流層阻塞高壓活動(dòng)對(duì)平流層爆發(fā)性增溫的影響

流層阻塞高壓活動(dòng)對(duì)平流層爆發(fā)性增溫的影響

n流層的爆發(fā)性增溫（ssw）是北半球冬季平流層中最突出的天氣現(xiàn)象。在1877年，matsin提出了ssw的動(dòng)態(tài)機(jī)制，認(rèn)為隨著流層中星波活動(dòng)的加強(qiáng)，平流層極夜流的減速、極軸的擾動(dòng)和溫度的增加。之后，從觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的角度深化了ssw的動(dòng)態(tài)形成機(jī)制。平流層的爆發(fā)性增加是復(fù)雜的平流層與流層之間的氣耦合動(dòng)力學(xué)的過(guò)程[4.6]。另一方面，在冬季對(duì)流層中也存在典型的大周期周期擾動(dòng)過(guò)程，即堵塞高壓組。其形成和發(fā)展導(dǎo)致氣流的強(qiáng)烈擾動(dòng)，對(duì)氣候和氣候有重要影響。ww等人假設(shè)，在1987年之前，由于長(zhǎng)度大、強(qiáng)度低、幾乎共存，這可能會(huì)對(duì)平流層的爆發(fā)性增加做出一定的貢獻(xiàn)。但是平流層爆發(fā)性增溫和對(duì)流層阻塞高壓之間到底有著怎樣的聯(lián)系仍然存在著爭(zhēng)議.傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為當(dāng)對(duì)流層出現(xiàn)阻塞活動(dòng)時(shí)有利于行星波的形成和向上傳播,從而引起平流層的瞬間增溫,因此阻塞高壓是SSW形成的重要誘因,大量的個(gè)例分析研究也證明了這點(diǎn):Julian和Labitzke分析了發(fā)生在1963年1月的一次爆發(fā)性增溫事件,發(fā)現(xiàn)增溫爆發(fā)前的5~10d對(duì)流層的中高緯地區(qū)有明顯的阻塞高壓活動(dòng);Quiroz比較了發(fā)生在1981~1985年間的爆發(fā)性增溫事件,指出阻塞活動(dòng)平均領(lǐng)先增溫過(guò)程3.5d;Mukougawa等人使用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)討論了2001年12月SSW事件中緯向平均風(fēng)廓線(xiàn)和大西洋區(qū)域阻塞活動(dòng)的關(guān)系,指出緯向風(fēng)和阻塞之間的相互作用激發(fā)了行星波向上、向極地的傳播,從而引起了平流層極區(qū)溫度的增加.而另一方面,還有一部分研究認(rèn)為阻塞活動(dòng)出現(xiàn)在平流層爆發(fā)性增溫之后.Kodera和Chiba以及Mukougawa和Hirooka分別分析指出發(fā)生在1985年1月和1998年12月的SSW事件中有阻塞形勢(shì)在增溫后形成;Thompson和Wallace認(rèn)為爆發(fā)性增溫之后出現(xiàn)的阻塞高壓有可能和北極濤動(dòng)(AO)有關(guān),因?yàn)槠搅鲗釉鰷剡^(guò)后AO容易出現(xiàn)負(fù)位相,在負(fù)AO位相時(shí)阻塞高壓形成的幾率較大.有關(guān)阻塞高壓和SSW事件之間的關(guān)系存在著上述兩種幾乎相反的觀(guān)點(diǎn),原因可能有這樣兩點(diǎn):首先以上的這些研究結(jié)果主要是基于個(gè)例分析,而SSW和阻塞高壓本身具有一定的不確定性,單純的個(gè)例分析很難得到具有代表意義的結(jié)果,因而有必要通過(guò)大量SSW個(gè)例的合成分析研究阻塞高壓在SSW時(shí)期上下層相互影響中的作用;其次目前有關(guān)阻塞高壓的定義尚存在差異,以上的研究在定義阻塞活動(dòng)時(shí)可能采用了不同的標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致了結(jié)果的不同.此外,我們認(rèn)為將天氣系統(tǒng)的阻塞高壓和天氣事件的平流層爆發(fā)性增溫直接聯(lián)系討論可能存在一些問(wèn)題.因此本研究用平流層極渦的變化來(lái)代表爆發(fā)性增溫過(guò)程,將平流層、對(duì)流層中的兩個(gè)天氣系統(tǒng)直接聯(lián)系起來(lái).