非线性水汽—对流和海洋反馈在MJO事件形成中的作用

论文摘要

热带大气季节内振荡（MJO）作为热带大气最强的季节内变率（ISV）模态,对全球的天气和气候都产生了重要的调制作用。开展与MJO相关的机理和可预报性研究可为实现无缝隙天气气候预测提供可能。本文首次从非线性水汽-对流和海洋反馈的角度系统地研究了MJO事件的形成过程。研究结果主要揭示了以下具有重要科学意义和潜在应用价值的结论:非线性对流加热和海-气热力学相互作用在MJO如何由小尺度扰动发展为行星尺度的、缓慢东传的、环流-对流耦合的系统中扮演重要角色;非线性水汽-对流和海洋反馈对于原发型MJO事件的爆发起到了关键作用。本文首次将条件非线性最优扰动（CNOP）方法应用于原发型MJO事件的可预报性研究中,其结果不仅揭示了同化水汽场对预报原发型MJO事件的重要性,还强调了在次季节尺度（2周1个月）的预报中考察非线性过程的作用是有必要的。本文构建了适用于研究MJO行星尺度选择这一基本科学问题的海-气耦合动力水汽（ASDM）模型框架。非线性ASDM模型无论在纬向均匀还是类暖池的背景态下,都能较好地模拟观测中MJO的若干基本特征,包括:1)纬向行星尺度、赤道捕获、环流-对流耦合、混合Rossby-Kelvin波水平结构;2)暖池区的不稳定缓慢东传(4.2 m s-1)以及冷舌区的衰减和东传速度的增大(9.2 m s-1);3)东风以及正的海表温度（SST）异常超前MJO对流活动中心;4)环流-降水的纬向不对称性。MJO特有的行星尺度选择性只在采用了非线性对流降水参数化的ASDM模式中再现,而线性以及非耦合模式则不能模拟出该现象。这表明MJO行星尺度选择本质上是由非线性加热决定;海-气相互作用,特别是风-蒸发-夹卷反馈则会额外提供不稳定能源来支撑MJO行星尺度选择。另外,采用暖池背景态会加速MJO的行星尺度选择过程。MJO行星尺度选择的过程为:从初始小扰动开始,某个对流分支会随机地剧烈增长并领先其它对流分支。暖池背景态会加快这种随机选择过程。较强的对流分支激发出的干Kelvin波（东风异常）在5天之后会赶上其它缓慢东传的湿对流分支系统并部分抵消其西风异常。SST梯度和水汽辐合的减小会进一步减弱对流降水。最后,行星纬向一波的MJO结构被筛选出来。本文选用对印-太暖池区气候变率,特别是ISV/MJO具有较好模拟能力的夏威夷大学耦合总环流模式并结合CNOP方法发展了一套适用于原发型MJO事件可预报性研究的非线性新方法框架。该方法框架从非MJO参考态入手旨在求解相应的非线性最优化问题来探究到底何种初始水汽扰动能够导致一次最强原发型MJO事件的爆发。研究表明,相比于随机扰动,具有特定空间结构的水汽CNOPs可以作为原发型MJO事件爆发的一种最优前期征兆,并且表现为沿赤道印度洋一致加湿模态,而在远离赤道方向上则表现为干异常。水汽CNOPs的真实性通过观测资料和长期模拟数据得以证实。通过水汽收支诊断揭示出水平水汽平流,特别是与高频经向风相关的非线性水汽平流是支配原发型MJO事件爆发的关键非线性物理过程。小波分析进一步表明与准3–4和准6–8天扰动相关联的高频赤道波动在调节非线性水汽平流中的重要性。而垂直柱过程,包括次网格尺度蒸发和夹卷等,对于大气边界层的增湿也起到了一定的作用。这些研究结果的价值体现在:它强调了同化水汽场以及低层对流层的非线性水汽-对流反馈在原发型MJO事件爆发中的重要性。海洋反馈对原发型MJO事件爆发的重要作用主要体现在两个方面:触发深对流云并维持其缓慢不稳定东传。海洋混合层热量收支诊断表明决定原发型MJO事件爆发前期SST增暖的主要因素包括:混合层底部夹卷效应以及海表热通量反馈。海-气相互作用在解释MJO正负位相振幅不对称性以及北半球冬季MJO在海洋性大陆南侧“绕流”现象方面具有重要作用。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 符号说明
• 第一篇 热带大气季节内振荡理论模型研究
•   第1章 绪论
•     1.1 什么是热带大气季节内振荡？
•       1.1.1 宽频性
•       1.1.2 行星尺度
•       1.1.3 缓慢东传
•       1.1.4 频散特征
