海气耦合对南半球温带急流低频变化的影响

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南半球温带急流是南半球中纬度大气重要的环流系统,可以显著的影响热带外大气的天气、气候特征。观测表明,南半球温带急流的位置在次季节尺度上存在明显的南北移动,这是中纬度大气低频尺度流低频变化的形成机制不仅是南半球中纬度气候变率研究中的重要课题,也将对天上最重要的气候变率之一。揭示南半球温带急气、气候预测水平的提高起到重要的推动作用。以往的研究认为,大气内部的波流相互作用对急流的低频变化起着重要作用。本论文在深化研究、理解急流低频变化内部动力学的基础上,进一步研究了中纬度海气耦合对这一季节内变率的调制作用。通过综合利用分析高时空分辨率的大气、海洋再分析资料,并结合数值模式模拟,本论文进一步明确了急流低频变化中的波流相互作用过程,并揭示了海气耦合影响南半球温带急流低频变化的主要机制,得到了以下主要结论:  (1)明确了高、低频波动在不同纬度所起的不同作用,揭示了低频波(10-40天)在高纬低层的热量通量异常对南半球温带急流低频变化的触发作用。  基于大气再分析资料(ERA-40,ERA-interim),本文详细分析了维持南半球温带急流低频变化的大气内部波流相互作用过程,指出了高、低频波动在高纬和中纬度地区对急流低频变化过程中所起的不同作用。高频波(2-10天)的涡旋动量通量输送异常不仅驱动了急流的南北摆动,而且可以进一步维持急流的异常。低频波的涡旋动量通量输送异常则主要发生在急流低频变化的维持阶段,其对急流的低频摆动存在一个负反馈效应,但是这种负反馈较高频波的正反馈作用弱得多。高频波的热量通量输送异常会削弱大气低层的温度场异常,而低频波的热量通量输送异常则有助于维持这种异常。不同纬度的波流相互作用过程也存在一定的差异。高频波活动异常首先发生于高纬,其在急流低频变化的发展过程中起了很重要的作用。中纬度的波动异常则更多呈现出一种跟随的倾向,主要在急流低频变化的维持过程中起作用。研究进一步发现,高纬低层的低频波热量通量输送异常超前于其他波动场异常与风场异常,对急流低频变化起了一定的触发作用。  (2)从观测上证实了南半球温带急流南、北摆动的不对称性,揭示了涡旋反馈差异是造成这种不对称性的主要原因。  南半球温带急流的南北摆动存在一定的不对称性,其向低纬一侧摆动的过程通常更有持续性。基于对大气再分析资料的诊断,本文指出这种南、北摆动差异产生的原因主要是涡动动量通量强迫在两种情形下存在不同,急流向低纬移动时的涡动动量通量强迫正反馈强度相对更强且持久。利用半拉格朗日半欧拉的有限振幅波作用量(FAWA)诊断方法,本文发现这种动量通量强迫正反馈差异又主要来自于正压过程。另外,不同尺度波动在急流低频变化的这种非对称性中所起的作用也存在差异,高频波的动量通量强迫有助于这种位相非对称性的形成而低频波的热量通量输送则会在一定程度上削弱此差异。  (3)给出了海气耦合影响南半球温带急流低频变化的观测证据,揭示了中纬度海气耦合影响南半球温带急流变化的具体机制,指出海气耦合可能对70-80天及更长时间尺度上急流变化产生的显著影响。  近年来的数值模式研究显示,海气耦合可以影响南半球温带急流的低频变化,但该结论一直缺乏观测证据支持且机理并不明确。基于逐日高分辨的大气(ERA-40,ERA-interim)与海洋(OISST_V2)再分析资料,本文研究了伴随急流低频变化的海气相互作用过程。观测分析表明,急流低频变化可以通过引起海气交界面感、潜热通量异常与海表Ekman经向热量输送异常而强迫出一个显著的海温异常,表现为当急流向极地移动时高纬海温降低而中纬海温升高,这种海温异常的持续时间可以达到一百天。进一步的分析显示,急流低频变化强迫出的这种偶极型海温异常可以通过感、潜热通量的反馈来维持大气低层的温度场异常。而这种大气低层的持续性温度场异常一方面可以通过热成风调整直接影响到对流层高层的纬向风场,另一方面其伴随的瞬变涡旋活动异常又可以进一步通过其输送作用维持伴随急流低频变化的偶极型正压纬向风场异常。总的来说,急流低频变化强迫出的海温异常可以帮助维持急流的摆动进而延长急流低频变化的持续时间,加强南半球温带急流的季节内与季节间低频变率,特别是时间尺度为(70-80天)的低频变率。通过有限振幅波作用量诊断进一步发现,海温异常引。起的正、斜压涡旋反馈均会对急流低频波变化起到正的维持作用,两者的量级是相当的但是正压过程在中纬度更强而斜压反馈则主要集中在高纬度。  (4)揭示了海气耦合对南半球温带急流南、北摆动非对称性的贡献,指出急流南移时更强的海洋反馈增强了这种不对称性。  观测表明,伴随急流低频变化的高纬海温异常在急流向赤道移动时更有持续性而中纬海温异常则在急流向极地一侧移动时更有持续性,这种差异是海表Ekman输送和感、潜热通量异常共同作用的结果,特别是Ekman输送项。海温反馈导致的涡动动量通量强迫异常在急流低频变化负位相时更强,这种非对称性既有正压过程的贡献也有斜压过程的贡献。借助这种海温反馈引起的涡动动量通量强迫在南半球温带急流南、北移动中的显著差异,海气耦合可以加强急流低频变化中的非对称性。  (5)数值模式结果进一步揭示了伴随急流低频变化的海气相互作用正反馈过程。海气耦合通过触发涡旋反馈,可以增强南半球温带急流低频变化60天及以上的变率。  利用简化的中纬度准地转(QG)大气海洋耦合模式,我们模拟了伴随急流低频变化的海气相互作用过程,验证了前述观测分析结果。模式结果表明,海气耦合可以加强南半球温带急流的低频变率,延长其持续时间。海气耦合通过表面热通量过程维持大气低层温度场异常进而触发大气内部涡旋反馈延长南半球温带急流低频变化的持续时间。
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