在增溫出現(xiàn)前重點(diǎn)考慮了可以影響到平流層的阻塞高壓活動(dòng),分析它的位置、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,而在增溫出現(xiàn)后則主要分析了極渦擾動(dòng)后平流層異常信號(hào)向下的傳播特征.1增溫事件中阻塞高壓的定義本文使用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心的第二代再分析資料(NCEP-DOE2)研究了對(duì)流層阻塞高壓活動(dòng)對(duì)平流層爆發(fā)性增溫的影響,以及增溫后平流層環(huán)流異常對(duì)下層大氣的反饋.NCEP2資料在垂直方向上一共有17層,最高層位于10hPa,采用了T159的水平分辨率,本文使用的是144°×73°(經(jīng)度vs.緯度)水平分辨率的日平均資料,從1979年1月1日至2010年12月31日.在定義平流層爆發(fā)性增溫時(shí),這里使用的是世界氣象組織(WMO)制定的增溫標(biāo)準(zhǔn):10hPa上北極點(diǎn)和60°N緯圈之間的溫度梯度(35)T,和10hPa上北極點(diǎn)和60°N緯圈之間的平均地轉(zhuǎn)風(fēng)U,由于本文只討論了強(qiáng)增溫事件(即U(27)0),因此在32年的冬季個(gè)例中一共得到了強(qiáng)爆發(fā)性增溫事件21次進(jìn)行研究.阻塞高壓是對(duì)流層熱帶外地區(qū)一個(gè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、垂直方向連續(xù)且準(zhǔn)靜止的大尺度高壓系統(tǒng),有關(guān)它的定義很多但缺乏一個(gè)統(tǒng)一的精確判據(jù):Tibaldi和Molteni提出通過(guò)計(jì)算500hPa中、高緯度的位勢(shì)高度梯度來(lái)判斷阻塞高壓;丁一匯等人認(rèn)為阻塞過(guò)程可以定義為位勢(shì)高度距平超過(guò)200gpm并持續(xù)7d以上的高壓系統(tǒng);近期Schwierz等人使用位勢(shì)渦度(PV)理論提出阻塞高壓往往出現(xiàn)在PV的低值區(qū)和顯著的負(fù)異常區(qū)域.因此在本研究中針對(duì)每一次的爆發(fā)性增溫過(guò)程都使用了這3種判斷方法綜合對(duì)阻塞進(jìn)行動(dòng)力診斷,發(fā)現(xiàn)阻塞高壓活動(dòng)與增溫過(guò)程中平流層極渦的擾動(dòng)有著密切的聯(lián)系.為了方便對(duì)合成分析結(jié)果進(jìn)行討論并得到具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)果,在這里定義位勢(shì)高度場(chǎng)出現(xiàn)?形狀分布的區(qū)域?yàn)樽枞邏合到y(tǒng),這樣的定義方法在進(jìn)行合成分析時(shí)使用位勢(shì)高度或者PV作為合成對(duì)象的差別不大.在這里討論的21次強(qiáng)爆發(fā)性增溫中,出現(xiàn)了極渦分裂10次,極渦偏心11次.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的阻塞高壓活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致極渦更加具體的分布特征.因此,我們首先根據(jù)平流層極渦的分裂狀況和阻塞高壓的分布位置將SSW事件分為兩類(lèi),之后再根據(jù)極渦的位置進(jìn)一步分成4種副型.極渦分裂時(shí)分為歐亞-北美型(ENA型)和大西洋-東亞型(AEA型),ENA型指的是極渦分裂后形成的兩個(gè)低壓中心分別位于歐亞和北美大陸(圖1(c)),而AEA型指的是兩個(gè)低壓中心分別位于大西洋和東亞地區(qū)(圖1(f)).類(lèi)似地極渦偏心時(shí)可以分為阿留申侵入型(AI型)和北美侵入型(NAI型),AI型中極渦被從阿留申群島地區(qū)侵入的高壓系統(tǒng)推擠至歐洲大陸西部和大西洋區(qū)域,而NAI型指的是高壓系統(tǒng)從北美大陸侵入極區(qū),極渦偏移至歐亞大陸中、西部.