基于多尺度子空间交互作用理论的北太平洋风暴轴深冬抑制的机理研究

The North Pacific storm track is an important component of the atmospheric general circulation. It is closely related to mid-latitude weather and climate. Its suppression during midwinter challenges the classical baroclinic-instability theory, which predicts stronger storm activity when baroclinicity is highest. Many efforts have been made to understand this counterintuitive phenomenon, but is yet to succeed due to the high nonlinearity and localness in space and time. Using recently developed techniques, namely, the canonical transfer, and the localized multiscale energetics analysis, this project aims to explore how the midwinter suppression is generated through the interaction between slow manifold of the climate variabilities and synoptic eddies. We specifically propose to unravel the dynamics link between the seasonal transition of the jet regime and the life cycle of midwinter suppression, and explore the complex spatial-temporal structure of the eddy-background flow interaction in different jet regimes. Through these efforts, we expect not only to better understand the mechanism of the North Pacific storm-track midwinter suppression, but also to improve the weather and climate forecasts in East Asia.

北太平洋风暴轴是北半球大气环流的重要组成部分，同中纬度天气和气候紧密相关，其在深冬时期受到抑制的现象（即在大气斜压性最强的深冬反而比秋末春初弱）因和经典斜压不稳定理论相左而受到广泛关注，但由于该现象具有高度非线性和时空间隙性等特点而一直没有被认识清楚。本项目拟使用一套新发展的正则传输理论和局地多尺度能量分析方法从气候慢流型和天气尺度涡旋交互作用角度来探讨深冬抑制现象的成因，重点讨论（1）深冬抑制生命史同急流类型季节转变之间的动力学关系和（2）不同急流类型下涡流相互作用的三维空间结构和时间演变，以期更深入地理解北太平洋风暴轴深冬抑制产生的机理，为东亚的天气和气候预测提供理论支持。

基于ECMWF再分析数据，本项目使用一套多尺度动力学分析工具研究了北太平洋急流空间结构和季节转变及其同深冬抑制之间的关系，发现北太平洋地区存在副热带急流和温带急流，前者冬季最强，后者春秋季强，冬季弱。受两种急流控制，风暴活动在副热带地区和中高纬度地区具有不同的季节变化。在副热带地区，风暴活动和副热带急流同位相变化，在冬季最强。在中高纬度地区，风暴活动受温带急流控制，呈现深冬抑制特征。副热带地区风暴活动的能量主要来自斜压不稳定和正压不稳定，而中高纬度地区的风暴能量则主要来自斜压不稳定。进一步从涡旋跟随视角研究了不同急流类型下风暴的时空结构及其与背景流的相互作用，发现东、西太平洋地区存在差异。西太平洋地区的风暴具有线性理论所预测的结构，底层强化，并且斜压过程占主导作用。东太平洋地区的风暴具有类似Type-B型气旋特征，高层强，且以正压过程为主。平均而言，两个地区的风暴在春秋季均比冬季强。最后，借助PLSIM模式的敏感性试验研究了海表温度异常对冬季风暴轴的影响，发现西太平洋暖池区的正海表温度异常减弱冬季太平洋风暴轴，而其他地区的则增强冬季太平洋风暴轴。

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