论文部分内容阅读
平流层大气质量只占约地球大气总质量的15％，但是平流层大气过程对地球气候起着至关重要的作用，尤其是上对流层与下平流层之间的物理化学过程及其效应对气候变化起着重要的作用。本论文将在平－对交换这个大背景下，着眼于天气尺度(大尺度)系统相关的平－对交换过程，针对东亚在平－对交换中的两个关键区域(热带和中纬度)所发生的典型天气系统，选取台风以及切断低压这两类不同的典型系统个例，结合数值模拟研究，揭示分别伴随这两类系统的动力过程与质量交换特征，重点考察不同诱发源区的平流层重力波特征及其在平－对交换区域中所产生的动力强迫效应，并进一步分析这两类系统本身所引起的质量交换过程。主耍结论如下：
1、台风诱发的平流层重力波特征
利用中尺度模式WRF对2005年台风“麦莎”诱发的平流层重力波进行了数值模拟研究。数值结果显示，伴随台风向西北方向移动，在其上空以台风为中心的区域中，持续地诱发出显著的平流层重力波，波动呈特殊的弧状波阵面离开台风，并主要在背景流的上游中传播。分别从多个时次演变看，波动随着台风移动而移动，这说明重力波的出现是台风作用于平流层的结果。这进一步说明了平流层重力波与台风之间存在紧密的联系，为此我们把这种波动称为“热带气旋－平流层重力波”(TC-GWs)。
结合使用扩展经验正交函数(EEOF)和FFT分析方法获得台风重力波的时空谱结构。结果显示，重力波谱结构呈突出的单峰窄谱结构，主要的TC-GWs具有1000km左右的水平尺度、12-18hrs的时间尺度、垂直波长大约为7-9km。功率谱和动量通量谱分量集中分布在水平波数大于零的部分(kh>0)，这种不对称的功率谱和动量通量谱分布反映了重力波的传播特征，在平流层中TC-GWs的传播受平均流调控，主要逆着背景流(东风)传播，即向西传。另外，与台风相关的平流层重力波具有显著的动量通量，在20km高度处波动产生的净纬向动量通量为0.7845×10-3 Pa，净经向动量通量为0.47×10-3 Pa。净纬向动量通量值约为驱动出QBO现象所需的重力波动量通量值的26％。需要指出的是，这种TC-GWs从形态特征到尺度特征都与传统认识的孤立对流单体产生的重力波特征以及对台风重力波特征的已有的认识存在不同。
2、与东北冷涡相伴的高空急流诱发的平流层重力波特征
早先的与急流相关的重力波数值模拟研究集中在理想的急流方面。因此本研究利用中尺度模式WRF对2010年6月发生在我国东北一次实际切断低压过程(东北冷涡)进行了数值模拟，对与冷涡相伴的急流诱发的平流层重力波特征进行了详细分析。数值结果显示，随着冷涡的形成，有利于在高空急流下游处形成急流出口区，使得诱发出平流层重力波，明显的重力波总是出现在高空急流核上部的出口区区域，与高空急流存在紧密联系，并且这些波动呈二维结构。垂直结构上显示，波动在向上传播的过程中逆着背景流(偏西风)向偏西方向传播。由于急流的存在，水平风速垂直切变大，波动在上传过程中发生耗散，在动量通量廓线上表现为通量值随着高度迅速减小。EEOF结合FFT分析方法揭示的重力波时空谱结构显示，与急流相关的波动主要具有700km左右的水平尺度、9-12hrs的时间尺度、垂直波长为4-5km。由于在18-20km之间存在东西风的切变，使得波动在此高度上受到抑制，在动量通量上表现为此高度通量值减小为0。这与台风诱发的平流层重力波垂直传播特征明显不同。通过动量通量廓线估计，该过程产生的重力波对该区域11-20km高度之间的平均纬向背景流造成的强迫为-0.86m/s/day。
3、两类涡旋系统个例所引起的平流层－对流层交换过程
利用台风“麦莎”和2010年切断低压(东北冷涡)个例的垂直高分辨率数值模拟结果，用Wei公式考察两类不同系统个例引起的平－对交换过程，重点在穿越对流层顶的质量交换的时空分布方面。
分析结果表明，东北冷涡活动过程所引起的穿越对流层顶的质量交换总效果(区域、时间积分)表现为平流层向对流层的输送，净交换量为-4.89×1014 kg。在冷涡形成前期，即大型槽脊发展阶段，已经存在活跃的交换。在冷涡活动的整个过程中，槽后或冷涡的偏西侧主要表现为空气质量由平流层向对流层的输送(STT)，而在槽前或冷涡的偏东侧主要表现为由对流层向平流层的输送(TST)，这种空间分布形态主要是由对流层顶变化输送项决定。而对此次过程净交换的贡献起决定性作用的是水平运动项。冷涡活动区域平均的总交换通量随时间变化趋势总体分为三段：在冷涡形成前期，存在较强的平流层空气向对流层输送过程；随着冷涡的形成发展，总通量表现为TST-STT-TST波动趋势；冷涡发展后期到衰减阶段，总通量表现为平流层空气向对流层输送。
台风“麦莎”过程所引起的穿越对流层顶的质量交换总效果(区域、时间积分)表现为对流层向平流层的输送，净交换量为0.928×1014 kg。在台风“麦莎”的活动过程中，TST大值区主要集中在“麦莎”前进方向的偏西位置，这种空间分布形态主要是由空气垂直输送项决定。而水平运动引起的输送通量最小。在整个台风发展过程中，主体部分的平均总输送通量主要表现为TST，随时间的变化呈十几小时的周期。其中垂直运动输送项占主导作用，其随时间的变化趋势与总通量趋势相似。