表1給出了這21次強(qiáng)爆發(fā)性增溫的中心時(shí)間、對(duì)流層阻塞高壓所在的位置以及增溫類(lèi)型,為了進(jìn)行合成分析,針對(duì)每一次增溫過(guò)程定義了它的中心時(shí)間(t=0),當(dāng)極渦發(fā)生偏移時(shí),強(qiáng)增溫出現(xiàn)(即U(27)0時(shí))的日期即為增溫的中心時(shí)間(第0天);而當(dāng)極渦發(fā)生分裂時(shí),定義極渦開(kāi)始分裂的時(shí)間為中心時(shí)間(t=0),這種定義用極渦的變化表征增溫過(guò)程,可以更加直接地分析阻塞高壓和極渦這兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互作用,有利于得到阻塞活動(dòng)在整個(gè)SSW過(guò)程中的效應(yīng).我們合成統(tǒng)計(jì)了中心時(shí)間前后10天的平流層、對(duì)流層環(huán)流變化,并用t檢驗(yàn)方法對(duì)合成結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)信度檢驗(yàn).2極群分裂前后烏拉爾山地區(qū)的阻塞形勢(shì)根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)不同的增溫類(lèi)型對(duì)應(yīng)了對(duì)流層中不同位置和強(qiáng)度的阻塞高壓活動(dòng),并且有可能會(huì)對(duì)下層大氣不同區(qū)域帶來(lái)反饋.首先,圖1(a)~(c)給出了歐亞-北美型SSW事件中10hPa上位勢(shì)高度場(chǎng)在極渦分裂前的分布情況,其中黑色等值線(xiàn)表示相對(duì)于氣候平均值的距平,而白色虛線(xiàn)包圍的區(qū)域表示統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度超過(guò)95%的地區(qū).圖中可以看出平流層極渦受到阿留申和東大西洋地區(qū)的兩個(gè)高壓系統(tǒng)作用,這兩個(gè)高壓中心在極渦分裂前約一周的時(shí)間出現(xiàn),并逐漸發(fā)展、增強(qiáng)、向極移動(dòng),當(dāng)兩者連接時(shí)極渦被切斷,分裂成兩個(gè)低壓中心,分別位于歐亞和北美大陸.與氣候平均相比,主要的位勢(shì)高度異常分布在北極地區(qū),正距平的中心值在第0天時(shí)達(dá)到900gpm,且強(qiáng)異常分布的區(qū)域大都通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn).位于極區(qū)的這一正異常中心與阿留申和東大西洋上空的高壓系統(tǒng)密切聯(lián)系,并隨著它們的增強(qiáng)逐步擴(kuò)大范圍.位勢(shì)高度場(chǎng)的這一分布特征表明ENA型的SSW事件,在增溫過(guò)程中主要是位于阿留申和東大西洋地區(qū)的兩個(gè)高壓系統(tǒng)共同對(duì)極渦作用,使其逐步減弱直至崩潰、分裂.為了找出平流層中這兩個(gè)高壓系統(tǒng)和對(duì)流層阻塞活動(dòng)的關(guān)系,圖2給出了500和100hPa上位勢(shì)高度場(chǎng)在極渦分裂前的合成分布情況,其中淺灰色和深灰色分別表示了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度達(dá)到90%和95%的區(qū)域.從中可以看出在極渦分裂前4天,在150°W的東太平洋和60°E的烏拉爾山地區(qū)有明顯的阻塞高壓形勢(shì)存在,隨著增溫過(guò)程的進(jìn)行,這兩個(gè)阻塞形勢(shì)向北、向西強(qiáng)烈地伸展;在分裂前2天,主要的阻塞高壓區(qū)伸入阿留申群島和東大西洋區(qū)域,并顯著地向極區(qū)侵入;到了第0天極渦分裂,在阿留申群島的西北部出現(xiàn)了一個(gè)閉合的高壓中心,同時(shí)在東大西洋上空也存在一個(gè)明顯的?形阻塞形勢(shì),這兩個(gè)阻塞高壓系統(tǒng)和平流層中向極作用的高壓中心在出現(xiàn)時(shí)間、位置和強(qiáng)度上都有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.