乌拉尔阻塞高压的维持发展及其与2020/2021年冬季强寒潮活动的关系

2020年岁末至2021年初前后两次强寒潮侵入我国,引起大范围的强烈而持续的降温。本文对于其相应的环流特点及成因进行了分析研究,主要结论是:(1)从环流形势看,两次寒潮的发展过程,都是属于“横槽转竖”的类型。但是,自2020年的12月中旬至第二次寒潮结束,乌拉尔地区始终维持着宽广的高压脊(阻高),并未出现阻塞崩溃或不连续后退的现象。这与多数东亚地区寒潮爆发时的环流特点有差别。(2)乌拉尔阻塞高压及其脊前北风的加强和维持,使其前侧的斜压性大大加强。下游槽底的等高线日益密集,冷平流也不断发展,增强和向南推进。这些都推动了西伯利亚高压的加强和南扩。(3)在两次寒潮过程发生之前,源自0°E附近的低频静止波能量向东传播,有利于乌拉尔高压脊的维持、加强以及其下游低槽发展,为冷空气的向南爆发提供有利条件。

2008年1月乌拉尔阻塞高压异常活动的分析研究

不少研究已经表明,乌拉尔阻塞高压的持续活动对2008年1月中国南方雨雪冰冻灾害的发生有重要作用。本文针对2008年1月乌拉尔阻塞高压的异常,利用NCEP再分析逐日环流资料、哈德莱中心的海温资料等,从对流层北极涛动(AO)、平流层极涡(PV)以及海温异常等几方面,对2008年1月乌拉尔阻塞高压异常产生的原因进行了分析研究。结果显示,虽然从以往多年情况来看,前期AO及平流层极涡的异常很可能会导致其后乌拉尔阻塞高压发生异常,然而就2008年1月的情况而言,2007～2008年冬季对流层AO和平流层极涡的异常都不能成为异常乌拉尔阻塞高压产生和偏强的原因,因为它们的关系与多年存在的长期关系相反。进一步的分析研究则显示,2007年12月和2008年1月赤道太平洋的LaNin～a事件也对乌拉尔阻塞高压的活动没有明显影响;而北大西洋海温正异常,尤其是北大西洋副热带海温正异常的存在,是2008年1月乌拉尔阻塞高压持续的重要外强迫因素。

正、斜压涡度拟能相互作用对乌拉尔阻塞过程的影响

研究表明, 正压涡度拟能的增强和减弱是乌拉尔山上空阻塞过程的重要特征, 正压涡度拟能增强的主要机制是斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换, 而斜压涡度拟能的来源则是阻塞区外斜压涡度拟能向阻塞区的净输送和阻塞区内斜压涡度拟能的净生成。正压涡度拟能减弱的主要机制是耗散机制和β效应。因此, 阻塞过程是正、斜压涡度拟能相互作用的结果。纬向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞的维持和崩溃中具有重要的作用, 经向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞环流的建立中具有重要的作用, 经向正压风对正压涡度拟能的净输送和斜压风对涡度拟能的净输送也具有重要贡献。

乌拉尔阻塞高压影响亚洲夏季风环流和我国东部旱涝的数值试验

使用郭晓岚。钱永甫ｐ－σ坐标系５层原始方程球带（３０°Ｓ～７０°Ｎ）模式，将乌拉尔阻塞高压的作用作为初、边条件引进模式，通过实例对比和控制对比试验研究了乌拉尔阻高对亚洲季风环流和我国东部旱涝的影响。发现乌拉尔阻高作为一个激发源能激发出一支东南一西北向的定常波列，其高空反气旋辐散环流（低空为槽区）恰好位于长江中下游地区，同时它增强东亚西风急流，有利于扰动的发展，且在急流入口区诱导出附加的次生环流，增强东亚季风上升气流。因此乌拉尔阻高的存在及其激发的定常波列是导致江淮洪涝的大尺度关键因子和影响机制。

