Stochastic and dynamical models of sudden stratospheric warmings

平流层突然变暖的随机和动力学模型

基本信息

  • 批准号:
    1777889
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2016 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Research Area: Continuum MechanicsThe aim of the project is to investigate the fundamental fluid dynamics of sudden stratospheric warmings, by developing a range of simplified models capturing the key fluid dynamical processes involved.Sudden stratospheric warmings (SSWs) are atmospheric phenomena that typically occur every two to three years during the Northern hemisphere winter. They involve a rapid increase in polar stratospheric temperatures of 20-30K over a period of just 1-2 days. There has also been a single recorded event in the Southern hemisphere, from nearly 70 years of recorded observations, which took place in 2002. SSWs are important for climate because considered to be the main source of interannual variability in the extratropical stratosphere, and over the last two decades have been the subject of much research interest, because they have been discovered to significantly influence Northern Hemisphere surface climate.SSWs are understood to be primarily fluid dynamical phenomena. The rapid increase in polar temperatures occurs because cold polar air, which is trapped within a columnar structure known as the polar stratospheric vortex, is displaced from the pole by the action of planetary-scale waves (Rossby waves). The aim of the current project is to bring understanding from fluid dynamics, particularly concerning the propagation of Rossby waves on vortices, to bear on the problem of understanding the occurrence of SSWs. The key question we will be concerned with is how the frequency of SSWs might change in a changing climate.The project will proceed by developing a hierarchy of simplified models of SSWs, each of which captures more detail of the fluid dynamical behaviour. The simplest model considered will be that of an elliptical vortex in a random straining flow. The question of interest is how the probability that the vortex becomes elongated (`strained out') depends upon the statistics of the straining flow. The random straining flow here represents the influence of the dynamically active troposphere on the stratosphere, and its statistics will be subject to change in a changing climate. Interestingly, the same model can be used to analyse vortex lifetimes in two-dimensional turbulent flows. The next model in the hierarchy will be a dry primitive equation model on the sphere, which will be set up to capture the fundamental fluid dynamical interactions between troposphere and stratosphere in a more realistic setting. The statistics of long integrations will be analysed, to determine whether insights from the simple elliptical vortex model are useful for predicting changes in model SSW occurrence. Conclusions will be drawn from a comparison between the models and the observed behaviour, with a view to explaining (a) predicted changes in SSW frequency, and (b) variations in behaviour between different future scenarios.
研究领域:连续介质力学该项目的目的是通过开发一系列简化模型来捕获所涉及的关键流体动力学过程,以研究平流层突然变暖的基本流体动力学。平流层突然变暖(SSW)是北半球冬季通常每两到三年发生一次的大气现象。它们涉及极地平流层温度在短短 1-2 天内迅速上升 20-30K。在近 70 年的观测记录中,南半球还发生过一次记录事件,该事件发生在 2002 年。SSW 对气候很重要,因为它被认为是温带平流层年际变率的主要来源。在过去的二十年里,它一直是人们广泛研究兴趣的主题,因为它们被发现对北半球表面气候有显着影响。SSW 被认为主要是流体动力学 现象。极地温度迅速升高是因为被困在极地平流层涡旋的柱状结构中的冷极地空气在行星尺度波(罗斯比波)的作用下从极地移出。当前项目的目的是加深对流体动力学的理解,特别是对罗斯贝波在涡旋上的传播的理解,以解决理解 SSW 发生的问题。我们要关心的关键问题是,随着气候变化,SSW 的频率会如何变化。该项目将通过开发 SSW 简化模型的层次结构来进行,每个模型都捕获流体动力学行为的更多细节。最简单的模型是随机应变流中的椭圆涡旋模型。令人感兴趣的问题是涡流拉长(“应变”)的概率如何取决于应变流的统计数据。这里的随机应变流代表动态活跃的对流层对平流层的影响,其统计数据会随着气候的变化而变化。有趣的是,相同的模型可用于分析二维湍流中的涡流寿命。层次结构中的下一个模型将是球体上的干燥原始方程模型,该模型将被设置为在更现实的环境中捕获对流层和平流层之间的基本流体动力学相互作用。将分析长积分的统计数据,以确定简单椭圆涡模型的见解是否有助于预测模型 SSW 发生的变化。将从模型和观察到的行为之间的比较中得出结论,以期解释(a)SSW 频率的预测变化,以及(b)不同未来情景之间的行为变化。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Noise-induced vortex-splitting stratospheric sudden warmings
噪声引起的涡旋分裂平流层突然变暖
Control of the oscillations of the martian Northern Hemisphere polar vortex by the Hadley cell and topographic forcing
哈德来环流和地形强迫对火星北半球极涡振荡的控制
  • DOI:
    10.1016/j.icarus.2022.115019
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Mester M
  • 通讯作者:
    Mester M
Dynamical Elliptical Diagnostics of the Antarctic Polar Vortex
  • DOI:
    10.1175/jas-d-19-0232.1
  • 发表时间:
    2019-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    M. Mester;J. G. Esler
  • 通讯作者:
    M. Mester;J. G. Esler
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