低平流层涡动热通量近似的最佳参考纬度

通常基于准地转的变换的欧拉平均框架下提出的涡动热通量近似理论计算极区平流层温度变化的动力和非绝热加热贡献,但是这可能会带来一定的误差。本文根据Liu and Fu(2019)提出的欧拉平均框架下新形式的面积加权平均的热力学能量方程,通过滑动累加得到逐月的温度变化方程。再利用1980-2019年欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料(European Centre for Medium-range Weather Forecasts fifth reanalysis data,ERA5),计算北半球极区低平流层100 hPa在全时段(1980-2019年)和两个分时段(1980-1999年、2000-2019年)各月温度增量、动力加热、非绝热加热和对流加热项(W项)的气候平均值,进而讨论涡动热通量近似理论成立的最佳参考纬度。结果表明,新导出的W项使得极区累积的动力和非绝热加热项之和与温度增量项之间的误差在冬春季减少了一半。在100 hPa上,W项随月份和纬度变化,尤其在冬春季节对温度变化贡献明显,由此得到涡动热通量近似成立的最佳参考纬度应该在W项的零等值线附近。进一步验证表明参考纬度可以取在50°N。

关于大气涡动热通量参数化问题研究

用NCEP/NCAR等再分析资料计算和分析表明,月平均瞬变涡动热通量和月平均温度梯度的局域相关性很低,甚至在一些纬度是负相关,更严重的是二者之间存在非线性的多值对应函数关系。如果用非局域参数化,参数化水平将有所提高,但改进并不明显。通过与分子运动论输运理论进行数学、特别是物理类比提出了考虑“风暴路径”效应的瞬变涡动热通量的参数化方案,经再分析资料的检验,结果表明它能大大提高参数化的水平。其次,还证实采用空间非局域参数化仍然是进一步提高瞬变涡动热通量参数化水平的方法之一。此外,资料分析显示中高纬度纬向平均温度梯度和纬偏涡动温度通量之间也存在负相关及多值函数关系,说明仅用温度梯度去参数化纬向平均涡动热通量难以得到好的结果,需要考虑多元参数化或非同步参数化等。

近30a来北半球对流层大气月均环流的涡动减弱现象

利用1980—2009年NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究了在全球变暖背景下北半球对流层大气涡动减弱现象。结果表明:北半球涡度拟能30a来整体呈减弱趋势,在北太平洋地区和极地减弱尤为显著,12.5～50°N为影响北半球大气涡动变化的关键区域。由于对流层200hPa以下大气的增暖,特别是中高纬地区显著增暖,减弱了经向温度梯度,使得副热带西风急流的强度亦呈减弱趋势。这与涡度拟能的变化有显著的正相关关系。分析了北半球正压Rossby波动诊断量E和热量经向涡动通量的变化,表明中纬度波能传播在不同地区有不同趋势,而热量的经向涡动输送与涡度拟能的变化也呈现显著的正相关关系,减弱明显。研究结果对深刻认识大气环流变化规律和理解全球变暖的可能影响具有重要意义。

北半球中高纬地区冬季大气臭氧与极涡强度关系

为全面了解冬季北半球中高纬度地区臭氧与同期北极极涡强度变化的相关关系,利用1979年1月至2011年12月欧洲中心再分析资料,选取了4个关键区(北极、东亚、北美和西欧),采用相关分析和E-P通量计算方法,分析了两者之间的相关关系并进行了机制研究。结果表明:(1)冬季北极平流层臭氧总量与极涡强度的负相关关系较好;(2)当极涡强(弱)年,极圈内和外围的北美部分地区臭氧总量显著减少(增加);(3)极涡强度弱时,上传到平流层的涡动热通量强,北半球中高纬地区E-P通量散度辐合增强,剩余环流加强,将导致该地区得到低纬高浓度臭氧的补充而使得臭氧含量增多;(4)1979-2011年上传到中高纬平流层的波动通量增加,造成极区温度增加,进而抑制非均相反应发生而使得极区臭氧含量增加。

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料(ERA-40),从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在"深冬抑制"现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的"深冬抑制"现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80%,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴"深冬抑制"现象的直接原因。

冬季北半球风暴轴能量演变的个例分析

利用观测资料 ,从扰动能量变化方程出发 ,通过分析能量的逐日演变过程 ,对风暴轴的各种内部因素在其维持中的作用进行了详细探讨。结果发现 ,涡动非地转位势通量所引起的“下游发展效应”

用二维模式研究非洲气候的生物地球物理学反馈作用

本文用二维气候模式研究了非洲气候的生物地球物理学反馈作用。利用气候-植被耦合模式做了两个数值试验,一个是撒哈拉沙漠消失;另一个则将撒哈拉沙漠扩展。试验结果表明地面状况的变化对气候系统产生重要的反馈作用。在考虑撒哈拉沙漠时模拟出的温度和纬向风同非洲干旱年份的气候资料相一致。

季节性干旱驱动亚热带森林的碳积累

本研究旨在表明处于南亚热带的鼎湖山生物圈保护区的干旱频率和强度正在增加,并说明季节性干旱对亚热带森林碳积累的影响。这是为了应对全球气候变化导致的干旱加剧所带来的威胁开展的一项研究。我们使干旱指数(标准化降水指数、标准降水蒸散发指数、降水距平百分率及自校准帕尔默干旱指数)准确确定干旱期和降水量增加期。此后,将2003至2014年(12年)监测采集的实测涡动通量和土壤含水量数据在干旱期和湿润期之间进行比较,以确定干旱对生态系统碳积累的影响。在本研究所选择的12年期间,干旱的发生时间约占比20%,最强干旱事件和严重程度发生于2012至2013年。研究期间的年平均降水量和气温分别为1404.57±43.2 mm和22.65±0.1°C,与30年记录(1990–2020)相比较,年降水量减少量可达523 mm,而气温则增加了2.55°C。与全球针对大多数森林生态系统研究所发表的数据呈相反趋势,处于中国南亚热带区域的鼎湖山生物圈保护区在60%的干旱期内所监测的森林生态系统记录到显著的碳积累趋势,说明季节性干旱驱动了森林的碳积累。

中高层大气环流模式的初步评估与敏感性分析

提高大气环流模式的模式顶层高度对中高层大气(如平流层准两年振荡)的准确模拟至关重要.本研究将IAP大气环流模型(IAP-AGCM)延伸至中层大气顶(~0.01 hPa,~80 km)并提高垂直方向分辨率(91层),发展了一个中高层大气环流模型(IAP-AGCML91).结果表明,与低层模式相比,该中高层大气模式在整体上显著减小了平流层尤其是上平流层的冷偏差.研究发现这种改善与两种机制有关:与低层模式相比,高层模式模拟的短波加热更大,极区平流层附近的经向涡动热通量更大.上述结果表明,垂直分辨率和模式顶层高度对IAP-AGCML91的气候模拟有重要影响.