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从大气质量环流角度论平流层-对流层耦合关系多样性
作者:虞越越               发布时间:2019/3/4 15:27:41              浏览量:154

近日,我院青年教师虞越越博士在国际权威期刊《Climate Dynamics》发表了题为“Understanding the variation of stratosphere–troposphere coupling during stratospheric northern annular mode events from a mass circulation perspective ”的研究成果。平流层,不仅被动受到对流层环流异常的控制,而且能够反作用于对流层,对对流层的天气气候产生重要影响。然而,越来越多的研究发现,平流层信号能否下传至对流层、进而影响对流层天气存在较大的不确定性和多样性,这为采用平流层超前信号进行对流层天气预报带来了疑虑。平流层环流异常与对流层环流异常及天气气候异常究竟在什么情况下存在紧密联系?通过怎样的机制相互联系?这些问题仍然不甚清楚。

虞越越博士等人的最新研究在等熵大气经向质量环流框架下,考查了平流层北半球环状模(NAM)演变周期中北半球平流层-对流层耦合的多样性。 研究指出,不同NAM个例平流层-对流层耦合(极区平均温度异常的垂直-时间演变特征)存在巨大差异。这种差异与NAM强度和持续时间的关系不是特别紧密,但却与大气质量环流平流层向极地暖支(变化慢)与对流层质量环流(包括对流层高层的向极地暖支和低层的向赤道冷支)演变的不同耦合关系几乎完全对应。中纬度地区大气质量环流通过平流层和对流层高层的暖空气向极输送和对流层低层的冷空气向赤输送异常,主导极区不同等位温层的大气质量,进而决定温度异常的垂直结构和传播特征(图1)。

进一步研究表明,大气质量环流平流层支和对流层支的耦合关系取决于波活动(图2)。对流层自身的波活动主导对流层冷暖支,在平流层-对流层温度场耦合形式的多样性和耦合时间的不确定性中起到决定作用。但这也并非完全否定平流层在对流层温度预报中的应用价值。平流层对对流层的显著影响表现在两个方面。首先,由平流层暖支质量输送主导的平流层质量异常往往决定整个气柱质量异常(图1),解释了为什么平流层NAM与地面北极涛动(AO)往往同位相。而中高纬度地区地面温度取决于对流层冷支的强度,更多受对流层自身变率影响,从而解释为什么逐个中纬度低温事件与AO负位相的关系并不十分显著。其次,在NAM负事件(弱极涡)后期,平流层波动西倾角度及其引起的平流层向极地暖支和对流层高层向赤道质量输送减弱(图2c),为对流层质量环流的加强提供了有利条件。只要对流层波活动稍强,对流层质量环流冷暖支便可显著加强,从而导致弱极涡之后的1-2个月容易发生极地冷空气向南侵袭、中纬度地区寒潮低温的事件。


论文信息:Yu, YY and RC Ren*, 2019: Understanding the variation of stratosphere-troposphere coupling during stratospheric northern annular mode events from a mass circulation perspective. Clim Dyn. doi: 10.1007/s00382-019-04675-7.

http://cas.nuist.edu.cn/TeacherFiles/file/20190226/6368679252718258283214894.pdf

 

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图1. 60°N大气经向质量环流各分支决定极区大气质量以及温度异常的示意图

 

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图2. 波动西倾角影响大气经向质量环流各分支不同耦合关系的示意图