PDF《北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化》

1 期2005 年1月大气科学Chinese Journal of Atmospheric Sciences Vol. 29, No.

1 Jan.

2005 梯度不可压缩大气和自由表面的均匀南北密度梯度均 匀不可压缩大气等四种大气模型中扰动的相速度、群 速度和波频率之间的关系,指出了大尺度扰动能量是 以波的群速度而传播,并与它的频率密切相关,从而 提出罗斯贝波能量频散理论.这个理论在天气预报和 大尺度大气扰动动力学的研究中得到了广泛的应用, 它不仅清楚地解释了大尺度扰动在纬向气流的上下游 效应 [2] ,而且为现代大气环流二维和三维遥相关动力 学奠定了坚实的理论基础,因此被认为是大气动力学 最重要的经典理论之一.

20 世纪

60 年代以后,一些气象学家开始关注平 流层波动的形成以及对流层扰动在垂直方向上的传播 和能 量频散. Charney 和Drazin [3] 以及Eliassen 和Palm [4] 分别研究了准定常行星波在有垂直切变的理想 基流下的垂直传播,而Matsuno [5,6] 研究了非常接近于 实际气流的理想气流下准定常行星波从对流层向平流 层的传播,并提出平流层爆发性增温的机制.然而, 所有这些研究都没有涉及到波动在经向上的传播与演 变.Longuest-Higgins [7] 首先将叶笃正先生的频散理论 推广到二维情形.但真正结合观测事实来研究准定常 行星波在球面大气中中的传播理论是从

20 世纪

80 年 代初开始的.Wallace 和Gutzler [8] 通过研究海平面气 压场和

500 hPa 高度场,发现北半球大气环流的异常 存在一些遥相关型,如太平洋北美型(PNA)和欧亚 型(EU)遥相关.这些遥相关型表明大气环流在某 一个地区的异常可以影响另一个地区的环流异常. Hoskins 和Karoly [9] 的工作则将叶笃正先生建立的Rossby 波在纬向上的能量频散理论推广到了二维球面 大气中,从而从理论上很好地解释了大气环流遥相关 的物理机制.自此以后,能量频散理论在大气环流变 异的研究中得到了广泛应用.随着更多观测事实的揭 露,人们越来越关注三维球面大气中大尺度扰动在非 均匀基流上的传播及其与基本气流的相互作用.20 世纪

80 年代初,Huang 和Gambo [10 ~ 14] 从波在非均匀 缓变媒层的传播理论、观测事实和数值模拟,深入研 究了准定常行星波在北半球冬、夏季的三维传播特 征,他们把叶笃正先生所建立的 Rossby 波频散理论 推广到冬、夏季球面三维大气中,并从理论、数值模 拟和观测事实上提出准定常行星波在北半球冬季的传 播存在两支波导,分别被称之为极地波导和低纬度波 导. 准定常行星波的形成,主要是由大尺度地形的动 力强迫作用和海陆分布所引起的纬向不均匀热力强迫 作用所产生的.它的演变、传播和异常是大尺度大气 动力学,同时也是气候动力学中一个非常重要的科学 问题.比如,由于天气尺度的波动多被限制在对流 层,而行星波就成为平流层最主要的波动 [15] ,它对 臭氧(O3 )的输运作用一直是平流层研究的中心课题 之一.陈文和黄荣辉 [16] 从拉格朗日平均环流的观点 讨论了行星波对大气中 O3 的输运作用,他们的分析 结果表明,定常保守的行星波对大气 O3 没有输运作 用,而瞬变耗散的行星波对大气 O3 有明显的输运作 用,并且,利用波―流耦合模式所模拟的结果表明: 行星波传播和相应的对 O3 的输运作用都有明显的季 节变化和年际变化 [17,18] ,而具有年际变化特征的热 带纬向风的 QBO 不仅通过影响东、西风切变可以引 起热带 O3 的年际变化,而且通过影响行星波的传播 可以引起行星波对 O3 输运的年际变化 [19,20] . 近十几年来,尤其是从