20世纪60年代，Lorenz（1967）较清晰地阐述了大气能量转换的过程。如今，能量诊断被广泛用于气候诊断，以解释不同时空尺度气候系统的运动。然而，能量诊断不总是可以解释观测到的现象。以ENSO激发的太平洋-北美（PNA）型遥相关为例，正压能量转换可以解释为什么该波列在北太平洋地区的异常总是位于副热带急流出口区。按照这一观点，ENSO不同位相期间PNA遥相关位置应该被锚定，即北太平洋地区的异常都应位于副热带急流出口区附近。而这与观测到的PNA在ENSO不同位相的纬向差异相悖。上述问题表明，线性能量诊断框架或忽略了一些能量过程。

中国科学院大气物理研究所研究员黄刚团队通过考虑非线性能量过程发现，ENSO激发的PNA波列的纬向不对称和非线性动能平流过程有关，且物理本质是ENSO的纬向对称响应和纬向非对称响应的相互作用（图1、2）。ENSO除了激发纬向非对称的准定常Rossby波外，会激发一系列的纬向对称响应（即纬向上相对均匀的响应），如热带对流层温度、副热带急流的响应等。ENSO期间，通过湿对流调整对流层整层增温（降温），致使副热带急流增强（减弱），而副热带地区的这种纬向对称响应可进一步影响准定常Rossby波的位置。该影响可用非线性能量平流过程表征。厄尔尼诺和拉尼娜期间相反的纬向流响应，通过平流过程致使相反的能量平流模态（图2），这一模态使得PNA位置在纬向上发生变化。该过程可在不同复杂程度的模式试验中被复现和证实。

此外，这一纬向对称响应会使副热带地区斜压性变化，从而影响天气尺度瞬变波活动，而天气尺度活动的变化会进一步对准定常尺度波列产生反馈作用，进一步增强和维持PNA响应的纬向非对称性（图2）。

相关研究成果发表在《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金、第二次青藏高原综合科学考察研究和中国科学院青年促进会的支持。

论文链接

图1. 非线性能量平流公式，图中公式1为扰动动能倾向方程，公式2为非线性动能平流项，公式3与2类似，但纬向流为纬向平均形式。详细推导见论文附录。

图2. 非线性能量平流和天气尺度波动影响ENSO遥相关示意图。

来源： 大气物理研究所