此外,還可以看出統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度的高值區(qū)主要分布在位勢(shì)高度形變劇烈的槽和脊地區(qū),這表明在平流層極渦分裂前對(duì)流層環(huán)流出現(xiàn)了很大的擾動(dòng),并且這里得到的阻塞高壓分布特征具有很好的統(tǒng)計(jì)意義.另一方面在100hPa高度上阿留申群島和東大西洋上空也可以觀(guān)測(cè)到顯著的、和對(duì)流層中一致的阻塞形勢(shì),這表明整個(gè)阻塞高壓系統(tǒng)在垂直方向上是連續(xù)的,并且可以一直向上作用到平流層中.和低層中的阻塞系統(tǒng)一樣,100hPa中的這兩個(gè)阻塞高壓自出現(xiàn)后逐漸向西、向北擴(kuò)展,且大部分阻塞形勢(shì)分布的區(qū)域都通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn).以上這些分析表明:ENA型的SSW事件可以歸因于平流層中兩個(gè)高壓系統(tǒng)對(duì)極渦的擾動(dòng)過(guò)程,而這兩個(gè)高壓系統(tǒng)的形成和發(fā)展與對(duì)流層中位于阿留申群島(150°W~180°)和東大西洋(0°~30°E)的阻塞高壓活動(dòng)有著密切的聯(lián)系.類(lèi)似地針對(duì)大西洋-東亞型SSW事件,圖1(d),(e)和(f)給出了極渦分裂前10hPa上位勢(shì)高度的合成分布情況,圖中可以看出平流層中同樣存在兩個(gè)高壓系統(tǒng)對(duì)極渦進(jìn)行擾動(dòng),分別位于烏拉爾山地區(qū)和北美大陸西部.這兩個(gè)高壓中心逐漸發(fā)展、增強(qiáng)并向極侵入,使得極渦慢慢減弱、拉長(zhǎng)直至崩潰,分裂后的兩個(gè)低壓中心分別位于大西洋和東亞地區(qū).在整個(gè)增溫過(guò)程中,起源于阿留申高壓的北美區(qū)域高壓系統(tǒng)作用更強(qiáng),使得極渦分裂后位于大西洋上空的低壓中心較強(qiáng),這一點(diǎn)與ENA型的增溫不同,也將會(huì)給下層大氣帶來(lái)不同的反饋.而位勢(shì)高度異常的分布和ENA型中有些相似,最大的正值中心位于北極地區(qū)且中心強(qiáng)度可以達(dá)到900gpm,大部分正異常的大值區(qū)也都通過(guò)了95%的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度.這些特征表明在A(yíng)EA型增溫過(guò)程中位于烏拉爾地區(qū)和北美大陸的平流層高壓系統(tǒng)起到了決定性的作用.圖3給出了AEA型增溫過(guò)程中500和100hPa上位勢(shì)高度場(chǎng)在極渦分裂前的合成分布情況,用來(lái)表征對(duì)流層阻塞活動(dòng)與平流層高壓系統(tǒng)的相互關(guān)系.在500hPa高度,從極渦分裂前約一周開(kāi)始,烏拉爾山(60°E附近)和北美大陸西部(150°~120°W)出現(xiàn)較明顯的阻塞形勢(shì),并逐漸發(fā)展、增強(qiáng),其中烏拉爾山地區(qū)的阻塞形勢(shì)東西跨度較大,在30°~120°E的范圍內(nèi)沿緯圈移動(dòng),在第0天時(shí)向北伸展侵入極區(qū);而北美大陸上方的阻塞形勢(shì)呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài),只向北擴(kuò)展影響中高緯地區(qū).另一方面在100hPa高度,北美大陸區(qū)域的阻塞形勢(shì)一直都非常顯著,表明這一區(qū)域的阻塞高壓系統(tǒng)在垂直方向上是連續(xù)的,可以一直作用到平流層中,而烏拉爾山地區(qū)的阻塞形勢(shì)則不如對(duì)流層中明顯,表示這一阻塞高壓系統(tǒng)的作用高度較低,在平流層中的影響偏弱,也對(duì)應(yīng)了10hPa中位于這一區(qū)域的高壓系統(tǒng)較弱.以上特征表明阻塞高壓活動(dòng)對(duì)平流層的影響不僅取決于阻塞本身的強(qiáng)度,還和它的作用高度密切相關(guān).因此不是任何一個(gè)阻塞高壓都可以影響到中高層大氣環(huán)流,要針對(duì)不同的事例具體分析.