乌拉尔阻塞与巴伦支-喀拉海海冰的季节特征及其相关关系

本文采用经验正交函数分析、线性回归、相关性分析等方法对1982—2017年乌拉尔阻塞(UB)与巴伦支-喀拉海(BKS)海冰季节特征及其相关关系进行分析发现,UB活动频率与BKS海冰密集度均有较强的季节性周期变化,且不同季节BKS海冰与UB相关性不同。进一步对秋季UB与冬季BKS海冰的相关关系分析发现:秋季UB频率在BKS及其周边区域增多的年份里,秋季到冬季结冰期内,局地BKS海域500hPa位势高度持续增加、低层大气温度持续升高;同时,秋季BKS海域海表面温度异常增暖持续至冬季。上述海洋、大气条件不利于结冰期BKS海冰的冻结,因此这些年份里冬季BKS海冰密集度减少。此外,秋季BKS海冰减少也伴随着冬季UB高纬度频率增加。

冬季北大西洋涛动和乌拉尔山阻塞环流对欧亚大陆变冷的协同影响

虽然全球平均表面气温不断升高,但在冬季欧亚大陆经常出现年际-年代际尺度上的变冷趋势。利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料,指出冬季影响欧亚大陆变冷的大气环流主要是北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)和乌拉尔山阻塞(Ural blocking,UB)的环流组合。其中,NAO环流可以在年际尺度上作为背景环流影响UB过程对欧亚低温天气的作用。统计分析发现,在NAO正(负)位相(NAO+/NAO-)环流背景下UB的发生频率可以解释冬季平均UB发生频率的52%(13%),表明NAO+环流有利于下游阻塞形势出现。尽管如此,研究发现在NAO-环流背景下的UB事件平均给欧亚地区带来的降温幅度更强,约是NAO+环流背景下的2倍,而且亚洲降温区的位置偏北约5°、偏东约13.5°。中等强度的NAO+环流背景下UB事件对欧亚降温的贡献更显著,强的NAO+环流背景下,UB过程在欧亚大陆中纬度地区产生的冷异常较弱,这与NAO+环流在欧亚大陆北部产生的明显增温有关。而在NAO-环流背景下,欧亚大陆北部有明显的降温,UB环流的出现会进一步将冷空气向南输送影响我国,这种情况主要反映的是NAO-环流异常对欧亚地区降温的作用,因此NAO-环流越强降温越强烈。

1998年夏第二阶段梅雨期乌拉尔山阻塞形势的维持(英文)

１９９８年夏季长江流域发生了近５０年来最严重的洪水。洪水形成最直接、最主要的原因是梅雨异常。异常梅雨的形成与东亚夏季风偏弱及热带外环流持续异常有关，其中一个明显特征是乌拉尔山地区长时间维持阻塞形势。本文结合诊断分析和数值试验，从瞬变对基本流的强迫（大气内部强迫）及热带热源强迫（外源强迫）两方面，分析了与第二段梅雨相对应的乌拉尔长时间阻塞的维持机制。利用共轭敏感性分析方法，计算了最有利于乌拉尔阻塞发展和维持的敏感扰动，发现扰动的分布位置，刚好与观测到的，从东大西洋到欧洲区域的异常增强的瞬变活动区相重叠。Ｅ矢量及斜压线性静止波模式的诊断进一步表明，异常期间的增强瞬变活动有利于乌拉尔出现正高度异常。计算了持续异常期间的高空急流及大气加热场，发现北美到大西洋的高空急流及热带加热都出现明显异常。中期天气预报模式 ＩＡＰ Ｔ４２Ｌ９的集合预报试验表明，热带地区的加热异常，尤其是热带中西太平洋和大西洋的加热异常，有利于乌拉尔正高度异常的形成。最后，提出了一种热带异常热源驱动下，瞬变波与定常波双向相互作用的阻塞形成与自维持的可能机制。

