基于全球大气环流三型分解方法对哈德来环流变化及其受地形影响的研究

发布时间：2020-09-29 10:02

　　 Hadley环流是季风系统的重要成员之一,它在低纬度地区和中高纬度地区的能量、质量、角动量和水汽等物理量的交换中扮演着重要的角色,进一步会对全球天气和气候系统有重要的影响。丑纪范团队从全球视角出发,提出了一种最符合实际大气的三维环流分解的新方法,也就是全球大气环流三型分解方法(3P-DGAC)。本文首先对前人提出的3P-DGAC方法的主要内容进行介绍,并给出求解3P-DGAC方法的一种高稳定数值算法,同时还指出了3P-DGAC方法的优点;然后对比分析了3P-DGAC方法和中高纬度地区水平涡旋环流表示方法以及低纬度热带地区垂直翻转环流分解方法之间的区别和联系;最后利用3P-DGAC方法研究了Hadley环流的变化及其受地形的影响。通过研究和分析,本文得到以下主要的结论:(1)全球大气环流三型分解方法及其高稳定数值算法水平型、经圈型和纬圈型环流是中高纬度地区的Rossby波和低纬度热带地区的Hadley和Walker环流在全球范围内的推广,它们可以抓住传统环流的主要特征。水平型环流动能主要分布在中高纬度地区,经圈型和纬圈型环流动能主要分布在低纬度地区,但是传统Rossby波、Hadley和Walker环流的动能中心都主要存在于中高纬度地区,说明相比于传统环流动能的定义,三型环流动能的分布特征更符合实际大气运动,也说明了3P-DGAC方法的优越性。另外,3P-DGAC方法可以将垂直速度分解为经圈型环流的垂直速度和纬圈型环流的垂直速度两部分,从而可以更准确地描述径向和纬向垂直环流。(2)全球大气环流三型分解方法与传统二维分解方法的对比中高纬度地区水平涡旋运动表示方法和热带地区垂直翻转环流分解方法都是基于传统二维辐散流和涡旋流分解方法的。与传统二维辐散流和涡旋流分解方法不同,3P-DGAC方法可以将垂直涡度分解成两部分,分别是水平型环流对应的垂直涡度和垂直环流对应的垂直涡度。如果令垂直环流对应的垂直涡度为零,传统二维涡旋运动和三维水平型环流完全相等,进一步地,两种方法对应的垂直环流也完全相等,那么,3P-DGAC方法和传统二维辐散流和涡旋流分解方法是相同的。因此,3P-DGAC方法并不是中高纬度地区二维涡旋流表示方法和低纬度热带地区垂直翻转环流分解方法的简单叠加,而是一种新的三维大气环流分解方法,并且可以看做是传统二维辐散流和涡旋流分解方法的三维推广。(3)不同区域间以及CMIP5和再分析资料间年平均局地Hadley环流演变特征的差异在历史时间段,对于任一再分析资料得到的南北半球全球纬向平均Hadley环流(ZAHC)和局地Hadley环流的强度和下沉支的长期趋势,至少存在1个CMIP5模式,使得再分析资料和CMIP5模式historical试验模拟的结果不存在显著的差异;因此,认为再分析资料和CMIP5模式historical试验对应的ZAHC和局地Hadley环流的长期变化趋势不存在显著的差异。CMIP5模式Picontrol试验和再分析资料对应的Hadley环流强度(下沉支)的自然变率存在差异(十分相似),导致了CMIP5模式historical试验和再分析资料对应的南北半球不同区域局地Hadley环流强度(下沉支)的相关系数存在明显的差异(十分相似)。在未来时间段,由于CMIP5模式historical试验和RCP未来情景试验的初始场相同,都由CMIP5模式Picontrol试验提供,因此,在全球变暖背景下,历史时间段得到的不同区域之间局地Hadley环流强度和下沉支位置的相关性没有发生改变。(4)地形对北半球夏季Hadley环流向极展宽的影响在北半球夏季(6 9月)期间,不考虑地形时,北半球夏季Hadley环流中存在“小环流”结构;而考虑地形以后,北半球夏季Hadley环流表现为单中心环流结构。因此,“小环流”结构的概念是不准确的,是由于计算质量流函数时不考虑地形而错误引入的。不考虑地形情况和考虑地形情况下的北半球夏季Hadley环流径向风存在的差异主要表现为在对流层低层存在的低纬度地区的南风和中纬度地区的北风。不考虑地形情况和考虑地形情况的北半球夏季Hadley环流的差异主要表现为从低层到高层都存在的低纬度地区的逆时针旋转环流和中纬度地区的顺时针旋转环流。也就是说,通过垂直积分的过程,径向风的局地误差会导致Hadley环流的整体误差。考虑地形后,利用传统方法、3P-DGAC方法和热带地区垂直翻转环流分解方法均发现北半球夏季Hadley环流向极展宽程度和显著性明显减小。(5)地形对Hadley环流气候态和演变特征的影响不考虑地形会导致各个月份和半球的Hadley环流(包括Hadley环流的强度、上升支和下沉支位置以及宽度)气候态都存在误差。北半球夏季Hadley环流较弱,不考虑地形引起的误差和气候态量级相当,并且误差表现为低纬度地区的逆时针旋转环流和中纬度地区的顺时针旋转环流,因此,仅仅在北半球夏季Hadley环流中存在“小环流”结构。除此之外,三种质量流函数计算方法得到的北半球夏季Hadley环流对应的不考虑地形引起的误差也很相似,因此,三种方法得到的“小环流”结构几乎一致。不考虑地形,对Hadley环流强度的演变特征的影响较小;对6 8月份,特别是6月和7月,北半球Hadley环流下沉支位置以及上升支位置的演变特征的影响较大,而对所有月份南半球Hadley环流下沉支位置和其它月份北半球Hadley环流下沉支位置以及上升支位置的演变特征的影响较小。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P461
【部分图文】：

气候平均态,流函数,等值线,单位

23图 2.1 1979 2016 年（a）冬季 12 月、1 月、2 月（DJF）、（b）春季 3 月、4 月、5 月（MAM）、（c）夏季 6 月、7 月、8 月（JJA）、（d）秋季 9 月、10 月、11 月（SON）500 hPa 水平型环流的气候平均态；填色和等值线均为水平型环流的流函数 R ，单位：10 6s 1。

气候平均态,东岸,东亚大槽,亚洲大陆

但为850hPa水平型环流的气候平均态

环流,气候平均态,纬圈,经圈

27图 2.5 1979 2016 年 500 hPa 年平均（a）水平型环流、（b）经圈型环流、（c）纬圈型环流、（d）Rossby 波、（e）Hadley 环流、（f）Walker 环流动能的气候平均态，单位：m2s 2kg 1。

【参考文献】