多尺度环流，利用谐波分析和多尺度分部位涡位势倾向方程，研究了极端低温事件中行星波影响天气流型的动力学机制，以及天气尺度波对行星波的反馈。.根据低温中心的位置，极端低温可分为东北类、全国类、西北-江南类和青藏高原类。在对流层中上层，大尺度流型为欧亚大陆的一对斜脊斜槽，阻塞高压占比15%左右，近地面为西伯利亚高压，其东侧偏北风将冷空气向中国输送，它们的空间尺度和强度在四类极端低温中表现出逐渐减小的特征。而青藏高原类大尺度流型为一准纬向的“+ − + −”Rossby波列，近地面高压局限于中国地区，其低温主要来自于局地非绝热加热的冷却作用。 .行星波对大尺度流型的直接贡献约占三分之一，其贡献越大，大尺度流型的尺度也越大。气候平均的定常波和北半球环状模负位相有利于斜脊斜槽的大尺度流型的形成和维持，使前三类极端低温频发，特别是东北类。而青藏高原类极端低温主要与北半球环状模正位相相联系。.行星波的动力作用主要体现在以下三个方面：首先，北半球环状模负位相（气候平均定常波）有利于北大西洋（欧亚大陆）异常环流成为波源并向下游频散能量；其次，它增长了东亚地区背景变形场的膨胀轴，使天气扰动在移动过程中得以充分正压发展；第三，它引导冷空气在中高纬度地区堆积，促进了天气尺度扰动的斜压发展。这些机制共同使得大尺度流型不断发展，当与行星尺度波同位相时，行星波对天气尺度波的作用也会反馈于行星波发展。.研究结果对把握极端低温的多尺度作用具有重要的指示意义，可为极端低温事件的季节内预报新的思路和依据。