冬季乌拉尔山阻塞与东亚冬季风的联系分析

利用美国国家环境预报中心和美国大气科学研究中心（NCEP/NCAR）1948/1949-2012/2013年的逐日再分析资料,从年际变化和季节内演变两种时间尺度分析了冬季乌拉尔山阻塞与东亚冬季风的联系。结果表明,从年际变化角度,东亚冬季风综合指数（EAWMII）与冬季乌拉尔山阻塞频数显著相关,且两者的线性趋势与周期一致。当乌拉尔山阻塞频繁发生时,对流层中层西伯利亚反气旋异常,东亚大槽加深;对流层低层表现为贝加尔湖及东亚沿岸北风显著加强,中亚和东亚大部分地区地表温度降低,东亚冬季风较常年加强。乌拉尔山阻塞的由强盛到崩溃的过程对应着西伯利亚高压由加强到减弱东移的季节内演变,850 h Pa风场对应为异常北风由贝加尔湖以北逐渐影响至低纬度菲律宾以东的演变特征。

平流层NAM异常对乌拉尔山阻塞高压的影响

使用NCEP/NCAR再分析资料,对53年(1958—2010年)冬季的平流层北半球环状模(NAM)正、负异常下传期间乌拉尔山阻塞高压的活动特征分别进行合成分析。结果表明,在平流层NAM负异常下传期间,阻塞高压事件的发生频次更高,生命期更长,并且在空间上发展得更加深厚。阻塞高压崩溃之后,冷空气主体偏北,所造成的我国北方地区降温也更强。通过对E-P通量分析发现,在NAM负异常下传期间,乌拉尔山区域的波动更容易向上传播,更有助于对流层乌拉尔山阻塞高压的维持和发展。这些结果对利用平流层环流异常信号预测我国北方冬季短期气候变率,尤其是寒潮天气有重要意义。

乌拉尔山阻塞高压和西伯利亚高压协同作用与东亚冬季风之间的联系

利用1948-2016年美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)逐日再分析资料,选取乌拉尔山阻塞高压二维指数(UBI)、西伯利亚高压指数(SHI)和东亚冬季风综合指数(EAWMII),定量化的验证了乌拉尔山阻塞高压(UB)和西伯利亚高压(SH)发生的年代际变化特征,分析了该变化对东亚冬季风(EAWM)产生的影响.结果表明,冬季UBI、SHI和EAWMII两两之间呈显著相关.其中UBI与SHI之间30 a滑动相关除1988年以后UB和SH两者联系增强外,UBI、SHI和EAWMII的Mann-Kendall突变检验也表明,3者均出现了两次气候突变,第1次突变分别发生在1950-1960年、1960-1970年、1970-1980年;第2次突变发生在2000-2010年,但第2次突变可能不真.采用回归分析方法,研究了UB与EAWM年代际变化的影响,发现在UBI强的年份各要素场距平值对UBI的回归比UBI弱的年份更加明显;在UBI强的两个时段(1948-1985年,2001-2016年)各要素场距平回归值有所差异,后者呈现更加显著的变化,说明2000年以后UBI和EAWMII的相关性增加导致UB对EAWM的影响程度逐渐增强.利用合成分析验证了UB和SH协同作用与EAWM之间的联系.UBI高与SH强的年份,当东亚冬季表面温度呈现负异常时,在位势高度降低的同时,东亚大槽加深增强,中纬度300 hPa高空西风急流增强,有利于形成寒潮天气.在UBI低与SH弱的年份,各要素异常分布情况与上述基本相反.单一的UB和SH变化对东亚冬季各要素场虽然都有一定影响,两者的共同作用对东亚冬季表面温度、500 hP位势高度和300 hPa高空风场的影响更为显著.

