青藏高原地表位涡强迫对季风环流的影响和反馈及其气候效应

Tibetan Plateau (TP) is the most important topography forcing over Asian continent in the mid-latitude. How TP regulates the global climate change is the frontier international scientific issue. Many studies have revealed that the mechanical and thermal forcing of TP have important influence on the subtropical circulation and Asian monsoon. However, the topographical forcing of TP is also influenced by the surrounding air-land-sea interactions, but we know very little about the related physical mechanisms. Actually, many geophysical fluid dynamic issues can be described by the potential vorticity (PV) dynamics. The application of PV theory on estimating the effects of TP mechanical and thermal forcing provides us new ways in understanding the TP climate effects. Therefore, this project aims to apply the PV theory to comprehensively consider the mechanical and thermal effects of TP, analysis the TP surface PV forcing on the changes of mid-low latitude circulation anomaly and associated air-sea interactions. On basis of above study, this project will study the influence of air-sea interaction and circulation anomaly in the mid-low latitude on the TP surface PV forcing, and reveal the associate feedback processes. These studies will provide new references to the science community for understanding the TP global climate effects.

青藏高原是亚洲大陆中纬度地区重要的地形强迫源。青藏高原如何影响全球气候变化是国际前沿的热点科学问题。已有大量研究揭示了青藏高原动力、热力强迫对副热带环流以及亚洲季风形成都具有重要影响。但是，关于青藏高原如何受周围海陆气相互作用调控，其中的机理目前仍然知之甚少。许多地球流体问题都可以用位涡(PV)动力学描述，利用PV来表示高原动力、热力强迫作用为理解高原气候效应提供了新的思路。因此，本项目拟通过应用位涡理论模型，综合考察青藏高原的动力和热力强迫作用，分析青藏高原地表位涡强迫对中低纬季风环流异常及相应的海气相互作用过程。在此基础上，研究中低纬地区海气相互作用和环流异常对青藏高原地表位涡强迫的影响，揭示其中的相互作用过程。为加深青藏高原全球气候效应的理解提供新的参考。

本项目从PV-θ观点出发，聚焦青藏高原地表位涡强迫作用对季风环流系统的影响，揭示了青藏高原地表位涡强迫变化的时空分布特征及对亚洲季风环流变化的影响，阐明了青藏高原地表位涡强迫与周围主要大气环流和海表温度和热通量异常之间的联系和可能的相互作用过程。主要成果包括：（1）从理论推导了全球三维位涡方程并给出了适用于不同坐标系下的一般形式，进一步阐明了青藏高原地区的地表位涡及其收支的时空分布特征，发现地表位涡水平项在陡峭的高原南北坡十分重要，水平项甚至可达垂直项的3倍左右。（2）阐明了青藏高原地表位涡强迫年际变率对亚洲夏季对流层上层环流的影响，并进一步揭示了青藏高原地表位涡强迫的增强，有利于高原地区纬向的加热差异增强，是对流层高层环流异常建立以及东亚夏季降水三极型分布形成的重要强迫因子。（3）推导出混合坐标系下高原表面位涡表达式的同时，定义了用于衡量青藏高原表面夏季热力强迫的青藏高原地表位涡强迫指数来表征青藏高原本身的地形效应，发现该指数与亚洲夏季风降水的季节演变有很好的对应关系。（4）明确了北大西洋三级子海温型对青藏高原地表位涡的可能影响。阐明中纬度大西洋海温异常可以通过影响中高层环流异常，激发Rossby波异常传播至高原上空，影响高原表面PV的变化。（5）完成CAS-FGOALS-f3-L 参加CMIP6的AMIP和GMMIP科学试验，并发布数据，取得5个doi号。同时，开发了基于全球三维位涡方程的FGOALS-f2次季节-季节预测系统位涡模块，开展了青藏高原地表位涡的实时预测工作。