此外,對(duì)流層阻塞活動(dòng)對(duì)平流層極渦的擾動(dòng)還存在一種作用方式,例如2005~2006年冬季,平流層中的阿留申高壓沒(méi)有向北美大陸移動(dòng)而是向西移動(dòng)和東移過(guò)來(lái)的烏拉爾山高壓連接,合并形成了一個(gè)新的、更強(qiáng)的高壓系統(tǒng),向北擴(kuò)張進(jìn)入極區(qū)將極渦切斷.綜上所述,在A(yíng)EA型的增溫事件中,平流層烏拉爾山和北美大陸高壓系統(tǒng)對(duì)極渦的擾動(dòng)是關(guān)鍵因素,對(duì)流層中位于這兩個(gè)區(qū)域的阻塞高壓活動(dòng)為它們的形成、發(fā)展提供了支持.3充溫過(guò)程與擾動(dòng)圖4(a)~(c)給出了阿留申侵入型SSW事件中,10hPa位勢(shì)高度場(chǎng)及其異常(黑色等值線(xiàn))的合成分布情況.圖中可以看出和極渦分裂事件不同,平流層中只有一個(gè)高壓系統(tǒng)對(duì)極渦進(jìn)行擾動(dòng),位于阿留申群島附近,這也是增溫過(guò)程中極渦僅僅出現(xiàn)偏移的原因.阿留申高壓自出現(xiàn)后逐漸發(fā)展增強(qiáng)、并向極擴(kuò)張,在第0天時(shí)將極渦推擠至歐亞大陸西部和大西洋區(qū)域.主要的位勢(shì)高度異常出現(xiàn)在高緯地區(qū),與阿留申高壓密切聯(lián)系,在強(qiáng)增溫出現(xiàn)前正異常中心值可以達(dá)到600gpm,且強(qiáng)異常區(qū)大都通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn).這些分布特征表明AI型增溫可以歸因于阿留申高壓的向極侵入,造成了平流層極渦的減弱、偏移,在整個(gè)增溫過(guò)程中只有這一個(gè)高壓系統(tǒng)起作用.進(jìn)一步在圖5中給出了500和100hPa上位勢(shì)高度場(chǎng)在強(qiáng)增溫(第0天)出現(xiàn)前的合成分布情況,分析對(duì)流層阻塞活動(dòng)在增溫過(guò)程中的作用.首先,在500hPa高度可以觀(guān)察到只有北美大陸西岸存在一個(gè)阻塞形勢(shì),并且隨著增溫強(qiáng)度的增加,這一阻塞高壓逐漸向西、向北擴(kuò)展,最后從阿留申群島區(qū)域進(jìn)入極區(qū).此外通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度的區(qū)域也主要位于阿留申群島附近,從統(tǒng)計(jì)學(xué)上證明了這一地區(qū)阻塞活動(dòng)的存在.100hPa上位勢(shì)高度的分布和低層相似,顯著的阻塞高壓形勢(shì)和通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度的區(qū)域都位于阿留申群島區(qū)域,這一垂直方向上連續(xù)分布的特征表明:對(duì)流層中阿留申群島的阻塞高壓活動(dòng)造成了平流層中高壓系統(tǒng)的形成、發(fā)展以及對(duì)極渦的擾動(dòng),當(dāng)極渦被推擠出極地時(shí)出現(xiàn)了AI型的爆發(fā)性增溫.對(duì)于北美侵入型的SSW事件,圖4(d)~(f)給出了10hPa上強(qiáng)增溫出現(xiàn)前位勢(shì)高度及其異常的合成分布.圖中可以看出平流層中也是只有一個(gè)高壓系統(tǒng)對(duì)極渦進(jìn)行擾動(dòng),位于北美大陸的西部,這一高壓系統(tǒng)起源于阿留申高壓,隨著增溫的進(jìn)行逐漸增強(qiáng)并向東、向北伸展,侵入極區(qū)將極渦推擠至東大西洋和歐亞大陸西北部.而位勢(shì)高度異常的分布也與這一高壓系統(tǒng)緊密聯(lián)系,正異常中心和通過(guò)95%統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)信度的區(qū)域都分布在它的附近.因此NAI型的SSW事件可以看作是北美地區(qū)的高壓系統(tǒng)對(duì)極渦逐步擾動(dòng)、推擠的過(guò)程,并且整個(gè)增溫過(guò)程中只有這一個(gè)有效的作用因子.