青藏高原是世界第三极，作为北半球最强的行星波强迫源，其存在对东亚大槽的形成和维持以及高空西风急流的加强、向极的动量和热量通量辐合等有着重要影响。在大洋彼岸还存在北美大地形——落基山。大地形不同的地理位置和地形地貌，使其对行星波及大气环流均有着独特的强迫作用，且多个大地形的同时存在还可引发协同或抵消的非线性影响。
虞越越教师团队聚焦可以定量表征冷暖空气质量与能量输送、有机连接平流层与对流层、热带与极地的等熵大气经向质量环流，通过WACCM4模式数值模拟试验（图1）揭示了欧亚大地形、北美大地形对等熵大气经向质量环流的单独作用、协同作用和非线性相互作用，并且通过对定常与瞬变、纬向平均流与波动部分的分解，明晰了地形影响环流的主要物理机制（图2）。该研究成果有助于深入认识大地形气候效应的重要性和复杂性。
研究表明，欧亚和北美大地形的单独作用都是加强中高纬度地区等熵大气经向质量环流的向极地暖支和低层向赤道冷支，但欧亚地形的作用要显著得多。在不同纬度带内，地形单独作用影响等熵大气经向质量环流的主要途径存在差异：
（1）在50°N以南的中低纬地区，地形强迫的定常纬向平均流起主要贡献。地形强迫的低层空气质量再分配，改变低层经向气压梯度，从而迫使在地形的南（北）部出现一个逆（顺）时针经向环流圈，进而削弱（加强）了从对流层到平流层下部30°N以南（以北）的等熵大气经向质量环流。
（2）在50°N以北，地形强迫的准静止波动起主导作用。欧亚（北美）地形强迫的准静止波与海陆热力差异协同作用，对质量环流对流层部分的增强作主要（次要）贡献；加强的准静止波上传，同时加强了质量环流向极暖支的平流层部分。然而，欧亚（北美）大地形又通过减弱西风抑制了瞬变波的发展，从而部分抵消（超过）了中高纬度准静止波与流的贡献。
其他地形的共存会产生非线性的破坏性干扰。这种干扰主要是通过改变纬向平均流以及低层空气质量和经向风在地形下游的波型来削弱或抵消大地形的单独作用。非线性干扰作用弱于欧亚大地形的单独作用，但强于北美大地形单独作用，使得当北美地形共存时，欧亚地形的作用被削弱，而当欧亚地形共存时，北美地形作用被抵消甚至反号。
本文关于大地形对等熵大气经向环流的作用及其关键机理的研究结果，也进一步揭示了大地形的存在对冬季天气气候的重要影响。等熵大气经向环流的低层向赤道冷支的加强往往与大范围寒潮低温事件紧密联系；其平流层向极暖支的加强又往往与平流层弱极涡事件的频发有关；冷支与暖支的同时加强又反映了平流层-对流层耦合程度的增加。因此，大地形的单独作用有利于寒潮低温的发生和平流层极涡的减弱，而另一个大地形共存带来的非线性相互作用会削弱这种影响。
文章信息：
YY Yu, RC Ren, X Xia, J Rao, 2022: A dissection of the topographic effects from Eurasia and North America on the isentropic meridional mass circulation in Northern Winter. Climate Dynamics, https://doi.org/10.1007/s00382-021-06055-6.
图1. 数值试验地形设置
图2. 机制示意框图