北半球Polar和Arctic环流变化对中高纬度气候异常的影响

In traditional theories, the interactions among the three meridional cells (the Hadley, Ferrel, and Polar cells) act as the bridges for the exchanges of mass and energy over the tropics, the mid-latitudes, and Polar region. Recent results show a new meridional cell in the Arctic area, the Arctic cell, besides the Polar cell. These two cells exert direct impacts on the surface temperature and sea ice anomalies over the mid-high latitudes. Based on the different potential effects of the meridional cells on different latitudinal bands and temperature-pressure configurations, this project aims to study the effects and underlying mechanisms of the interactions between the Polar and Arctic cells on the climate anomalies over mid-high latitudes from seasonal, interannual, and inderdecadal timescales. Then, we aim to reveal the causes of regional differences in surface air temperature and sea ice over the mid-high latitudes of North Hemisphere by exploring the temperature-pressure characteristics. This project will enhance our understanding on the role of meridional cells in the climate system over mid-high latitudes, and then provide new perspectives for the climate projections there.

传统的大气环流理论认为，北半球的三个经向环流圈（Hadley、Ferrel和Polar环流）通过相互作用构成了热带、中纬度和极地之间物质和能量交换的重要桥梁。最新的研究发现，北极地区除了传统的Polar环流外，还存在另一个经向环流圈，即Arctic环流。这两个环流圈的强度和位置变化对中高纬度温度和海冰密集度异常有直接的影响。基于各经向大气环流圈对不同纬度带气候以及大气温压场结构对区域气候可能产生的不同影响，本申请项目拟从季节、年际和年代际三个时间尺度，研究北极地区Polar环流和Arctic环流间的耦合作用对中高纬度气候异常的影响机理，并揭示大气温压场扰动结构影响下的北半球中高纬度地表温度和海冰密集度在不同纬度带和区域的异常特征，为中高纬地区的气候预测提供新的思路和方法。

用长期再分析大气变量做高时空分辨率的时间平均可得到瞬变气候和瞬时扰动两个分量，其中瞬变气候分量中可以得到全球的八圈环流。这样的分解称为扰动法。北半球的四圈环流是：Hadely环流，Ferrel环流，Polar环流和Arctic环流。南半球的四圈环流是：Hadely环流，Ferrel环流，Polar环流和Antarctic环流。这样在南、北半球的极地附近各发现了Arctic环流和Antarctic环流。由此，我们向自然基金委申请了《北半球Polar和Arctic环流变化对中高纬度气候异常的影响》这一面上基金项目 (41775067)。. 北半球四圈环流模型下的气候分布与传统三圈环流模型下的全球气候分布，尤其中高纬度气候分布，是完全不同的。理论上，传统三圈环流在极地的气候气流是下沉的，对应对流层中下部是高压。实际上，气候图和每日天气图的北极是极地低压涡旋活动的地方。Arctic环流的发现和大气四圈环流模型的建立具有两个方面的重大意义和应用价值。. 第一个方面是认识气候变化方法上的意义和价值。全球气候变化表现为增暖的趋势，而北极地区的增暖趋势是全球增暖趋势的2-4倍。大气环流与气候变化是紧密联系的。当极地只有一个Polar环流和有两个相互作用的Polar环流与Arctic环流系统时，整个极地区域的气候形成机理是完全不同的。这不单是一个科学问题，也是当前气候变化研究的方法论问题和对全球增暖归因的解释问题。这样的科学与应用问题需要引起相关部门的重视。. 第二个方面是预报中高纬度极端天气的意义和价值。大气实况观测资料和数值模式产品中包含了瞬变气候和瞬时扰动分量。各种极端天气事件的发生是大气中扰动能量的快速释放。因此，预测和预报极端天气就需要从观测和模式产品中分离掉瞬变气候，对留下的各种扰动变量做成空间特征的分析，就可以对各种极端天气的发生进行定性、定强、定位和定时的预警和预报了。这样的扰动法也希望得到我国相关业务部门的开发与应用。