進(jìn)一步分析增溫過(guò)程中對(duì)流層環(huán)流的變化特征,圖6給出了500和100hPa上位勢(shì)高度場(chǎng)在強(qiáng)增溫出現(xiàn)前的合成分布,圖中可以看出在500hPa高度,在北美大陸的西岸(120°W的附近)存在一個(gè)明顯的阻塞高壓形勢(shì),這一阻塞形勢(shì)在強(qiáng)增溫出現(xiàn)前約一周形成,并且在東西方向上呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài),在第0天時(shí)向極伸展侵入高緯地區(qū).同樣在100hPa高度上,北美大陸西部的這一阻塞形勢(shì)也非常顯著,表明這一阻塞高壓系統(tǒng)在垂直方向上連續(xù)且可以作用到平流層中.綜上所述,NAI型的爆發(fā)性增溫事件在強(qiáng)增溫出現(xiàn)前,對(duì)流層北美大陸的西岸(90°~120°W)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的阻塞高壓活動(dòng),阻塞系統(tǒng)向上、向極的作用使得平流層中該地區(qū)形成了一個(gè)對(duì)極渦進(jìn)行擾動(dòng)的高壓系統(tǒng),隨著極渦的減弱、偏移,平流層爆發(fā)性增溫事件形成.4位勢(shì)高度異常的傳播特征以上分析表明分布在不同區(qū)域的阻塞高壓活動(dòng)會(huì)引起平流層極渦不同的擾動(dòng)特征,從而導(dǎo)致不同類(lèi)型的爆發(fā)性增溫事件.那么不同的平流層增溫過(guò)程會(huì)對(duì)低層大氣產(chǎn)生怎樣的反饋,平流層異常向下的作用又是怎樣進(jìn)行?通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型SSW事件的分析,我們發(fā)現(xiàn)平流層異常向下的作用與平流層極渦的擾動(dòng)強(qiáng)度密切聯(lián)系,當(dāng)極渦發(fā)生擾動(dòng)、偏移,并且能夠在異常位置維持一周以上的時(shí)間,在極渦所在的區(qū)域會(huì)有負(fù)的位勢(shì)高度異常向下傳播;而如果極渦發(fā)生擾動(dòng)后很快恢復(fù)或者偏移的位置發(fā)生變化,則環(huán)流異常集中在平流層中,不向下傳播,因而平流層異常對(duì)對(duì)流層的影響是條件性的.因此,針對(duì)4種類(lèi)型的爆發(fā)性增溫過(guò)程,這里選取了4次增溫事件作為代表分析了不同類(lèi)型的增溫對(duì)下層大氣的反饋?zhàn)饔?2008~2009年冬季的SSW事件表征了ENA型增溫,2009~2010年冬季的SSW事件表征了AEA型,2007~2008和1986~1987年冬季的SSW事件分別代表了AI型和NAI型的增溫.首先,圖7(a)給出了ENA型增溫時(shí)(2008~2009年冬季)位勢(shì)高度異常沿60°N緯圈的經(jīng)度-高度分布圖,為了更清楚地表征出平流層異常向下的傳播特征,在不同的高度這里給出了不同時(shí)間的位勢(shì)高度異常分布,例如在10hPa高度圖中給出的是第0天(2009年1月25日)的位勢(shì)高度異常,隨著等壓面的下降,選取的時(shí)間也逐漸增加.圖中可以看出在歐亞和北美大陸上空存在兩個(gè)顯著的位勢(shì)高度異常中心與平流層中增溫發(fā)生后極渦分裂形成的兩個(gè)低壓中心位置一致,歐亞大陸上方的負(fù)值中心最大值出現(xiàn)在平流層高層(70hPa以上),中心值可以達(dá)到-600gpm,并且這一負(fù)異常會(huì)隨時(shí)間逐漸向下傳播,到了2月5日時(shí),在500hPa高度上的60°~90°E之間可以觀(guān)測(cè)到明顯的負(fù)位勢(shì)高度異常,對(duì)位于這一區(qū)域的烏拉爾山高壓活動(dòng)產(chǎn)生影響.在北美大陸上方主要的負(fù)異常中心位于150~10hPa之間,中心值最大也可達(dá)到-600gpm,這一區(qū)域的位勢(shì)高度異常在向下傳播時(shí)從200hPa高度開(kāi)始還會(huì)伴隨著向西的偏移在500hPa中負(fù)異常傳播到了東太平洋地區(qū)(120°W~180°),引起了這一區(qū)域大氣環(huán)流的異常.