•       1.1.5 对流-环流耦合
•       1.1.6 西倾垂直结构
•       1.1.7 多尺度结构
•       1.1.8 区域选择性
•       1.1.9 季节变化
•       1.1.10 年际变率
•     1.2 热带大气季节内振荡的研究意义
•     1.3 热带大气季节内振荡的理论研究回顾
•       1.3.1 Kelvin波动-CISK机制
•       1.3.2 蒸发-风反馈机制
•       1.3.3 边界层摩擦辐合机制
•       1.3.4 多尺度相互作用机理
•       1.3.5 “水汽模”理论
•       1.3.6 海洋-大气相互作用机制
•       1.3.7 BSISO相关理论研究
•     1.4 拟解决的科学问题
•     1.5 研究工具、方法、基本思路以及章节安排
•       1.5.1 MJO行星尺度选择
•       1.5.2 章节安排
•   第2章 海洋-大气耦合模式框架介绍
•     2.1 线性模式框架推导
•       2.1.1 两层半大气模式
•       2.1.2 两层半海洋模式
•   第3章 热带大气季节内振荡的行星尺度选择
•     3.1 海气耦合动力水汽模型
•       3.1.1 ASDM模式物理
•       3.1.2 基本态设置
•       3.1.3 对流降水参数化
•       3.1.4 数值离散和试验策略
•     3.2 纬向均匀背景态
•       3.2.1 MJO模拟
•       3.2.2 MJO行星尺度选择
•       3.2.3 敏感性试验
•     3.3 暖池背景态
•       3.3.1 MJO模拟
•       3.3.2 MJO行星尺度选择
•       3.3.3 敏感性试验
•     3.4 本章小结与讨论
•   第4章 第一篇工作总结
•     4.1 工作总结与讨论
•     4.2 工作创新性
•     4.3 工作展望
• 第二篇 原发性MJO事件爆发的最优前期征兆
•   第1章 绪论
•     1.1 什么是原发型MJO事件？
•     1.2 研究MJO触发的科学意义与价值
•     1.3 MJO可预报性研究回顾
•       1.3.1 基于统计方法的MJO预报回顾
•       1.3.2 基于数值模式方法的MJO预报回顾
•       1.3.3 国内MJO预报进展回顾
•     1.4 MJO事件触发机理的研究回顾
•       1.4.1 上游环航Kelvin波模态
•       1.4.2 下游干Rossby理论
•       1.4.3 局地的“Recharge-Discharge”机制
•       1.4.4 热带高频天气尺度反馈作用
•       1.4.5 海-气相互作用理论
•       1.4.6 热带-热带外相互作用机制
•       1.4.7 随机强迫理论
•     1.5 拟解决的科学问题
•     1.6 研究工具,方法思路和章节安排
•   第2章 UH CGCM与观测和再分析资料
•     2.1 引言
•     2.2 UH CGCM介绍
•       2.2.1 ECHAM-4 大气总环流模式
•       2.2.2 中等复杂程度上层海洋模式
•       2.2.3 耦合方案
•     2.3 观测和再分析资料介绍
•   第3章 UH CGCM中 MJO模拟能力的诊断
•     3.1 诊断策略
•     3.2 基于CLIVAR MJOWG的 MJO统计学诊断
•       3.2.1 平均态的模拟
•       3.2.2 一级MJO模拟诊断
•       3.2.3 二级MJO模拟诊断
•     3.3 基于动力学的诊断
•       3.3.1 边界层水汽辐合水平结构和东传
•       3.3.2 低层环流的纬向不对称
•   第4章 原发型与继发型MJO事件
•     4.1 引言
•     4.2 数据和方法
