Hadley環(huán)流是季風(fēng)系統(tǒng)的重要成員之一,它在低緯度地區(qū)和中高緯度地區(qū)的能量、質(zhì)量、角動(dòng)量和水汽等物理量的交換中扮演著重要的角色,進(jìn)一步會(huì)對(duì)全球天氣和氣候系統(tǒng)有重要的影響。丑紀(jì)范團(tuán)隊(duì)從全球視角出發(fā),提出了一種最符合實(shí)際大氣的三維環(huán)流分解的新方法,也就是全球大氣環(huán)流三型分解方法(3P-DGAC)。本文首先對(duì)前人提出的3P-DGAC方法的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹,并給出求解3P-DGAC方法的一種高穩(wěn)定數(shù)值算法,同時(shí)還指出了3P-DGAC方法的優(yōu)點(diǎn);然后對(duì)比分析了3P-DGAC方法和中高緯度地區(qū)水平渦旋環(huán)流表示方法以及低緯度熱帶地區(qū)垂直翻轉(zhuǎn)環(huán)流分解方法之間的區(qū)別和聯(lián)系;最后利用3P-DGAC方法研究了Hadley環(huán)流的變化及其受地形的影響。通過研究和分析,本文得到以下主要的結(jié)論:(1)全球大氣環(huán)流三型分解方法及其高穩(wěn)定數(shù)值算法水平型、經(jīng)圈型和緯圈型環(huán)流是中高緯度地區(qū)的Rossby波和低緯度熱帶地區(qū)的Hadley和Walker環(huán)流在全球范圍內(nèi)的推廣,它們可以抓住傳統(tǒng)環(huán)流的主要特征。水平型環(huán)流動(dòng)能主要分布在中高緯度地區(qū),經(jīng)圈型和緯圈型環(huán)流動(dòng)能主要分布在低緯度地區(qū),但是傳統(tǒng)Rossby波、Hadley和Walker環(huán)流的動(dòng)能中心都主要存在于中高緯度地區(qū),說明相比于傳統(tǒng)環(huán)流動(dòng)能的定義,三型環(huán)流動(dòng)能的分布特征更符合實(shí)際大氣運(yùn)動(dòng),也說明了3P-DGAC方法的優(yōu)越性。另外,3P-DGAC方法可以將垂直速度分解為經(jīng)圈型環(huán)流的垂直速度和緯圈型環(huán)流的垂直速度兩部分,從而可以更準(zhǔn)確地描述徑向和緯向垂直環(huán)流。(2)全球大氣環(huán)流三型分解方法與傳統(tǒng)二維分解方法的對(duì)比中高緯度地區(qū)水平渦旋運(yùn)動(dòng)表示方法和熱帶地區(qū)垂直翻轉(zhuǎn)環(huán)流分解方法都是基于傳統(tǒng)二維輻散流和渦旋流分解方法的。與傳統(tǒng)二維輻散流和渦旋流分解方法不同,3P-DGAC方法可以將垂直渦度分解成兩部分,分別是水平型環(huán)流對(duì)應(yīng)的垂直渦度和垂直環(huán)流對(duì)應(yīng)的垂直渦度。如果令垂直環(huán)流對(duì)應(yīng)的垂直渦度為零,傳統(tǒng)二維渦旋運(yùn)動(dòng)和三維水平型環(huán)流完全相等,進(jìn)一步地,兩種方法對(duì)應(yīng)的垂直環(huán)流也完全相等,那么,3P-DGAC方法和傳統(tǒng)二維輻散流和渦旋流分解方法是相同的。因此,3P-DGAC方法并不是中高緯度地區(qū)二維渦旋流表示方法和低緯度熱帶地區(qū)垂直翻轉(zhuǎn)環(huán)流分解方法的簡單疊加,而是一種新的三維大氣環(huán)流分解方法,并且可以看做是傳統(tǒng)二維輻散流和渦旋流分解方法的三維推廣。(3)不同區(qū)域間以及CMIP5和再分析資料間年平均局地Hadley環(huán)流演變特征的差異在歷史時(shí)間段,對(duì)于任一再分析資料得到的南北半球全球緯向平均Hadley環(huán)流(ZAHC)和局地Hadley環(huán)流的強(qiáng)度和下沉支的長期趨勢(shì),至少存在1個(gè)CMIP5模式,使得再分析資料和CMIP5模式historical試驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果不存在顯著的差異;因此,認(rèn)為再分析資料和CMIP5模式historical試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的ZAHC和局地Hadley環(huán)流的長期變化趨勢(shì)不存在顯著的差異。CMIP5模式Picontrol試驗(yàn)和再分析資料對(duì)應(yīng)的Hadley環(huán)流強(qiáng)度(下沉支)的自然變率存在差異(十分相似),導(dǎo)致了CMIP5模式historical試驗(yàn)和再分析資料對(duì)應(yīng)的南北半球不同區(qū)域局地Hadley環(huán)流強(qiáng)度(下沉支)的相關(guān)系數(shù)存在明顯的差異(十分相似)。