科研进展

IJC: 全球三维位涡方程及青藏高原地区表面位涡及其收支特征

  位涡是一个综合了大气动力和热力信息的物理量,通过对其守恒性,不可渗透性和可反演性的研究和应用,一系列复杂天气气候事件背后的物理机制得以揭示。在位涡动力学以往的研究中,大气内部位涡的再分布状况及其气候效应一直是科学家关注的重点。然而,位涡的不可渗透性定理表明,尽管位涡可以沿等熵面进行再分布,但驱动全球大气运动的位涡源汇只能位于地表(图1)。青藏高原,作为世界上最为高大的高原,由于其高耸的地形与等熵面强烈地相交,使其成为驱动全球大气运动的重要地表位涡源区。然而由于低层的等熵面和等压面无法刻画地表特征(图1),因而在传统的理论框架内,对地表位涡及其收支的表征面临巨大的困难。

  最近,中国科学院大气物理研究所吴国雄院士团队从理论推导了全球三维位涡方程并给出了适用于不同坐标系下的一般形式,他们进一步分析了青藏高原地区的地表位涡及其收支的特征。研究表明,由于科氏效应,地表位涡随纬度增加。冬季地表位涡强,夏季地表位涡弱。进一步分析发现,虽然地表位涡的垂直项主导了地表位涡的分布,但再分析和模式资料均表明位涡水平项在陡峭的高原南北坡十分重要,水平项甚至可达垂直项的3倍左右(图2)。这主要是由于强烈的位温经向梯度所致。地表位涡收支分析表明,青藏高原地表位涡存在显著的日变化,该日变化主要受制于加热的日变化,这种日变化导致的位涡收支变化对于高原涡的产生,移动具有重要意义。

  “本研究的价值在于为位涡边界效应(boundary effect)的数据分析研究提供了理论基础。”论文的第一作者生宸说:“在此基础上,全球大气位涡变化的地表强迫源、赤道侧边界强迫源的分析及气候效应等后续研究工作得以开展。”

  上述研究于2021年正式发表在《International Journal of Climatology》上。论文受中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDY-SSWDQC018)和国家自然科学基金(41730963, 91637312, 91737306, 91837101)的共同资助。

图1. 等熵面示意图。红黑实线表示等熵面,断线表示对流层顶,蓝色圆圈表示地球,褐色三角表示青藏高原。底图为欧亚大陆地形图。

图2. 85°E–95°E平均的位涡水平项与垂直项之比的经向分布。(a) MERRA2再分析资料; (b) FAMIL2模式结果。

  文章链接:

  https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/joc.6629

  参考文章:

  Sheng C, Wu GX*, Tang YQ, He B*, Xie YK, Ma TT, Ma T, Li JX, Bao Q, Liu YM*. Characteristics of the potential vorticity and its budget in the surface layer over the Tibetan plateau. Int J Climatol. 2021; 41: 439–455. https://doi.org/10.1002/joc.6629 

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