WACCM模式中准两年振荡现象的形成

The quasi-biennial oscillation of tropical stratospheric zonal wind is an important process in the middle and upper atmosphere. It is convinced that the equatorial trapped waves, such as the Kelvin waves and mixed Rossby-gravity waves, the inertia gravity waves (IGWs) and the small scale convective gravity waves are the dominant source of momentum flux for QBO. The GCM numerical model is a normal method to study QBO, and the formation of Quasi-biennial Oscillation in WACCM Model is of great significance. The atmospheric model is limited by the coarse temporal/spatial resolution and complicated GM activity to resolve all scale of gravity waves. As a result, the authenticity of GW sources, relative contribution of several parameterizations and an appropriate setting of resolutions have evident impact on the formation of QBO. The westward wind shear of QBO was broken for the first time in 2016, disturbing the periodicity. Our study concentrates on the reason for this special phenomenon to process an accurate simulation of QBO and study its global influence by analyzing the details of QBO amplitude when rising and damping.

平流层风场的准两年振荡现象（QBO）是中高层大气中重要的动力学过程。研究表明，包括开尔文波，混合罗斯贝-重力波在内的赤道特征波，惯性重力波和小尺度的对流重力波都是QBO现象所需动量通量的重要来源。GCM数值模拟是研究QBO现象常用的方法，研究准两年振荡现象在WACCM模式中的形成具有重要意义。受限于大气模式的时空精度以及重力波活动的复杂性，大气模式中很难完全解析出各个尺度的重力波，保证重力波参数化的真实性，明确各种参数化过程的贡献，设定合适的模式分辨率这几个方面对模式中QBO形成具有举足轻重的影响。2016年，观测数据中准两年振荡的西向风场相位形态第一次遭到了破坏，影响了其周期性特征。本课题计划研究这种特殊现象的形成原因，通过在WACCM数值模式中分析QBO振幅增益和衰减的细节，希望实现对该现象的精确模拟并在长时间的模拟中研究准两年振荡现象的全球影响。

本项目通过WACCM模式模拟，尝试通过不同程度地提高模式的垂直分辨率、改变对流参数化强度和考虑是否添加惯性重力波参数化，这三种方法对WACCM模式激发QBO的必要条件进行探讨，研究其必要性和效果优劣。一是WACCM模式中，简单地提高对流参数化对QBO的激发没有显著作用，提高模式垂直分辨率可以提高各种上行波动的动量通量传播效率，进而产生了“增强参数化强度”的类似效果，证明了提高垂直分辨率方法的可行性。二是成功激发QBO的驱动力有三个主要来源，分别是赤道特征波的EP-flux，Beres对流重力波参数化提供的驱动力和我们“双高斯参数化”惯性重力波提供的驱动力。而其它地形重力波参数化，锋面作用等参数化过程对QBO区域的影响远小于以上三种作用。三是赤道特征波，对流重力波和惯性重力波分别具有不同的波谱特征，且在QBO驱动过程中的作用彼此之间无法相互替代，想要在现行WACCM中激发显著的QBO风场振荡，惯性重力波参数化必不可少，而提高模式的垂直分辨率则能更好地还原传播的动力学过程，对改善QBO风场特征具有十分重要的意义。.本项目还利用不同的模式数据与观测数据进行对比，研究了不同高度大气中典型气候现象。（1）基于COSMIC卫星数据研究全球电离层突发E层强度；（2）对中高层大气金属成分和雷暴活动耦合的模拟和联合观测；（3）研究热带对流层季节内振荡对冬季北半球平流层的影响；（4）平流层爆发性增温期间电离层闪烁响应；（5）热层金属层全球输运模式的开发研究。为进一步提高大气数值模式对各种典型气候现象的模拟提供了有益支撑。.