基于全球大气环流三型分解的西太平洋副热带高压指数的新定义

西太平洋副热带高压(简称副高)活动规律及其变异的动力学机理问题一直是我国气象学家的重要课题。本文针对现有研究和预测中常用的高度场指数不能全面、准确刻画全球变暖背景下的副高演变特征的缺陷,利用全球大气环流三型分解模型中的流函数能够等价描述副高三维空间几何图像的优势,以500 hPa水平型环流流函数的零等值线为客观标准,给出了副高面积、强度、脊线及西伸脊点指数的新定义,并以2018年夏季副高的短期结构演变特征及其与我国东部地区降水之间的关系研究为例,验证了本文新定义副高指数的客观性与合理性。本文利用全球大气环流三型分解模型中的水平型环流流函数新定义的副高指数,不仅从形态上准确刻画了副高的大尺度涡旋环流特征,而且全球大气环流三型分解的动力学、热力学方程组为进一步利用新指数开展副高异常演变的机理研究提供新的理论工具。

全球大气环流三型分解的动力学理论研究与应用

针对气候动力学基础理论欠缺导致气候预测准确率不高的科学难题,项目充分利用数学工具,在实际大气的中高纬度罗斯贝波与低纬度哈德莱环流和沃克环流定义基础上,首次定量化地提出了全球三维水平型环流、经圈型环流及纬圈型环流的概念,创造性地构建了全球大气环流的三型分解模型,解决了全球大气环流统一表示的理论难题;结合大气运动的原始方程组,建立了全球大尺度环流三维涡度动力学方程组理论,揭示了中高纬度与低纬度及水平运动与垂直环流之间非线性相互作用的动力机制,填补了传统研究人为划分中高纬大气动力学和低纬度大气动力学的不足;开展了新理论的应用研究,发展了中国区域重大气候事件的大气环流三维结构异常演变的动力诊断与预测理论.研究成果为构建全球大气环流为整体的气候动力学理论提供了新的思路和途径,也为改进和提升我国月-季节尺度气候预测的准确率、支撑国家汛期防灾减灾的现实需求提供重要理论工具.

全球大气环流的三型分解理论

文章回顾了近年来发展的全球大气环流的三型分解理论,主要包括全球大气环流三型分解模型及全球大尺度水平型环流、经圈型环流和纬圈型环流的动力学方程组理论.与传统二维环流分解方法的对比表明:全球大气环流三型分解将垂直涡度中由水平涡旋运动与辐合辐散运动引起的垂直涡度分量有效地分解开来,也将垂直速度中的经向垂直环流与纬向垂直环流分量分解开来,为研究辐合辐散过程对垂直涡度场的演变作用及局地垂直环流的准确描述问题提供了新的方法.全球大气环流的三型分解是一种基于实际大气运动特征的三维环流分解方法,其分解后的水平型、经圈型以及纬圈型环流可分别看作是中高纬度Rossby波及低纬度Hadley和Walker环流在全球的推广.因此,新的环流分解模型及其动力学方程组为中高纬度大气环流与低纬度大气环流之间的相互作用问题研究以及全球变暖背景下大尺度环流异常演变的物理机制问题研究提供了新的理论与方法.

Hadley环流的双层结构及其年代际演变特征

利用1948—2011年NCEP/NCAR月平均水平风场资料,采用全球大气环流的三型分解等方法,研究了Hadley环流的双层结构及其年代际演变特征。结果表明：（1）Hadley环流双层结构客观存在,且4、5、6、10、11月南半球Hadley环流双层结构长期存在;（2）南半球Hadley环流双层结构较北半球更加明显,双层结构在垂直方向上呈现倾斜状,对Hadley环流强度和中心位置的变化进行研究时,应考虑双层结构的影响;（3）4、5、6、10、11月南半球Hadley环流强度随时间都呈现强弱强的年代际演变特征,各个月份环流强度都存在20-30年和40-60年时间尺度的周期;（4）4、5、6、10、11月南半球环流中心位置（双层结构平均位置）随时间一致地表现为向南移动,各个月份环流中心分别向南移动了5.18°、2.11°、2.50°、1.79°、5.76°,平均向南移动了3.47°。

2020年江淮地区梅雨异常的阶段性特征和成因分析

基于江淮地区逐日降水的低频分量将2020年梅雨期划分为6个阶段,采用全球大气环流三型分解方法研究各阶段大气环流的演变特征,揭示超强梅雨的形成机理.结果表明:经圈型环流在江淮地区引起的强烈大气上升运动是2020年超强梅雨形成的关键因素;强降水阶段,高空南亚高压和中高纬槽脊系统的相互作用引导北方冷空气不断南下;西太平洋副热带高压长期偏强、位置偏西北,驱动其西北侧的低空西南暖湿气流持续向江淮地区输送;高低层冷暖空气在江淮地区辐合,形成梅雨锋和强烈上升运动,引发多次强降水过程,导致2020年梅雨异常偏强.