北半球中纬度中间层大气风场的趋势变化及机理研究

To study the long-term changes in the middle atmosphere is useful for the detection, attribution and projection of global climate change. However, so far there is no clear picture of long-term changes obtained for dynamical parameters in the mesosphere. At the time scale of climate change, the whole neutral atmosphere should be considered as a coupled system. Therefore, at the beginning of this project, diagnostic analyses will be performed to detect the long-term variation trends and their structural changes of multiple atmospheric variables, including temperature field and temperature anomaly, stationary planetary wave activity, wind field and circulation index, etc., which are extracted from relevant ground-based and satellite observations and reanalysis data extensively distributed from the troposphere and stratosphere to the mesopause.This work will be accompanied by synthesizing the up-to-date bibliographic results on the long-term evolution trends in the global ozone and carbon dioxide concentrations and then a statistical corresponding relationship between the interdecadal or even longer time scale variability of the lower and upper atmosphere is expected to be revealed. Further through numerical simulation the single and combination driving factors, which may lead to the variation tendencies and their structural transitions of the averaged winter and summer zonal and meridional prevailing winds in the Northern Hemisphere midlatitude mesopause region during 1980-2000, will be explored. The fulfillment of this project can be expected to provide both new knowledge and new way for the understanding and study on the coupling between lower and upper atmosphere as well as the complex interactions between the dynamical, radiative and chemical processes in the middle atmosphere.

研究中层大气的长期变化有助于全球气候变化的检测、归因与预测，但是目前还没有获得中间层大气动力学参量长期变化的清晰图像。在气候变化的时间尺度上应该将整个电中性大气层视为一个耦合的整体。因此，本项目首先利用有关的从对流层、平流层直至中间层顶的地基、卫星观测及再分析资料，包括温度场和温度距平、定常行星波活动、风场和环流指数等，进行多参量长期变化趋势及它们的结构变化的诊断分析，然后结合全球臭氧和二氧化碳浓度变化趋势分析的现有结果，揭示上下层大气年代际或更长期变率之间的统计对应关系。进一步通过数值模拟检测可能造成北半球中纬度中层顶区域观测冬、夏季平均纬向和经向盛行风在1980-2000年期间的变化趋势及其结构转折的单个及组合驱动因素。预期项目完成可为理解和研究大气上下层耦合以及中层大气动力、辐射和化学过程之间复杂的相互作用提供新认识和新方法。

本项目旨在研究中高层大气的长期变化趋势及机理，主要研究了（1）中高层大气风场对重力波强迫变化的响应及机理；（2）北半球热带外平流层整层冬季12月与1-2月气候变化形势的差异及机理；（3）平流层行星波动力加热的一个近似理论的推广、应用及限制条件。.采用中上层大气环流模式（MUAM）模拟表明，发射高度上的重力波谱振幅越大，它们达到不稳定耗散的平均破碎高度越低，从而波动量沉积的高度范围越低，纬向风达到峰值及发生方向反转的高度逐渐下降，而整个风剖面（~20-120 km）被加速的效应越来越明显。进一步发现从重力波线性饱和理论出发可以对试验结果作出合理的解释。.根据ERA-Interim再分析日资料，计算了行星波的EP通量及其散度，并按冬季不同月份分析了平流层整层温度和风场从1980s到1990s变化的特征及其与行星波活动变化的关系。结果表明北极平流层12月与1-2月波流相互作用的年代际变化形势趋于相反。进一步采用MUAM模式，通过一组共七个控制和敏感性试验，发现与下边界场变化有关的动力效应主导了北极平流层12月的增温趋势，而辐射活跃气体浓度变化和动力因素的联合作用使得该区域1-2月呈降温趋势。.为了对北极低平流层温度年代变化及趋势的动力和辐射贡献大小进行严格的划分，构造了一个近似的月到月的温度变化方程，并将其推广到十年到十年变化的新形式。采用ERA-Interim资料验证表明，北极100 hPa月到月的温度增量与动力和非绝热加热相比是一个小项，后者是两个相消的大项。各月温度增量项与累积的动力和非绝热加热之和在气候年循环意义上接近平衡，它们的年代际变化也近似平衡。然而，由于相关项的偏差或不确定性，以及准地转近似和动力加热的涡动热通量（EHF）近似，两种情况下都存在一些不平衡。最后从理论上推导了EHF近似能否成立的一个限制条件。.这些系统的、基础性的研究结果对于理解大气长期变化趋势及上下层大气相互作用的机理具有重要意义。