GRL: 平流层极涡变异的主模态与西半球环流型的关联


发布时间:2020-09-01浏览次数:10



近日,地学领域国际顶级学术期刊Geophysical Research Letters登载了我院最新科研成果。论文题目为“Linkage between a dominant mode in the lower stratosphere and the Western Hemisphere circulation pattern”,第一作者为博士研究生谭鑫,研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。

1.(a) 500-hPa西半球环流(WH)型(引自Bao and Wallace 2015);(b) 11-3月逐日50-hPa位势高度(Z50)异常的EOF1模态(NA型),EOF1模态显示为Z50异常对标准化PC1的回归,右上角为方差百分率;(c)对NA型事件在-5天合成的10天低通滤波Z500异常,右上角为(a)与(c)的空间相关系数;(d)对WH型事件在+5天合成的Z50异常,右上角为(b)与(d)的空间相关系数;(e)红(蓝)线表示合成的标准化WH指数(PC1)在NAWH)事件中心日期的前20天到后20天的时间演变。阴影(c-d)和打点(e)表示t检验置信度达到95%



自从Baldwin and Dunkerton (1999, 2001)发现平流层环状模异常信号能下传到地面,近20年平流层-对流层相互作用研究成为气候动力学和次季节预测研究领域关注的一个重要方向。平均每十个冬季发生六次的平流层爆发性增温事件,能够在发生后的1-2个月时间内造成大西洋-欧亚区域大范围气候冷异常和极端寒潮事件;而平流层爆发性增温事件的发生则与对流层行星波前兆及行星波加强上传有关(Bao et al. 2017)

最近的研究发现北美的极端冷事件主要不是与平流层爆发性增温(即异常弱极涡)有关,而是与平流层极涡中心偏向北美上空有关,特别是平流层低层极涡中心的偏移。这种观点认为当极涡中心偏向北美时,容易造成北美冷异常发生。但是,极涡偏移并不意味着极涡的强度偏弱,极涡偏移影响对流层的动力过程可能和平流层爆发性增温影响对流层的动力过程不同。

博士研究生谭鑫认为平流层极涡中心偏向北美可能与对流层的西半球环流型有关,因为之前的研究发现西半球环流型的异常行星尺度槽脊分布对应北美中东部的冷异常。通过经验正交函数(EOF)分析得到,平流层低层极涡逐日变异的第一模态正位相与极涡中心偏向北美上空对应。利用时间滞后的合成分析和时间滞后的奇异值分解(SVD)方法,结果表明西半球环流型信号超前于平流层极涡逐日变异主模态信号大约5天,两者关联的动力机制是由于西半球环流型同时加强了行星2波(纬向波数为2)和减弱了行星1波(纬向波数为1)的垂直传播所引起的平流层极涡形态的变异,而对极涡强度的影响不大。

该研究的科学意义在于澄清了平流层低层极涡中心偏向北美并不是造成北美冷异常的原因。实际上是由于西半球环流型在造成北美冷异常的同时,通过异常行星波垂直传播引起了平流层低层极涡形态的变化,表现为极涡中心偏向北美上空。虽然平流层行星波反射途径有可能向下影响对流层,但该研究表明这可能只是个例情况。

论文链接:

Tan, X., and Bao, M. (2020), Linkage between a dominant mode in the lower stratosphere and the Western Hemisphere circulation pattern. Geophys. Res. Lett., 47, e2020GL090105. https://doi.org/10.1029/2020GL090105

Bao, M., Tan, X., Hartmann, D. L., and Ceppi, P. (2017), Classifying the tropospheric precursor patterns of sudden stratospheric warmings, Geophys. Res. Lett., 44, 8011– 8016.https://doi.org/10.1002/2017GL074611



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