乌拉尔阻塞对北极增暖的非线性响应及平流层过程在其中的调制作用
发布时间: 2021-04-07

乌拉尔阻塞是乌拉尔山地区高纬度持续性大尺度的经向环流异常,其异常活跃时会在欧亚大陆中纬度造成寒潮等极端天气。近年来,北极海冰持续减少,冬季北极增暖远快于全球平均。此前有研究指出,冬季乌拉尔阻塞的活动会受到北极海冰融化和北极增暖的影响:当冬季巴伦支-喀拉海海冰较少、增暖加强时,冬季乌拉尔阻塞增多并且呈现准定常特征。这一发现对欧亚大陆中纬度极寒天气的预测有重要指示意义。但是,近期观测显示,在巴伦支-喀拉海海冰极少的冬季,乌拉尔阻塞快速向西移动。在博士后创新人才支持计划(BX20200087)的支持下,复旦大学大气与海洋科学系博士后陈晓丹,联合中科院大气所、美国哥伦比亚大学、挪威卑尔根大学和美国西北太平洋实验室的学者针对这一反常现象进行了深入探究,分析了不同北极增暖背景下乌拉尔阻塞对北极增暖的响应机制,揭示了乌拉尔阻塞对北极增暖的非线性响应,指出了平流层过程在北极强增暖情境下对乌拉尔阻塞的调制作用。美国气象学会期刊《Journal of Climate》于近日刊登了相关研究成果。

通过资料分析和大气环流数值试验,该研究构建了一系列情景来代表不同强度的巴伦支-喀拉海增暖。随着增暖加强,阻塞在乌拉尔地区的局地维持时间先增加后减少(图1)。当增暖较弱时,巴伦支-喀拉海附近的温度升高、位势涡度减小,上游北大西洋地区位涡增大、温度降低,因此欧亚中高纬度位势涡度经向梯度减弱,北大西洋至西欧地区的西风加强。弱位涡梯度的背景环流下乌拉尔阻塞能量频散减弱,生命周期延长,而上游西风加强阻碍了乌拉尔阻塞西移,因此阻塞可以在乌拉尔地区长期维持。此情境下,对流层低层的北极增暖不能引起平流层环流的剧烈变化,乌拉尔阻塞的变化仅受到对流层路径的影响。当巴伦支-喀拉海的增暖逐渐增强,对流层行星波的振幅放大且向上传播,引起平流层极涡减弱。平流层信号下传至对流层形成类似北大西洋涛动负位相的环流异常,抵消了对流层路径在北大西洋高纬度形成的低压异常,致使北大西洋西风减弱,引导乌拉尔阻塞向西移动。研究者通过设计数值试验关闭了平流层下传的影响,发现强增暖情境下乌拉尔阻塞的西退特征消失(图2),结合背景环流的变化,进一步证实了北极增暖影响乌拉尔阻塞中平流层过程的调制作用(图3)。

乌拉尔阻塞是天气到季节尺度预测的重要因子,这一工作首次提出了乌拉尔阻塞对北极增暖的响应是非线性的,强烈依赖于北极增暖的强度,并指出平流层-对流层耦合在北极增暖调制乌拉尔阻塞过程中的重要作用,对相关领域的后续研究提出了新的挑战。

论文信息Chen, X., Luo, D., Wu, Y., Dunn-Sigouin, E., & Lu, J. (2021). Nonlinear Response of Atmospheric Blocking to Early Winter Barents–Kara Seas Warming: An Idealized Model Study, Journal of Climate, 34(6), 2367-2383.

论文连接:https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0720.1


图1 巴伦支-喀拉海不同增暖情境下(自左到右增暖加强)乌拉尔阻塞日的发生频率(红线),乌拉尔阻塞事件的持续时间(蓝线)和事件数量(柱形)。

图2 巴伦支-喀拉海不同增暖情境中,存在(第一行)和不存在(第二行)平流层过程干预时,乌拉尔阻塞事件纬向移动的对比。

图3 巴伦支-喀拉海不同增暖情境中对流层(第一行)和平流层(第二行)过程对500-hPa高度场的影响。北大西洋高纬度区域平均的500-hPa高度场异常在不同情境中的变化(第三行)。