乌拉尔山阻塞与北大西洋涛动的关系及其对中国冬季天气的影响

通过对2008年1-2月中国南方一次严重低温雨雪冰冻天气的分析,发现期间的两次乌拉尔山阻塞过程都对其有重要影响,且均伴随着北大西洋涛动正位相事件(North Atlantic Oscillation^+,NAO^+),但由于其发展演变位置的不同对中国的温度和降水造成了截然不同的影响。因此利用ERA-Interim再分析资料计算了1979-2014年冬季乌拉尔山阻塞的平均活动中心,将NAO^+相关乌拉尔山阻塞根据位置变化分为偏北型、偏南型、偏东型和偏西型四类阻塞,研究其对中国冬季天气的影响。结果表明,偏南型和偏东型的乌拉尔山阻塞更容易引起中国冬季的异常降温;研究还发现与NAO^+相关的乌拉尔山阻塞的发展演变总是滞后NAO^+事件3~6天,其位置的变化主要受前期NAO^+期间的纬向风异常分布及急流位置和强度的影响;另外,对1979-2014年冬季乌拉尔山阻塞和NAO的统计结果显示,绝大部分的乌拉尔山阻塞发生时伴随了NAO事件,NAO^+期间比NAO负位相(North Atlantic Oscillation-,NAO-)期间更容易产生乌拉尔山阻塞,但伴随NAO-事件的阻塞强度更大,引起中国冬季的降温也更明显;进一步研究表明,单一的NAO事件期间引起中国冬季温度的变化非常微弱,因此,乌拉尔山阻塞可以作为NAO事件影响中国寒冷天气的媒介。

近40年中国冬季寒潮的气候特征及大气环流异常

利用1980—2023年高分辨率中国气象站观测数据,根据寒潮标准及强度指数,对中国寒潮事件的强度及影响区域进行客观分类,探讨全国性、区域性寒潮事件的时空变化特征和环流演变。结果表明:近40年我国冬季寒潮频次呈显著减少趋势,其影响范围扩大,而强寒潮的强度呈显著增加趋势,且年际变化幅度明显增大。中国寒潮冷空气主要来源于新地岛东南地区,路径因寒潮类型而异。分析全国型、东北华北型和西北华北型寒潮前期和同期大气环流异常特征发现:格陵兰岛的异常深厚暖高压是全国型寒潮的重要前兆,欧亚大陆对流层中高层纬向波列是其爆发的显著特征;东北华北型寒潮与冷涡在中低纬度异常高压系统阻挡下的东移有关;西北华北型寒潮与东欧平原上空暖性高压脊的发展及欧亚大陆两脊一槽的形势密切相关。所有类型寒潮爆发前均有乌拉尔阻塞高压的维持和西伯利亚地区冷空气的堆积。

2023年麦收期河南省连阴雨的气候特征和可能成因

2023年麦收期河南省出现了罕见的连阴雨天气,降水和阴雨日数异常偏多,分别为自1961年以来的历史第五位和第二位。分析连阴雨的可能气候成因,主要结论如下:(1)造成连阴雨的环流形势为欧亚中高纬度西高东低,乌拉尔山高压脊持续发展并出现阶段性阻塞,东北冷涡活跃,冷空气能持续南下,西太平洋副热带高压(以下简称副高)偏北、偏强且异常偏西,来自副高西北侧边缘的暖湿气流和冷空气在河南省交汇。(2)副高偏强、偏北、偏西是由偏强、偏北、偏大、偏东的南亚高压和偏强、偏北的东亚副热带西风急流(以下简称西风急流)的引导所致,而东南亚对流层中高层的暖中心偏大、偏北和偏东且呈东西向带状分布,使南亚高压形成了上述的特征。暖中心和东北冷涡的共同作用,使东亚中高层的气温梯度增大,进而加强了西风急流。(3)2023年前期的La Ni1a事件有利于麦收期副高偏北,但不利于副高偏强和明显偏西。麦收期由于台风扰动由泰国湾至菲律宾群岛以东的热带西太平洋对流活跃释放的凝结潜热较多,以及麦收期前期的春季和麦收期伊朗高原至青藏高原的地面感热和潜热较强,使暖中心形成了上述的特征,进而决定了南亚高压和副高的特征。(4)2023年麦收期北大西洋海温偏高,以及北大西洋三极子为负位相,导致了乌拉尔山高压脊持续发展并出现阶段性阻塞,麦收期前期的春季和麦收期伏尔加河至贝加尔湖西北侧地面感热和潜热偏强,而下游贝加尔湖东南侧至鄂霍次克海地面感热和潜热偏弱一定程度上导致上述两区域分别出现了大范围的位势高度正距平和负距平。

