【摘要】：北極平流層極渦在平流層對流層動力耦合中扮演著非常重要的作用,其強度、位置和形態(tài)的變化可通過平流層對流層動力耦合對對流層天氣系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的影響。本論文利用多種再分析資料分析了對流層中、高緯阻塞異常對平流層極渦強度、位置以及形態(tài)變化的影響,以及這些極渦異常信號對對流層環(huán)流和近地面溫度的影響,并探討了他們之間相互作用的機制。此外,論文還結合參與第五次國際耦合模式比較計劃(CMIP5)的模式數(shù)據(jù)研究了北極平流層極渦與歐亞大陸冷空氣爆發(fā)之間的聯(lián)系,并探討了厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)和平流層準兩年振蕩(QBO)對兩者年際關系的影響。得到以下主要結論:1、本文首先研究了極端平流層極渦事件(簡稱:強極渦事件和弱極渦事件)生命周期的不同階段對流層阻塞的變化及其與平流層極渦之間的聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)在強極渦事件的起始期和成熟期,歐洲-大西洋區(qū)域的阻塞頻率是減少的,北太平洋西部的阻塞頻率是增加的;持續(xù)時間短的強極渦事件相較于持續(xù)時間長的強極渦事件在北太平洋西部有更多的阻塞天數(shù)以及更弱的進入平流層的向上行星波通量,減弱的向上的行星波通量主要由線性波相互作用造成的。在強極渦事件的衰減期,歐亞-大西洋區(qū)域的阻塞頻率是增加的,阻塞的增加與平流層下傳的正緯向風異常以及正北半球環(huán)狀模(NAM)異常引起的向極地偏移的渦旋驅動的急流有關。在持續(xù)時間短的強極渦事件中歐洲-大西洋區(qū)域增加的阻塞通過線性波相互作用使得進入到平流層的行星波通量增加,而長持續(xù)時間的強極渦事件則主要是通過非線性波相互作用。在弱極渦事件的生長期,阻塞頻率的變化幾乎與強極渦事件起始期和成熟期的阻塞頻率的變化相反;在弱極渦事件后期,非線性波-波相互作用是造成進入平流層的向上行星波通量減少的主要原因,這一發(fā)現(xiàn)在以前的研究中未被提及。2、論文接著分析了在強(CAOS)、弱(CAOW)以及中性(CAON)平流層極渦狀態(tài)下歐亞大陸冷空爆發(fā)(CAOs)特征的異同,并檢驗了平流層極渦與歐亞大陸CAOs在年際時間尺度上的聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)在CAOW事件前期,歐洲地區(qū)的近地面氣溫要比其他兩類事件的氣溫更低,這主要是因為CAOW事件中先前存在的負北大西洋濤動(NAO)模態(tài)的振幅要比CAOS和CAON事件中的NAO振幅更大。當負的平流層NAM信號進入到對流層后,CAOW事件中歐亞大陸東部中緯度地區(qū)的近地面氣溫要明顯低于CAON事件的氣溫。更大的感熱通量引起的非絕熱加熱異常在一定程度上抵消了CAOW事件中強的冷平流造成的變冷效果,使得歐亞北部近地面氣溫在CAOW和CAON事件中的差異不明顯。此外,在三類事件的前期,均有來自于西太平洋低緯度的波在歐亞大陸東北部輻合,波通量的輻合會進一步減弱該區(qū)域的緯向西風,繼而為冷空氣向南入侵創(chuàng)造有利條件。研究進一步分析了平流層極渦強度與歐亞大陸CAOs強度之間的年際關系,發(fā)現(xiàn)CMIP5模式集合相對于再分析資料傾向于低估他們兩者之間的聯(lián)系,兩者之間的聯(lián)系在未來是加強的。研究結果也表明歐亞大陸冷空氣爆發(fā)的強度在過去(1958-2016年)和未來(2006-2060年)均是減弱的。3、論文進一步研究了ENSO以及QBO對北極平流層極渦與歐亞大陸CAOs之間年際關系的影響。相關分析結果表明北極平流層極渦與歐亞大陸CAOs的年際關系在El Ni?o年比在La Ni?a年強;此外,兩者的年際關系在QBO東風位相下要比在QBO西風位相下強。當從El Ni?o和La Ni?a年中剔除強QBO東、西風位相年后,極渦與歐亞大陸CAOs之間的年際相關在El Ni?o年仍是加強的;相似地從QBO東、西風位相年中剔除強El Ni?o和La Ni?a年后,兩者之間的年際相關在QBO東風位相下更顯著。CMIP5模式集合平均結果與再分析資料結果基本一致。研究還發(fā)現(xiàn)平流層極渦與歐亞大陸CAOs的年際關系存在明顯的年代際變化,且兩者之間年際關系的年代際變化會受到ENSO和QBO的影響。1958-1976年間ENSO對北極平流層極渦的影響加強了平流層極渦與歐亞大陸CAOs之間的年際關系。而不同高度上的QBO信號對北極平流層極渦與歐亞大陸CAOs年際關系的影響存在差異,1958-1976年間50 hPa和30 hPa QBO對北極平流層極渦的影響均減弱了極渦與歐亞大陸CAOs之間的年際關系;1998-2016年間50 hPa QBO減弱了兩者之間的年際關系,而30 hPa QBO則加強了兩者之間的關系。4、論文最后利用ERA-Interim再分析資料研究了北極平流層極渦偏移的前兆信號以及不同位置和形變的極渦對對流層環(huán)流以及近地面氣溫的影響。研究表明北歐阻塞的增加以及白令海峽阻塞的減少有利于平流層極渦偏向歐亞大陸,相反的阻塞變化模態(tài)有利于平流層極渦偏向北美。北大西洋東部阻塞的增加以及白令海峽阻塞的減少有利于平流層極渦偏向北大西洋。這些異常的阻塞模態(tài)主要是通過影響進入到平流層的行星尺度1波和2波進而影響平流層極渦的位置。平流層極渦偏移事件被進一步分成大形變和小形變的極渦偏移事件,發(fā)現(xiàn)這兩類事件前期,進入到低平流層的行星2波存在明顯差異,這一差異與對流層阻塞模態(tài)的差異密切相關。論文進一步定義了對流層阻塞事件,這些阻塞事件分別具有與極渦偏向歐亞、北美和大西洋事件前期相同的阻塞模態(tài),結果表明在這些阻塞事件發(fā)生后平流層極渦偏向歐亞(增加20.9%)、北美(增加9.4%)和北大西洋(增加4.3%)的概率是增加的。平流層極渦偏向歐亞、北美以及大西洋可以進一步導致這些區(qū)域對流層頂位勢高度降低以及相應的地面冷異常。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P421.3


本文編號：2757417