在未來時(shí)間段,由于CMIP5模式historical試驗(yàn)和RCP未來情景試驗(yàn)的初始場(chǎng)相同,都由CMIP5模式Picontrol試驗(yàn)提供,因此,在全球變暖背景下,歷史時(shí)間段得到的不同區(qū)域之間局地Hadley環(huán)流強(qiáng)度和下沉支位置的相關(guān)性沒有發(fā)生改變。(4)地形對(duì)北半球夏季Hadley環(huán)流向極展寬的影響在北半球夏季(6 9月)期間,不考慮地形時(shí),北半球夏季Hadley環(huán)流中存在“小環(huán)流”結(jié)構(gòu);而考慮地形以后,北半球夏季Hadley環(huán)流表現(xiàn)為單中心環(huán)流結(jié)構(gòu)。因此,“小環(huán)流”結(jié)構(gòu)的概念是不準(zhǔn)確的,是由于計(jì)算質(zhì)量流函數(shù)時(shí)不考慮地形而錯(cuò)誤引入的。不考慮地形情況和考慮地形情況下的北半球夏季Hadley環(huán)流徑向風(fēng)存在的差異主要表現(xiàn)為在對(duì)流層低層存在的低緯度地區(qū)的南風(fēng)和中緯度地區(qū)的北風(fēng)。不考慮地形情況和考慮地形情況的北半球夏季Hadley環(huán)流的差異主要表現(xiàn)為從低層到高層都存在的低緯度地區(qū)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流和中緯度地區(qū)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流。也就是說,通過垂直積分的過程,徑向風(fēng)的局地誤差會(huì)導(dǎo)致Hadley環(huán)流的整體誤差�？紤]地形后,利用傳統(tǒng)方法、3P-DGAC方法和熱帶地區(qū)垂直翻轉(zhuǎn)環(huán)流分解方法均發(fā)現(xiàn)北半球夏季Hadley環(huán)流向極展寬程度和顯著性明顯減小。(5)地形對(duì)Hadley環(huán)流氣候態(tài)和演變特征的影響不考慮地形會(huì)導(dǎo)致各個(gè)月份和半球的Hadley環(huán)流(包括Hadley環(huán)流的強(qiáng)度、上升支和下沉支位置以及寬度)氣候態(tài)都存在誤差。北半球夏季Hadley環(huán)流較弱,不考慮地形引起的誤差和氣候態(tài)量級(jí)相當(dāng),并且誤差表現(xiàn)為低緯度地區(qū)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流和中緯度地區(qū)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流,因此,僅僅在北半球夏季Hadley環(huán)流中存在“小環(huán)流”結(jié)構(gòu)。除此之外,三種質(zhì)量流函數(shù)計(jì)算方法得到的北半球夏季Hadley環(huán)流對(duì)應(yīng)的不考慮地形引起的誤差也很相似,因此,三種方法得到的“小環(huán)流”結(jié)構(gòu)幾乎一致。不考慮地形,對(duì)Hadley環(huán)流強(qiáng)度的演變特征的影響較小;對(duì)6 8月份,特別是6月和7月,北半球Hadley環(huán)流下沉支位置以及上升支位置的演變特征的影響較大,而對(duì)所有月份南半球Hadley環(huán)流下沉支位置和其它月份北半球Hadley環(huán)流下沉支位置以及上升支位置的演變特征的影響較小。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P461
【部分圖文】：

23圖 2.1 1979 2016 年（a）冬季 12 月、1 月、2 月（DJF）、（b）春季 3 月、4 月、5 月（MAM）、（c）夏季 6 月、7 月、8 月（JJA）、（d）秋季 9 月、10 月、11 月（SON）500 hPa 水平型環(huán)流的氣候平均態(tài)；填色和等值線均為水平型環(huán)流的流函數(shù) R ，單位：10 6s 1。

但為850hPa水平型環(huán)流的氣候平均態(tài)

27圖 2.5 1979 2016 年 500 hPa 年平均（a）水平型環(huán)流、（b）經(jīng)圈型環(huán)流、（c）緯圈型環(huán)流、（d）Rossby 波、（e）Hadley 環(huán)流、（f）Walker 環(huán)流動(dòng)能的氣候平均態(tài)，單位：m2s 2kg 1。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2829579