北极海冰融化与东亚春季降水量的联系

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM5.4数值模式,研究了春季北极海冰融化面积对东亚降水量的影响及其可能的物理机制。观测和数值模拟结果均显示,与春季海冰融化相关的东亚地区降水量呈现明显增加的趋势,且异常中心位于中国南部-日本地区。500 hPa位势高度场表现为“-+-+”型波列结构,其中乌拉尔山和日本及其附近海洋上空为异常高压脊区,欧洲西部和贝加尔湖地区则为异常高空槽所控制。高融化面积年常伴随着极地西风急流增强,中纬度纬向西风减弱,有利于乌拉尔山地区反气旋性环流异常的维持和增强,进而触发乌拉尔山地区到西北太平洋地区的异常波列,引起贝加尔湖地区位势高度降低,东亚槽加深,受异常偏北气流的影响,南下冷空气活动频繁。日本及其附近的海洋上空位势高度增加,在异常偏东南气流的作用下,将西北太平洋地区的暖湿空气带到东亚地区。中国南部地区出现西风异常,引起东亚副热带急流增强,配合低空辐合高空辐散的大气异常环流,局地对流增强,导致东亚地区春季降水量增加。

2018年和2008年1~2月影响我国的持续低温事件及其对比分析

2018年1月中下旬至2月初我国发生了一次大范围的持续低温异常事件,给国民经济和人们生活带来了很大的不利影响。这次持续低温事件与众所周知的2008年1月发生在我国南方的持续雨雪冰冻事件(简称“0801”事件)有一个共同点,二者都是发生在La Niña和前秋北极海冰显著减少的背景之下。对比这两次事件发生的大气环流和热力背景,对认识冬季持续极寒事件的形成有重要意义。本文利用NCEP/NCAR大气环流再分析资料和NOAA卫星观测OLR资料,对这两次过程进行了比较。结果显示,与“0801”事件相比,2018年1月中下旬的低温事件表现出以下明显不同的特征:(1)过程持续短,冷空气路径偏东;(2)乌拉尔阻塞和东亚大槽并存,呈“西高东低”型,不同于“0801”高纬阻塞和低纬南支槽并存的“北高南低”型;(3)异常的环流型与自大西洋经乌拉尔山至东亚传播的波列有关,西伯利亚高压持续时间短;(4)热带对流活跃在海洋性大陆和西太平洋,不同于“0801”主要在印度洋。后者对该年南支槽和西太平洋副热带高压增强有显著贡献。最后,2018年过程期间水汽输送也不如“0801”强,导致降水弱。

2020/2021年冬季中国气候冷暖转折成因分析

2020/2021年冬季,我国气候"前冬冷干、后冬暖湿"特征明显,冷、暖两个阶段气温振幅极大,多地观测气温分别打破了建站以来的最低、最高纪录。前冬(2020年12月1日至2021年1月10日),全国大部地区气温偏低、降水偏少,而后冬(2021年1月13日至2月28日),全国大部地区转入明显偏暖期,且2月上旬开始我国北方地区降水增多,暖湿特征明显。分析发现,乌拉尔山阻塞高压、西伯利亚高压和东亚冬季风强度、极地冷空气主体位置以及西北太平洋副热带高压的强度和位置等均发生了转折性变化,这是导致我国冬季气候由冷干转为暖湿的直接原因。进一步分析表明:La Nina事件配合北极冰偏少和北大西洋中纬度暖流,符合启动前冬"暖北极、冷欧亚"效应的条件,导致前冬欧亚中高纬经向环流偏强、乌拉尔山阻塞高压发展、及西伯利亚高压和东亚冬季风偏强,致使我国出现干冷型气候;而后冬,北极平流层发生爆发性增温事件,导致北极涛动持续负位相,极涡主体偏向西半球,但同时乌拉尔山阻塞高压崩溃,东亚冬季风转弱,我国大范围回暖增温。

