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中纬度大气环流中的一些低频模态,如北美太平洋型(PNA)、北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)、南极涛动(AAO)(以冬季尤为显著),是引起中纬度地区短期气候变化的主要原因;然而产生这些低频模态的动力机制至今还不清楚.近年来,大量的研究表明涡旋对于低频模态的维持起到了至关重要的影响.涡旋强迫对于低频气流具有正反馈效应,观测资料和模式结果诊断都证明了两者的相互作用.但是,由于涡旋与低频气流相互作用的非线性特征,其动力及物理机制至今仍是当今中纬度大气动力学中的重点、难点问题.
本文从简化的非线性大气环流模式(AGCM)出发,采用小振幅的行星扰动,通过孪生试验的方法,讨论了大气环状模低频模态产生的动力机制.在基本气流斜压性维持(或不维持)的背景下,即有(无)强迫作用过程的前提下,数值试验结果都表明涡旋强迫对大气低频气流具有正反馈作用,涡流相互作用在环状模产生和维持的过程中起到了至关重要的影响;同时研究结果揭示了实际大气环状模态垂直正压结构及经向偶极子结构特征的根本原因.在数值试验的基础上,更进一步应用大气低频不稳定理论针对环状模产生的动力机制进行了解释.主要结论如下:
(1)在无强迫的影响下,采用纬向波数为6波的涡旋(最不稳定模态)激发斜压不稳定发展,即仅考虑一次涡旋生命史过程(即斜压的基本气流经历了涡旋斜压增长的过程后成为饱和的正压结构).该假设前提下:涡旋强迫对大气低频气流具有显著的正反馈作用,涡旋强迫如涡旋动量、涡旋涡度对行星扰动气流的加速集中在对流层中上层,因此扰动气流因垂直方向上增长的不均匀性具有斜压的倾向.但是,由于涡旋热量通量减弱了温度的经向差异,抑制了气流的斜压发展,因此扰动气流最终具有垂直方向上正压的分布特征.
应用低频不稳定理论针对涡流相互作用激发大气低频模态的机制进行了动力解释.通过改变背景场气流强度、位置及涡旋扰动的波数,低频气流与涡旋活动的关系极其密切,其增长的能量主要来源于背景场的涡旋活动;应用该理论,明确的量化了涡旋活动对于低频气流的贡献.同时,低频气流的增长具有一定的尺度选择性,经向为偶极或者三级的初始行星扰动结构增长速度最快,从根本上解释了大气环状模经向呈偶极或三级子结构的主要原因.
(2)在无强迫的影响下,更进一步考虑实际湍流大气的特征,采用观测的大气冬季气候平均场及高频瞬变波资料作为初始背景场条件,讨论了贴近实际大气的涡流相互作用对行星扰动气流发展的影响.结果显示:当背景场气流具有斜压特征且涡旋呈经向的椭圆型结构时,涡旋对于初始行星扰动气流的发展具有正反馈作用,但是这一现象仅体现在涡旋生命史的斜压增长阶段.
(3)为了讨论长期过程中涡流相互作用对大气环状模的影响,在有强迫的影响下,(即模式动力方程中增加牛顿调整和地面摩擦力的作用来维持气流的斜压性)涡旋强迫对于初始行星扰动和定常行星扰动均具有正反馈作用;地面摩擦力通过改变背景场气流的斜压性及涡旋的衰亡时间尺度,对涡旋反馈作用产生了重要的影响.
综观全文,涡旋对低频气流的反馈作用是大气低频模态(如环状模)产生的根本原因,并且涡旋反馈增长率取决于背景场涡旋活动以及涡旋消亡时间尺度;这种增长具有经向的尺度选择性,初始时刻经向为偶极和三极结构的行星扰动结构增长最快,从根本上解释了大气环状模经向分布的主要原因.地面摩擦力在很大程度上影响了涡旋反馈作用,虽然地面摩擦力削弱了低层的气流强度,但是实际上却加强了垂直方向上的气流切变,增大了涡旋的反馈作用.
本文从简化的非线性大气环流模式(AGCM)出发,采用小振幅的行星扰动,通过孪生试验的方法,讨论了大气环状模低频模态产生的动力机制.在基本气流斜压性维持(或不维持)的背景下,即有(无)强迫作用过程的前提下,数值试验结果都表明涡旋强迫对大气低频气流具有正反馈作用,涡流相互作用在环状模产生和维持的过程中起到了至关重要的影响;同时研究结果揭示了实际大气环状模态垂直正压结构及经向偶极子结构特征的根本原因.在数值试验的基础上,更进一步应用大气低频不稳定理论针对环状模产生的动力机制进行了解释.主要结论如下:
(1)在无强迫的影响下,采用纬向波数为6波的涡旋(最不稳定模态)激发斜压不稳定发展,即仅考虑一次涡旋生命史过程(即斜压的基本气流经历了涡旋斜压增长的过程后成为饱和的正压结构).该假设前提下:涡旋强迫对大气低频气流具有显著的正反馈作用,涡旋强迫如涡旋动量、涡旋涡度对行星扰动气流的加速集中在对流层中上层,因此扰动气流因垂直方向上增长的不均匀性具有斜压的倾向.但是,由于涡旋热量通量减弱了温度的经向差异,抑制了气流的斜压发展,因此扰动气流最终具有垂直方向上正压的分布特征.
应用低频不稳定理论针对涡流相互作用激发大气低频模态的机制进行了动力解释.通过改变背景场气流强度、位置及涡旋扰动的波数,低频气流与涡旋活动的关系极其密切,其增长的能量主要来源于背景场的涡旋活动;应用该理论,明确的量化了涡旋活动对于低频气流的贡献.同时,低频气流的增长具有一定的尺度选择性,经向为偶极或者三级的初始行星扰动结构增长速度最快,从根本上解释了大气环状模经向呈偶极或三级子结构的主要原因.
(2)在无强迫的影响下,更进一步考虑实际湍流大气的特征,采用观测的大气冬季气候平均场及高频瞬变波资料作为初始背景场条件,讨论了贴近实际大气的涡流相互作用对行星扰动气流发展的影响.结果显示:当背景场气流具有斜压特征且涡旋呈经向的椭圆型结构时,涡旋对于初始行星扰动气流的发展具有正反馈作用,但是这一现象仅体现在涡旋生命史的斜压增长阶段.
(3)为了讨论长期过程中涡流相互作用对大气环状模的影响,在有强迫的影响下,(即模式动力方程中增加牛顿调整和地面摩擦力的作用来维持气流的斜压性)涡旋强迫对于初始行星扰动和定常行星扰动均具有正反馈作用;地面摩擦力通过改变背景场气流的斜压性及涡旋的衰亡时间尺度,对涡旋反馈作用产生了重要的影响.
综观全文,涡旋对低频气流的反馈作用是大气低频模态(如环状模)产生的根本原因,并且涡旋反馈增长率取决于背景场涡旋活动以及涡旋消亡时间尺度;这种增长具有经向的尺度选择性,初始时刻经向为偶极和三极结构的行星扰动结构增长最快,从根本上解释了大气环状模经向分布的主要原因.地面摩擦力在很大程度上影响了涡旋反馈作用,虽然地面摩擦力削弱了低层的气流强度,但是实际上却加强了垂直方向上的气流切变,增大了涡旋的反馈作用.