[论文解读] Evidence against a general positive eddy feedback in atmospheric blocking

Lei Wang, Zhiming Kuang|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2019

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 5

一句话总结

本研究通过使用两层准地转模型开展机制否定实验，挑战了长期以来认为涡旋拉伸普遍通过维持大气阻塞的假设。研究发现，一般性瞬变涡旋并不会通过拉伸维持阻塞，表明维持阻塞需要特定的涡旋配置，而非普遍存在的正反馈机制。

ABSTRACT

The eddy straining mechanism of Shutts (1983; S83) has long been considered a main process for explaining the maintenance of atmospheric blocking. As hypothesized in S83, incoming synoptic eddies experience a meridional straining effect when approaching a split jetstream, and as a result, enhanced PV fluxes reinforce the block. A two-layer QG model is adopted here as a minimal model to conduct mechanism-denial experiments. While transient eddies' forcing is clearly critical to the formation and maintenance of a block, using a large ensemble, the authors demonstrate that the straining of generic eddies does not maintain blocks, thus challenge the idea of eddy straining serving as a positive feedback for the blocks. These results indicate that specific configurations of the eddy field are required for the maintenance stage. The authors also remark on the main supporting evidence in S83: the second-order induced flow is sensitive to the location of the wavemaker.

研究动机与目标

• 检验Shutts（1983）提出的涡旋拉伸是否作为维持大气阻塞的一般正反馈机制。
• 探究瞬变涡旋强迫是否在独立于拉伸效应的情况下对阻塞形成与持续至关重要。
• 评估拉伸机制是否在不同涡旋配置下普遍适用，或仅在特定条件下有效。
• 通过受控模型实验重新评估拉伸反馈的经验基础。
• 阐明涡旋场结构在维持阻塞高压中的作用，特别是诱导气流对扰动源位置的敏感性。

提出的方法

• 采用两层准地转（QG）模型作为最小动力学框架，以隔离涡旋拉伸机制。
• 通过抑制瞬变涡旋的拉伸效应但保留其强迫，开展机制否定实验。
• 运行大规模模拟集合，以评估统计稳健性，并识别在无拉伸条件下阻塞仍能持续的条件。
• 模型中引入扰动源以生成天气尺度涡旋，并通过改变其位置进行敏感性测试，以评估诱导气流响应。
• 分析位涡（PV）通量，量化涡旋反馈并评估对阻塞的强化作用。
• 通过对比有无涡旋拉伸情况下的阻塞持续时间与结构，隔离拉伸机制的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 一般性瞬变涡旋的拉伸是否提供一种普遍的正反馈，从而维持大气阻塞？
• RQ2 当存在其他涡旋强迫时，涡旋拉伸机制是否足以维持阻塞？
• RQ3 诱导气流对模型中扰动源位置的敏感性如何，作为对S83核心论点的检验？
• RQ4 在何种特定涡旋场配置下，拉伸有助于阻塞维持？
• RQ5 是否可以在无涡旋拉伸的情况下维持阻塞，表明存在其他反馈机制？

主要发现

• 一般性瞬变涡旋的拉伸无法维持大气阻塞，与普遍正反馈假设相矛盾。
• 即使存在持续的涡旋强迫，当抑制涡旋拉伸时，阻塞持续性亦无法维持，表明拉伸并非普遍的维持机制。
• 模型中的二级诱导气流对扰动源位置高度敏感，支持S83的论点，但其普适性存疑。
• 有效反馈在维持阶段需要特定的涡旋场配置——尤其是涡旋的空间结构与相位。
• 结果表明，阻塞中的涡旋反馈具有条件性和配置依赖性，而非普遍过程。
• 本研究结论认为，尽管拉伸机制在特定情况下可能具有重要意义，但不能被视为大气阻塞的一般维持机制。