乌拉尔山两类持续异常流型建立和衰退的超临界叉式分岔理论
批准号:
42105053
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李冬冬
依托单位:
学科分类:
大气动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李冬冬
中文摘要
乌拉尔山地区经常出现持续性的大气环流正异常和负异常,典型代表分别是阻塞高压和切断低压,它们往往是我国出现持续性异常天气和气候事件的重要原因之一。5-30天尺度上,正、负两类持续异常流型的建立和衰退,一直是机理研究和业务预报的难点。申请人前期研究发现,太阳常数与乌拉尔山地区正常型、正异常和负异常三类流型之间的关系,遵循超临界叉式分岔理论:(1)三类流型均具有持续性和反复再现性,可视为三种平衡态;(2)若太阳常数小于临界值1360.9Wm-2,正、负异常都是优势流型,且二者是等概率出现的;否则,正常型是唯一的优势流型。本项目拟推广超临界叉式分岔理论,研究任意一种强迫因子对乌拉尔山两类持续异常流型建立和衰退的影响遵循超临界叉式分岔理论所要满足的充分必要条件。进而通过分岔临界点,建立常见强迫因子与乌拉尔山两类持续异常流型之间的定量关系,为提高我国持续性异常天气和气候事件的预测能力提供理论依据。
英文摘要
The persistent positive and negative atmospheric circulation anomalies, typically associated with the blocking high and cut-off low, respectively, often occur over Ural Mountains. Usually, they are one of the important causes of the persistent anomalous weather and climate events occurred in China. On time scale of 5~30 days, the onset and decay of these two persistent anomalous flow patterns remain a difficult problem for the mechanism research and operational forecast. Our previous studies found that, the relationship between the total solar irradiance (TSI) and three Ural flow patterns, namely, neutral-type, positive-anomaly and negative-anomaly, follows the supercritical pitchfork bifurcation theory: (1) Three flow patterns are all persistent and recurrent, they can be regarded as three flow equilibria; (2) If TSI is below the critical value 1360.9 Wm-2, the positive and negative anomalies are preferred flow patterns and are equally likely to occur; Otherwise, the neutral-type is the only preferred flow pattern. In this project, aiming to generalize the supercritical pitchfork bifurcation theory, the sufficient and necessary conditions for the impact of an arbitrary forcing factor on the onset and decay of the two persistent anomalous Ural flow patterns, which follows the supercritical pitchfork bifurcation theory, will be investigated. Then, the quantitative relationships between common forcing factors and two persistent anomalous Ural flow patterns will be built via the critical points of bifurcation. This project could provide a theoretical basis for improving the prediction level of persistent anomalous weather and climate events in China.
乌拉尔山地区经常出现持续性的大气环流正、负异常,典型代表是阻塞高压和切断低压。本项目旨在推广超临界叉式分岔理论,找到任意一种强迫因子对乌拉尔山两类持续异常流型的影响遵循超临界叉式分岔理论所要满足的条件。研究结果表明,超临界叉式分岔理论的适用条件是:(1)中高纬有南北向地形障碍的地区,如乌拉尔山、北大西洋东部和北太平洋东部;(2)对流层低层(700hPa以下)的大气运动;(3)月平均时间尺度;(4)热力强迫因子随时间变化缓慢(如年循环的波峰和波谷附近的月份)且单向影响大气运动(如强迫因子超前于大气运动),构成“缓变外强迫”。已找到超临界叉式分岔理论的8个典型观测实例:9月和1月巴伦支-喀拉海海冰密集度、3-5月局地土壤湿度、6月局地雪水当量以及11-12月局地积雪覆盖率分别与10月和2月、6月、7月以及1月的乌拉尔山地区月平均大气环流之间的关系;冬季月份的太阳常数与乌拉尔山、北大西洋东部和北太平洋东部三个地区同期的月平均大气环流之间的关系。另外,乌拉尔山地区1月份逐日500hPa位势高度场持续正、负异常事件的发生也大致遵循超临界叉式分岔理论。所有观测实例表明:上述三个地区月平均大气运动存在3种准平衡态,即平直西风(正常型)、低压槽-气旋(负异常型)和高压脊-反气旋(正异常型);当外强迫因子超过其临界阈值时,正常型准平衡态失稳,正、负异常型准平衡态以相等概率出现。本项目的新发现有望揭示任意缓变外强迫因子影响下三大阻塞高发地区月平均大气状态逐年变化所遵循的客观规律。
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