以上位勢(shì)高度異常的分布特征表明SSW過(guò)程中極渦分裂形成的冷低壓中心會(huì)逐漸向南擴(kuò)展,占據(jù)北美和歐亞大陸的中高緯地區(qū),從而使得位勢(shì)高度負(fù)異常向下傳播作用到這兩個(gè)區(qū)域,引起這里溫度的改變.為了進(jìn)一步證明這點(diǎn),圖8(a)給出了2009年2月5日500hPa高度上溫度和位勢(shì)高度異常的經(jīng)度-緯度分布情況,圖中黑色粗虛線(xiàn)標(biāo)注出了位勢(shì)高度負(fù)異常較顯著的區(qū)域(負(fù)值超過(guò)-100gpm).圖中可以看出主要的降溫地區(qū)都出現(xiàn)在較強(qiáng)的位勢(shì)高度負(fù)異常區(qū)域,與圖7(a)中平流層位勢(shì)高度異常向下傳播到達(dá)的區(qū)域一致,在歐亞大陸的中高緯度地區(qū)位勢(shì)高度負(fù)異常和降溫區(qū)占據(jù)了90°E以西的大部分區(qū)域,位勢(shì)高度負(fù)異常中心值達(dá)到-300gpm,對(duì)應(yīng)了烏拉爾山地區(qū)和歐洲西北部6~9℃的降溫;在太平洋的中高緯地區(qū)也出現(xiàn)了較強(qiáng)的位勢(shì)高度負(fù)異常和明顯的降溫區(qū)域,但兩者的強(qiáng)度都不如歐亞大陸西北部的強(qiáng),平流層下傳的環(huán)流異常使得北美的阿拉斯加地區(qū)、阿留申群島和東西伯利亞地區(qū)出現(xiàn)了3~6℃的降溫.綜上所述,當(dāng)平流層中發(fā)生ENA型的爆發(fā)性增溫,如果平流層極渦分裂可以持續(xù)一周以上的時(shí)間,則極渦分裂后形成的位于歐亞和北美大陸的冷低壓中心可以向下影響到對(duì)流層大氣,來(lái)自平流層的位勢(shì)高度負(fù)異常會(huì)造成歐洲西北部、烏拉爾山和北太平洋區(qū)域溫度的顯著下降.為了分析AEA型爆發(fā)性增溫過(guò)程中平流層異常信號(hào)向下的傳播特征,圖7(b)給出了2009~2010年冬季位勢(shì)高度異常沿60°N緯圈的經(jīng)度-高度分布情況.圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)在東亞地區(qū)(90°~120°E)和大西洋(30°W~30°E)上空的平流層中(100hPa以上)有兩個(gè)明顯的位勢(shì)高度負(fù)異常中心,與極渦分裂后形成的兩個(gè)低壓中心所在的位置一致.大西洋上空的位勢(shì)高度負(fù)異常大部分都集中在平流層中,中心值可以達(dá)到-600gpm,只有30°W以西的小部分區(qū)域有一些位勢(shì)高度異常向下、向西的傳播,進(jìn)入對(duì)流層上層約200~300hPa高度.而位于東亞區(qū)域的位勢(shì)高度負(fù)異常在平流層和對(duì)流層中分別有一個(gè)閉合中心,表明位勢(shì)高度異常信號(hào)可以從平流層高層向下傳播至低層大氣,引起對(duì)流層中溫度、位勢(shì)高度的變化.在2010年2月15日500hPa高度上溫度和位勢(shì)高度異常的經(jīng)度-緯度分布圖中(圖8(b))可以看出在東亞的中高緯地區(qū)存在著明顯的位勢(shì)高度負(fù)異常,從90°E一直向東延伸至太平洋地區(qū),對(duì)應(yīng)了這一區(qū)域內(nèi)顯著的降溫現(xiàn)象,特別是在我國(guó)的中部和日本的北部降溫幅度達(dá)到了6~9℃.而在大西洋的中高緯地區(qū)也存在著一定的溫度負(fù)異常分布,但降溫幅度較小.這是因?yàn)檫@一范圍內(nèi)平流層向下傳播的位勢(shì)高度異常信號(hào)大都集中在對(duì)流層高層以上,對(duì)500hPa高度上的環(huán)流影響較弱.綜上所述,平流層出現(xiàn)AEA型爆發(fā)性增溫時(shí),當(dāng)極渦分裂維持一段時(shí)間后,極渦分裂形成的冷低壓中心所在的區(qū)域,即東亞和大西洋地區(qū)會(huì)有位勢(shì)高度負(fù)異常向下傳播,并且東亞地區(qū)上空平流層向下的作用更強(qiáng),可以造成我國(guó)中部和日本北部明顯的溫度下降.在比較了這兩類(lèi)極渦分裂型SSW事件后,我們發(fā)現(xiàn)增溫后平流層異常向下傳播的區(qū)域和強(qiáng)度分別取決于平流層極渦分裂后的位置和分裂能維持的時(shí)間.