中国北方冬季气温的年际变化对北太平洋东部海温异常的响应

利用地面气温观测资料及NCEP/NCAR逐月再分析资料,分析了中纬度北太平洋东部海温异常变化对中国北方地区冬季气温的可能影响。结果表明,前期夏、秋季中纬度北太平洋东部海温与北方地区冬季气温存在持续稳定的正相关关系,并且这种相关性在年代际尺度上较年际尺度更为显著。这种联系与中纬度北太平洋东部关键区海温在对流层中低层激发出的一种类似北美—大西洋—欧亚遥相关型波列有关。当前期关键区海温偏高(低)时,其激发的波列使得乌拉尔山阻塞高压偏弱(强),西伯利亚高压偏弱(强),导致贝加尔湖以南大部地区受正(负)高度距平控制,亚洲地区中高纬以纬(经)向环流为主,有利于北方大部地区气温偏高(低)。研究表明,中纬度北太平洋东部海温异常通过激发出一个从关键海区到我国北方地区的跨越东西半球的遥相关型波列,引发北半球中高纬度大气环流异常,进而影响北方冬季气温。

2008与1969年冬季持续性雨雪过程对比分析

利用安徽省降水量资料和NCEP资料对1969年与2008年冬季两次超过半月的持续性雨雪过程进行分析。结果发现:强降水过程之前都有一次阻塞高压较明显增强过程,而强雨雪过程则始于阻塞形势减弱期,当乌拉尔山阻高指数锐减到谷值前后的1～2天,同时伴有偏强的西南气流,会有一次较为明显的降水增强的过程。500hPa环流形势2008年为经向型,冷暖空气均较强,持续性雨雪期间有4次强雨雪天气过程;而1969年环流较为平直,雨雪天气持续较长,但基本无强雨雪过程。通过准双周振荡分析发现1969年持续性雨雪期间的水汽源地主要为南海,2008年水汽则同时来源于南海和孟加拉湾。

2008年初瞬变涡在中高纬阻高异常中的作用分析

2008年1月中旬到2月上旬,我国南方地区发生了历史罕见的、大范围的严重冰冻雨雪天气,中高纬大气环流异常尤其是乌拉尔阻塞高压(下称乌阻)异常发展、维持是非常重要的原因之一。为了探究中高纬阻塞高压(阻高)稳定维持的内在物理机制,以2008年初中高纬的一次阻塞过程为例,利用NCEP逐日再分析资料,从瞬变涡对平均经向、纬向气流的强迫作用、瞬变涡的动量输送以及瞬变涡的热量输送等方面分析和讨论了瞬变涡在中高纬阻高发展维持过程中所起的作用。结果表明,瞬变涡通过对平均流的强迫作用来加强阻高周围的反气旋气流。阻高区域内纬向气流的平均动能不断地转化成瞬变涡动能,而阻高北侧西风气流区域内瞬变涡动能则不断地向纬向气流的平均动能转化,这使得西风急流得以维持,有利于阻高的维持和发展。阻高区域内具有较强的瞬变涡热量输送,使得该区域内的温度梯度强度减弱,这在一定程度上又导致了平均西风气流的减弱,有利于阻高的发展和维持。

Amplified winter Arctic tropospheric warming and its link to atmospheric circulation changes

本文讨论了20世纪以来冬季极地巴伦支-喀拉海(BKS)区域对流层增暖放大的物理原因。提出了大气环流结构的改变对极地深对流层增暖有重要影响。通过合成阻塞,排除阻塞影响等分析发现北极涛动负位相产生的负的北大西洋涛动与一起产生的西退的乌拉尔阻塞不利于BKS区域增暖,因为这种环流配置下水汽不能持续大量的进入BKS区域;相反,北大西洋涛动正位相与一起产生的准定常且持续时间长的乌拉尔阻塞,给BKS地区带来持续大量暖而湿的水汽通过增加感热能有利于极地对流层增暖放大。