平流层极涡异常及其对对流层的影响研究

摘要

平流层和对流层的相互作用一直是大气科学领域一个非常基本的问题。传统的观点认为平流层是下面对流层天气系统的波动和能量的被动接受者，但是最近的研究表明同时也存在平流层异常反过来改变对流层天气形势的反馈过程。所以本论文在用等熵位涡诊断分析冬季平流层极涡气候特征的基础上统计了平流层极涡的异常变化；讨论了极涡异常变化对对流层大气环流和区域气候的影响，重点比较了不同极涡异常类型时我国冬季天气变化，用干绝热大气沿等熵面运动其位势涡度守恒的原理探讨了平流层极涡异常下传的机理；并用E-P通量分析了平流层极涡异常与行星波活动的关系；同时还通过NCAR开发的CAM3.0大气环流模式模拟冬季平流层极涡，结合与观测资料分析的对比，研究了平流层极涡异常对对流层的影响。得到了如下的一些结果和新的认识：
　　 第一，利用NCEP资料计算等熵位涡(IPV)，通过对北半球冬季平流层极涡的等熵位涡分析概括了极涡的气候特征及其异常变化，指出强极涡崩溃时间较晚，而弱极涡崩溃时间较早。通过EOF分析得到冬季平流层极涡变化的主模态以及与之对应的北半球环状模(NAM)。IPV和NAM指数对极涡年代际变化的分析都显示20世纪末以来弱极涡出现的频率在增加。
　　 第二，按照NAM指数的大小将平流层极涡异常分为强极涡和弱极涡，按照IPV的分布又将强极涡分为东北亚型和北美型，根据不同的极涡异常类型讨论对对流层大气环流和区域天气的影响。平流层极涡异常会引起500hPa位势高度和地面温度的滞后响应，但是不同类型异常的影响不同。东亚地区在弱极涡时除了高纬度一些地区偏冷以外南方主要偏暖，增温由北向南逐步发展。在强极涡时偏冷，降温区逐渐的向南移动，后期对南方的影响比北方大。北美地区的变化与东亚地区有所不同，特别是在北美型强极涡时由于强极涡偏向北美一侧，使得北美大槽加强而东亚大槽减弱，北美地区东北部降温幅度更大，范围更大，影响时间也更长，温度的回升也更缓慢。
　　 第三，用干绝热大气沿等熵面运动其位势涡度守恒的原理讨论平流层极涡异常下传影响对流层的过程和机理。强极涡和弱极涡期间位温和位势涡度的垂直经向分布有明显的不同。强极涡时等位温面在北极地区比较高，并且向中纬度地区向下倾斜。因此当极涡向南延伸时，高位涡冷空气就会沿着倾斜的等位温面向下运动，将冷空气从高层的极地和高纬地区带到较低层的中纬度地区，甚至到达对流层低纬度地区，形成向下凹陷的高位涡区。弱极涡时等位温面在北极地区比较低，并且向中纬度地区向上倾斜，高位涡冷空气被限制在极地和高纬度地区，空气向下运动时更多的是将高位涡带到较低层的高纬度地区，因此对流层中低纬难以形成和维持高位涡区。2008年1月强极涡属于东北亚型，在我国东部地区经圈方向平流层极地高位涡明显向对流层低纬伸展，在南方上空高位涡气团形成并发展，与当时我国南方的大范围雪灾有很大关系；2009年1月强极涡对我国北方的降温有一定作用，之后极涡分裂变得极弱，平流层高位涡向对流层极地伸展，高位涡冷空气被限制在高纬度地区而难以向南发展，因而我国南方偏暖。
　　 第四，弱极涡过程中平流层1波和2波振幅存在多种可能的变化类型，过去的研究认为1波作用很大，就我们的分析而言2009年2月弱极涡时2波起了非常重要的作用。强极涡的中后期，1波和2波振幅有突然的增加，东北亚型强极涡的1波和2波振幅增加出现得比北美型时更早，同时极涡振幅的垂直变化都不同程度的伴随着行星波的下传。通过E-P通量的计算可以看到后期的对流层1波上传有明显加强，在平流层高纬度开始形成E-P通量的辐合。
　　 第五，通过CAM3.0大气环流模式对平流层冬季极涡异常变化的模拟，得到冬季大气基本场与实际观测资料有较好的一致性，说明CAM3.0能很好的模拟平流层极涡异常变化及其对对流层区域天气的影响。模拟结果显示平流层极涡异常时位涡垂直结构有明显的差异，表明通过高位涡的干绝热大气沿倾斜等熵面运动影响对流层确实是平流层异常下传的方式之一。除此之外，还对模拟的行星波和平均流进行了讨论，结果表明平流层极涡强或弱异常时对流层行星波上传有很大差异，上传的1波和2波在平流层引起平均流改变的区域也不同。平均流的变化会逐渐下传并可能在一段时间之后到达地面，影响地面大气环流和天气过程。
　　 最后也提出了本论文工作的不足之处，对下一步应进行的研究工作提出了设想。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2平流层极涡的研究概况

