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平流层温度变化的涡动热通量近似理论的进一步研究

平流层温度变化的涡动热通量近似理论的进一步研究

作     者:杨丰华 

作者单位:南京信息工程大学 

学位级别:硕士

导师姓名:刘仁强

授予年度:2023年

学科分类:07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题:平流层温度变化 动力加热 非绝热加热 涡动热通量 平均经圈环流 

摘      要:通常基于准地转的变换的欧拉平均框架下提出的涡动热通量近似理论计算极区平流层温度变化的动力和非绝热加热贡献,但是这可能会带来一定的误差。本文根据Liu和Fu(2019)提出的欧拉平均框架下新形式的面积加权平均的热力学能量方程,通过滑动累加得到逐月温度变化方程,再利用ERA-Interim、ERA5、MERRA-2再分析资料,计算在北半球极区低平流层100 h Pa臭氧损耗期(1981—1999年)、恢复期(2000—2018年)和全时段(1981—2018年)该方程的温度增量、动力加热、非绝热加热和对流加热项(W项)的气候平均值并进行平衡检验,分析新导出的W项的贡献及物理意义,进而讨论涡动热通量近似理论成立的最佳条件,并对该方程利用多元回归应用在北半球平流层上来定量解释温度趋势变化的原因。主要结论如下:(1)与涡动热通量近似理论相比,新形式的温度变化方程仅增加了W项,但是在不同时段北极低平流层上,新导出的W项使得极区累积的动力和非绝热加热项之和与温度增量项之间在冬春季的误差都减少了一半。(2)在北半球100 h Pa上,W项及其与温度增量的相关分布随月份和纬度变化,尤其在冬春季节对温度变化贡献明显并且相关性较强。W项是平均经圈环流垂直分量面积加权的平均,与参考纬度处的质量流函数成正比,因此W项既可以解释为净的绝热加热,也可以解释为净的垂直质量输送。由此得到涡动热通量近似理论成立的最佳参考纬度应该在W项的零等值线附近。进一步验证也表明参考纬度取在50°N时,涡动热通量近似理论与新形式温度变化方程的各作用项之和基本相等。此外,不同积分时间尺度也会对涡动热通量近似理论的准确使用产生影响,积分时间尺度越短,各作用项之和与温度增量之间的差异越小。(3)在对涡动热通量近似理论和新形式温度变化方程的推广应用中,可以利用多元线性回归将平流层温度趋势的各作用项分离,从而定量解释各作用项对平流层各月温度的贡献。当参考纬度取在60°N时,当前各月温度趋势变化可以利用动力、非绝热加热和W项进行解释,即采用新形式温度变化方程;当参考纬度取为50°N,当前各月温度趋势变化可以仅利用动力和非绝热加热项解释,即采用涡动热通量近似理论。

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