PDF《北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化》

1992 年起,世界气候研 究计划(WCRP)建立了 平流层过程及其对气候的 作用 (SPARC)后,更多的研究注意到了平流层和 对流 层之间的相互作用. 特别是Thompson 和Wallace [21, 22] 发现北极涛动(AO)后,一些与北极涛 动相关的研究表明平流层环流的异常在一定条件下会 向下传播影响到对流层大气 [23, 24] ;

并且,有些研究表 明平流层对对流层的影响与准定常行星波的活动联系 在一起 [25 ~ 27] .但是,目前关于这种影响的机理还不 清楚.既然在冬季准定常行星波的垂直传播使得平流 层与对流层从动力上耦合在一起,而上述的研究缺乏 直接对准定常行星波活动的年际变化及其与 AO 振荡 关联的物理过程进行分析.因此,本文将在系统回顾 准定常行星波传播理论研究的基础上,利用 NCEP/ NCAR 的40 年再分析资料和全球大气环流模式(AGCM)模拟资料,分析研究北半球冬季准定常行 星波活动的年际变化,并探讨准定常行星波活动的年 际变化与对流层北极涛动的关系.

2 准定常行星波的三维传播 2.1 波的折射指数平方与准定常行星波传播波导 Gambo 和Kudo [28] 发现冬季纬向高度异常在中纬 度对流层低层和低纬度对流层高层之间有显著的三维 相关后,Huang 和Gambo [10 ~ 14] 应用波在缓变媒质中传 播理论,系统地研究了对流层地形与定常热源强迫产 生的准定常行星波在三维球面大气中的传播规律,指 出波的传播路径变化遵从下列方程: dg ~ α dt =

1 Qk i・C'

g * Δ Q0 , (1) 其中, ~ α 为波在传播中的路径与水平方向所成的角,

8 3

1 大气科学Chinese Journal of Atmospheric Sciences

29 卷Vol.

29 dg /dt 表示随群速度移动的随体微商,i 是 λ方向的单 位矢量,Qk 是波数为 k 的准定常行星波的折射指数 平方,Q0 可以看成是波数为零的波的折射指数,C'

g 是群速度在经圈面上的投影.Qk 和Q0 分别为 Qk = Q0 - k2 cos2 φ , (2) Q0 [ =

2 (Ω0 + ^ Ω)- ?

2 ^ Ω ? φ

2 + 3tan φ ?^ Ω ? φ - l2 sin2 φ ?

2 ^ Ω ?z2 -

1 ~ H0 ?^ Ω ? ( )] z / ^ Ω - l2 sin2 φ

1 4 ~ H2

0 , (3) 并且,l = 2Ω0 a/N,Ω0 是地球自转角速度, N 是伯 朗特 - 维萨拉频率, ^ Ω =- U/ ( acos φ) 是基本气流角速 度, ~ H0 是大气的标高.方程(1)说明行星波传播路 径的变化是由 Qk 及与基本气流有关的的 Q0 梯度决 定的,并且传播路径总是向着Q0 的梯度方向折射. 由大气基本气流的结构及公式(1)就可以确定 波的传播规律.图1是由北半球冬季气候平均的纬向 风并根据(3)式计算而得到的 Q0 的分布,从图

1 可以看到在高纬度平流层上层有一个 Q0 最小值的区 域,并且在中纬度平流层下层也存在一个最小值的区 域,而在高纬度和低纬度地区分别有 Q0 值相对大的 区域.这个分布可用一个简单示意图(见图 2a)表示,在图中极地是一刚壁,假设有一强迫源所产生的 定常行星波向上传播时,波沿 Q0 的梯度方向折射, 即它要向高纬度 Q0 大的区域折射,但它受极地刚壁 图1北半球冬季 Q0 的分布 Fig.

1 The distribution of Q0 in the Northern Hemisphere winter 的反射,这样波将会聚焦在高纬度地区而向平流层传 播,因此,高纬度地区上空成为行星波向平流层传播 的一个通道,当然,波传播到平流层时,它同样向 Q0 大的方向折射,即波将向着赤道方向传播;

另一 方面, 由于在中纬度平流层下层是一个 Q0 最小值的 图2(a)波导示意图;