1.2.1极涡气候特征的诊断分析研究

1.2.2平流层极涡变化与行星波上传的研究

1.2.3平流层极涡变化对对流层的影响的研究

1.2.4平流层极涡的数值模拟研究

1.2.5平流层极涡的最新研究进展

1.2.6尚待研究的问题

1.3本论文的主要内容和研究意义

第2章 资料和研究方法介绍

2.1资料介绍

2.2研究方法介绍

2.2.1等熵位涡及其计算方法

2.2.2北半球环状模(NAM)及其计算方法

2.2.3模式介绍及数值模拟方法

第3章 北半球冬季平流层极涡的气候特征

3.1引言

3.2北半球冬季平流层月平均极涡形态

3.3北半球冬季平流层极涡的年代际变化

3.3.1用等熵位涡讨论极涡强度的变化

3.3.2用北半球环状模讨论极涡强度的变化

3.3.3极涡形成和崩溃日期的变化

3.4北半球冬季平流层极涡的变化类型

3.5本章小结

第4章平流层极涡异常时对流层温压场的变化

4.1引言

4.2平流层极涡异常与对流层位势高度场的相关性

4.2.1平流层极涡的强弱变化

4.2.2平流层弱极涡与对流层位势高度的相应变化

4.2.3平流层强极涡与对流层位势高度的相应变化

4.3平流层极涡异常时对流层温压场的滞后变化

4.3.1东亚大槽和北美大槽的时间变化

4.3.2地面温度变化过程

4.4本章小结

第5章 平流层极涡异常的等熵位涡分析

5.1引言

5.2 2007/2008和2008/2009年冬季平流层极涡异常

5.2.1从NAM指数变化比较极涡变化的异同

5.2.2等熵位涡变化的比较

5.2.3温度场变化的比较

5.2.4温度梯度和平均纬向风的变化

5.3中国东南部温度和位涡变化

5.4极涡异常的位涡分析及其下传的机理探讨

5.4.1 2008年和2009年强极涡时东亚位涡的经向-高度分布

5.4.2 2008年和2009年强极涡时东欧位涡的经向-高度分布

5.4.3 2008年和2009年强极涡时北美位涡的经向-高度分布

5.4.4北美型强极涡时东亚和北美的位涡经向-高度分布

5.4.5弱极涡期间位涡的经向-高度分布

5.4.6 2008和2009年1-2月对流层等熵位涡水平分布

5.5本章小结

第6章平流层极涡异常与行星波活动的关系

6.1引言

6.1.1平流层极涡异常与行星波活动的关系

6.1.2行星波传播和波流相互作用

6.1.3谐波分析方法

6.2极涡异常与行星波振幅变化

6.2.1弱极涡的行星波振幅变化

6.2.2强极涡的行星波振幅变化

6.3极涡异常与E-P通量变化

6.3.1弱极涡的E-P通量变化

6.3.2强极涡的E-P通量变化

6.4本章小结

第7章 平流层极涡异常的数值模拟

7.1引言

7.2极涡数值模拟结果与观测资料的比较

7.2.1位势高度气候平均状态

7.2.2平均纬向风的垂直结构

7.2.3冬季平流层位势高度异常的主模态

7.3平流层极涡异常的数值模拟结果分析

7.3.1平流层极涡的年际变化

7.3.2平流层等熵位涡异常变化

7.3.3平均纬向风异常变化

7.3.4对流层位势高度变化

7.3.5近地面温度变化趋势

7.4平流层极涡异常时位涡的垂直结构

7.4.1强极涡时位涡的垂直结构

7.4.2弱极涡时位涡的垂直结构

7.5平流层极涡异常时的行星波活动

7.5.1行星波振幅变化

7.5.2行星波垂直传播

7.5.3波流相互作用

7.6平均纬向风异常的下传

7.7本章小结

第8章 全文总结和下一步工作设想

8.1全文总结

8.1.1北半球冬季平流层极涡的气候特征

8.1.2平流层极涡异常时对流层温压场的变化

8.1.3平流层极涡异常的等熵位涡分析

8.1.4平流层极涡异常与行星波活动的关系

8.1.5平流层极涡异常的数值模拟

8.2论文的贡献和创新点

8.3下一步工作设想

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果