•       4.2.1 数据和数据处理
•       4.2.2 MJO事件挑选原则
•       4.2.3 原发型与继发型MJO事件挑选原则
•       4.2.4 合成分析与显著性检验
•     4.3 原发型与继发型MJO事件的模拟
•     4.4 原发型MJO事件触发的季节变化
•     4.5 本章小结与讨论
•   第5章 基于CNOP的非线性方法框架
•     5.1 引言
•     5.2 条件非线性最优扰动（CNOP）方法介绍
•       5.2.1 非线性方法的必要性
•       5.2.2 条件非线性最优扰动（CNOP）
•       5.2.3 CNOP的求解方法
•       5.2.4 CNOP与线性最优扰动的区别
•     5.3 基于CNOP的非线性方法框架
•       5.3.1 Non-MJO参考态的选取
•       5.3.2 MJO事件触发的定义
•       5.3.3 目标函数的定义
•       5.3.4 非线性优化问题的构建
•       5.3.5 基于经验正交函数（EOF）分解的空间降维
•       5.3.6 基于差分进化（DE）算法的CNOP求解技术
•     5.4 全局最优的检验和数值实验方案
•     5.5 本章小结与讨论
•   第6章 原发型MJO事件爆发的最优前期征兆
•     6.1 引言
•     6.2 原发型MJO事件触发的最优前期征兆
•       6.2.1 原发型MJO事件触发和传播的模拟
•       6.2.2 最优前期征兆的三维结构
•       6.2.3 水汽CNOP验证：模式数据和观测资料分析
•     6.3 水汽CNOP导致原发型MJO事件的触发
•       6.3.1 纬向波数-频率方差谱分析
•       6.3.2 OMI与 RMM指数演变
•       6.3.3 对流与环流的时空演变
•     6.4 原发型MJO事件触发的机制分析
•       6.4.1 水汽收支诊断方程
•       6.4.2 水汽收支诊断分析
•     6.5 本章小结与讨论
•   第7章 海-气相互作用对原发型MJO事件触发的重要性
•     7.1 引言
•       7.1.1 MJO强迫
•       7.1.2 海洋响应
•       7.1.3 海洋反馈
•     7.2 数据和方法
•     7.3 海-气相互作用对原发型MJO事件触发的重要性
•     7.4 海洋混合层热收支诊断分析
•     7.5 本章小结与讨论
•   第8章 第二篇工作总结
•     8.1 工作总结与讨论
•     8.2 工作创新性
•     8.3 工作展望
• 参考文献
• 附录1 英文缩写一览表
• 致谢
• 作者简介及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 魏云涛

导师: 穆穆,任宏利

关键词: 热带大气季节内振荡,条件非线性最优扰动,非线性水汽对流反馈,海气相互作用,行星尺度选择,原发型事件

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,海洋学

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

基金: 东亚季风气候年际预测理论与方法研究,国家重点研发计划项目(2018YFC1506000),2018.12 至今,多模式集合气候预测方法和应用研究,国家重点研发计划项目(2017YFC1502302),2017.01至今,季节内振荡对我国重大气象灾害的影响机理及延伸期预报方法研究,973项目之课题(2015CB453203),2016.05 至今,热带外大气季节内振荡与天气涡旋的双向反馈机制研究,国家自然科学基金项目(41775066),2018.01

分类号: P732.6

总页数: 316

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