全球气候变化下北半球低频模态的演变特征和机理以及与极端天气事件之间的关系

The occurrence of diaster weathers and extreme weather events in the Northern Hemisphere has been found to be usually related to persistent anomalous circulations such as blocking, the North Atlantic Oscillation (NAO), stationary wave trains such as Pacific North America (PNA) patterns that are low-frequency modes in mid-high latitudes. Yet, there is a marked warming trend of the global temperature since 1980s. However, it is unclear how low-frequency dipoles in the Northern Hemisphere(NH) change under such a climate background. This is an unsolved important scientific problem. In this proposal, based upon the viewpoint that low-frequency modes are excited by the mean flow-planetary wave-synoptic-scale wave interaction we try to use thereotical models, diagnostic techniques and numerical modelling to investigate the evolution characteristics and mechanisms of wintertime low frequency modes under the global climate change (warming and cooling conditions) and their relationship with the occurrence of extreme weather events. This study can help us to significantly impove our understanding of the impact of climate change on low frequency modes in the NH. It will also increase our understanding of the onset mechanism of extreme climate events such as extreme cold events and hot waves.

在北半球冬季和夏季大范围的灾害性天气以及极端天气事件的发生常常与北半球中高纬度地区低 频模态如阻塞，北大西洋涛(NAO)，定常波列（如太平洋-北美遥相型(PNA)）等持续性异常环流有密切的关系，然而从上个世纪80年代以来全球气温有明显的增暖趋势。在这样的全球气候变化的背景下北半球低频模态是如何变化是一个尚未解决的重要科学问题。本项目拟从“基本流-行星波-天气尺度波相互作用”是产生低频模态的主要原因这一核心问题出发，利用理论模式，诊断分析和数值模拟来揭示在全球气候变化(增暖前后)的背景下北半球中高纬度地区冬季和夏季低频模态的演变特征和机理及与极端天气事件发生的关系。这对于了解气候变化对北半球低频模态的影响有重要的科学意义，也将丰富人们对极端灾害性天气事件(如极冷事件和热浪等)发生机理的认识。

近几十年来，全球气温出现快速变暖的趋势，特别是北极增暖是全球增暖幅度的2~3倍。伴随着全球或北极的快速增暖，北半球中高纬度地区冬季频繁地产生极寒天气，而夏季也频繁地产生热浪。因此研究在全球或北极增暖背景下，中高纬度低频波（如阻塞，北大西洋涛动(NAO), 太平洋北美型(PNA)等)的演变特征和规律以及它对极端天气的影响具有重要的科学意义。.本项目中开展如下几个方面的研究：（1）通过推广的非线性多尺度相互作用(NMI)模式，研究了NAO，阻塞和PNA波列的动力学特征和机制。(2)研究了阻塞和NAO之间的关系，以及北极增暖，北极海冰，海温，平流层过程对阻塞和NAO等低频波列的影响，并讨论了阻塞和NAO的变化在欧亚和北美极寒天气产生中的作用.(3)研究了大气环流（欧洲阻塞, 乌拉尔阻塞和NAO）的变化在北极海冰减少和北极增暖中的反馈作用。(4)研究了夏季北半球增暖，北大西洋海温，青藏高原夏季加热在欧亚夏季低频波变化和热浪中的作用。本项目取得了如下几个方面的主要研究成果：(1)建立了阻塞，NAO和PNA统一的理论模型，揭示了阻塞，NAO和PNA主要是由先期存在的天气尺度波强迫产生的，而天气尺度涡的变形或波破碎对阻塞，NAO和PNA的强化和维持不重要，否定了以前国际上的传统认识，而位涡经向梯度的大小决定了这些低频波的频散性和非线性的强弱。（2）发现了冬季北极（巴伦支卡拉海）增暖或海冰融化通过减弱背景西风或位涡经向梯度的大小，而使乌拉尔阻塞更容易长时间维持，从而在欧亚大陆（主要在西伯利亚）产生强的大范围冷距平。而乌拉尔阻塞和NAO的正位相所组成的低频波列是北大西洋中纬度地区暖湿空气输送到巴伦支卡拉海而加强北极增暖和海冰融化的最优环流结构。（3）揭示了夏季北大西洋局地海温和青藏高原加热在欧亚夏季低频波列和欧亚（主要是中国和俄罗斯）夏季热浪中的作用。.本项目所采用的是ERA-interim和NCEP再分析资料。本项目所得到的结果对于了解北半球低频波的变化特征和规律以及极寒天气产生的动力机制有重要的参考价值。