在2008~2009年冬季(ENA型)極渦分裂持續(xù)了約20d,而在2009~2010年冬季,極渦分裂的時(shí)間只有大約10d,因此在ENA型的SSW事例中平流層異常信號(hào)向下傳播的經(jīng)度范圍更廣,能夠下傳到達(dá)的對(duì)流層高度也更低,對(duì)低層大氣的影響更大.對(duì)于極渦偏心型的SSW事件,圖7(c)和(d)分別給出了AI型和NAI型增溫后位勢(shì)高度異常沿60°N緯圈的經(jīng)度-高度分布情況,圖中可以看出由于平流層極渦沒(méi)有分裂,只是發(fā)生了偏移,因此平流層中只有一個(gè)位勢(shì)高度的負(fù)異常中心存在,并且這個(gè)中心的位置和極渦所在的位置一致.當(dāng)極渦偏移后穩(wěn)定的維持在異常位置超過(guò)一周的時(shí)間,則有位勢(shì)高度的負(fù)異常從這里向下傳播到低層大氣.因此,在A(yíng)I型增溫過(guò)程中,下傳的平流層異常信號(hào)主要分布在北美大陸東北部、北大西洋和歐洲西北部;而NAI型的增溫事件中,位勢(shì)高度的負(fù)異常主要傳播到歐亞大陸的中、西部地區(qū),來(lái)自于平流層的異常信號(hào)會(huì)引起對(duì)流層相關(guān)地區(qū)大氣環(huán)流的改變.5在不斷擴(kuò)大的平行流層中表現(xiàn)出目的的阻塞高壓形勢(shì)本文應(yīng)用NCEP2的再分析資料討論了對(duì)流層阻塞高壓活動(dòng)對(duì)平流層爆發(fā)性增溫事件的影響,以及增溫出現(xiàn)后平流層環(huán)流異常對(duì)下層大氣的反饋.研究表明在SSW過(guò)程中平流層極渦會(huì)出現(xiàn)不同的分布特征,并且與極渦的擾動(dòng)和增溫初期對(duì)流層中阻塞高壓向上、向極地的作用密切相關(guān),因此,根據(jù)增溫過(guò)程中阻塞高壓和極渦不同的分布位置將SSW事件分為2種類(lèi)型和4種副型,針對(duì)不同的增溫類(lèi)型對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和動(dòng)力診斷,得到以下的主要結(jié)論.在SSW增溫過(guò)程中,平流層極渦會(huì)受到一個(gè)或兩個(gè)高壓系統(tǒng)的擾動(dòng),當(dāng)只有一個(gè)高壓系統(tǒng)向極地作用時(shí),極渦被推擠離開(kāi)極地;而如果有兩個(gè)高壓系統(tǒng)同時(shí)向極地作用,則當(dāng)它們連接時(shí)極渦被切斷、分裂.分析表明平流層中高壓系統(tǒng)的形成、發(fā)展和向極移動(dòng)都與對(duì)流層中阻塞高壓的活動(dòng)密切聯(lián)系.在極渦分裂型SSW事件中我們進(jìn)一步分類(lèi)得到了2種增溫副型:歐亞-北美型(ENA)和大西洋-東亞型(AEA),ENA型增溫是指平流層極渦在兩個(gè)高壓系統(tǒng)的作用下分裂形成的兩個(gè)冷低壓中心分別位于歐亞和北美大陸,而AEA型是指極渦分裂后的兩個(gè)低壓中心分別位于大西洋和東亞地區(qū).根據(jù)合成分析的結(jié)果在ENA型SSW事件發(fā)生前在對(duì)流層的大西洋地區(qū)(0°~30°E)和阿留申群島(150°W~180°)存在著明顯的阻塞高壓活動(dòng),阻塞活動(dòng)向上、向極地的發(fā)展為平流層中擾動(dòng)極渦的高壓系統(tǒng)提供了能量;而在A(yíng)EA型SSW事件中,與平流層高壓系統(tǒng)活動(dòng)密切關(guān)聯(lián)的對(duì)流層阻塞高壓位于烏拉爾山地區(qū)(60°~90°E)和北美大陸西部(90°~120°W).類(lèi)似地在極渦偏移型增溫事件中進(jìn)一步分類(lèi)也得到了兩種增溫副型:阿留申侵入型(AI)和北美侵入型(NAI),AI型指的是平流層中的高壓系統(tǒng)從阿留申群島附近向極侵入,將極渦推擠至大西洋區(qū)域和歐洲西北部;而NAI型是指高壓系統(tǒng)從北美大陸西部進(jìn)入極地,將極渦推離極區(qū)至歐亞大陸的中西部.在A(yíng)I型的增溫事件初期,對(duì)應(yīng)的在對(duì)流層的阿留申群島附近有顯著的阻塞高壓形勢(shì)發(fā)展、增強(qiáng),為增溫過(guò)程中平流層中