The Potential Vorticity Staircase: Formation and Maintenance of Zonal Jets

势涡阶梯:纬向急流的形成和维持

基本信息

  • 批准号:
    0827210
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 51.96万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2008-09-01 至 2012-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project seeks to improve our understanding of dynamical mechanisms responsible for the formation and maintenance of zonal jets and their implications for atmospheric mixing and transport. The approach is underpinned by the observation that potential vorticity (PV) is a fundamental dynamical quantity that can unify questions of small-scale eddy mixing, wave propagation on jets, and mixing due to wave breaking in their vicinity. In particular, the project will address: (i) fundamental constraints on zonal jets arising from angular momentum conservation (natural, since zonal mean structures such as zonal jets contain most of the atmosphere's angular momentum) and flow stability; (ii) wave dynamics (and associated eddy momentum fluxes) and the role of critical levels; the role also of edge waves propagating on a PV jump in contrast to waves propagating on a smooth background PV gradient; (iii) PV mixing as a route to zonal jet formation, independently of the direction of energy cascade; (iv) tracer mixing and transport and the role of jets as transport barriers; (v) jet evolution and mechanisms of jet merger; (vi) secondary circulations and the development of steep tracer gradients through vertical motions; alignment of tracer and PV gradients. The dynamical processes involved govern zonal structures observed in the terrestrial atmosphere and oceans as well as in the atmospheres of the gas giants. The work will impinge on several areas of climate science, including variability of the mid-latitude storm tracks, subtropical jet, and Arctic oscillation, the hydrological cycle, stratospheric ozone recovery, the dynamical coupling of the stratosphere and troposphere, and transport and mixing across the extratropical tropopause.
该项目旨在提高我们对纬向急流形成和维持的动力学机制及其对大气混合和传输的影响的理解。该方法的基础是观察到势涡(PV)是一个基本的动力学量,它可以统一小尺度涡流混合、射流上的波传播以及由于其附近的波破碎而引起的混合问题。特别是,该项目将解决:(i)角动量守恒(自然,因为诸如纬向急流等纬向平均结构包含大部分大气角动量)和流动稳定性对纬向急流产生的基本限制; (ii) 波浪动力学(以及相关的涡动量通量)和临界水平的作用;与在平滑背景 PV 梯度上传播的波相比,在 PV 跳跃上传播的边缘波的作用; (iii) 光伏混合作为区域射流形成的途径,与能量级联的方向无关; (iv) 示踪剂混合和运输以及射流作为运输障碍的作用; (v) 射流演化和射流合并机制; (vi) 二次环流和通过垂直运动形成陡峭的示踪剂梯度;示踪剂和 PV 梯度的对齐。所涉及的动力学过程控制着在陆地大气和海洋以及气态巨行星的大气中观察到的纬带结构。这项工作将影响气候科学的几个领域,包括中纬度风暴路径的变化、副热带急流和北极涛动、水文循环、平流层臭氧恢复、平流层和对流层的动态耦合以及跨大气层的传输和混合。温带对流层顶。

项目成果

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