（气象学专业论文）北半球冬季阻塞环流的气候特征及其与nao的关系.pdf

北半球冬季阻塞环流的气候特征及其与n a o 的关系 摘要 这篇论文主要介绍两部分研究工作，一部分是5 0 年( 1 9 5 5 年- 2 0 0 4 年) 冬 季( d j f 岫北半球两大洋区域阻塞环流的气候特征及其原因的探讨：另一部分是研 究冬季( 1 9 5 5 年- 2 0 0 1 年) 北半球三个区域( 北大西洋、欧洲地区及北太平洋) 阻塞环流的变化与n a o 的关系。 大气阻塞是中高纬度大气环流低频变化的重要组成部分，历来就是气象学家 所关心的问题。观测表明，从整个北半球来说，阻塞在冬季活动最为频繁的三个 区域是太平洋、大西洋和欧洲地区。所以本文研究阻塞的空间位置主要是这三个 区域，另外因为本文是从气候学的角度对阻塞进行研究，时同则取的是从1 9 5 5 至2 0 0 4 年5 0 年冬季四个月( d j f m ) 。 本文第一项工作是利用5 0 年( 1 9 5 5 至2 0 0 4 年) n c e p - n c a r 日平均资料作了 一系列的分析，结果发现，大气斜压性的年代际变化对北太平洋和北大西洋阻塞 活动的年代际变化有重要影响。由于中纬度地区大尺度海气相互作用的影响，使 得大气的斜压性存在一个年代际的变化过程，从而使得大气阻塞环流也存在一个 年代际的变化过程。当西北太平洋和西北大西洋的大气斜压性呈现一个上升的趋 势时，东北太平洋和东北大西洋的阻塞频率呈现一个明显的下降趋势。 目前，北大西洋涛动( n a o ) 已经成为一个热点问题。从2 0 世纪8 0 年代以 后，n a o 已经由最初的负位相年逐渐变为现在的正位相年。n a o 和阻塞之间统计 和动力学关系的深刻认识对研究北大西洋地区的气候变化有重要意义。前人对 n a o 与阻塞的关系曾做过一些研究。本文的第二项工作，就是根据冬季( d j f m ) 平均n a o 指数，把1 9 5 5 2 0 0 1 年分为强n a o 年和弱n a o 年，分析了当n a o 不同位 相时，北太平洋，北大西洋和欧洲地区的阻塞发生频率和持续时间以及大气斜压 性的纬度分布，得到了一些新的结论。( i ) 强n a o 年，北大西洋阻塞在n a o 负位 相年发生频率要高的多，持续的时间也要长的多；欧洲地区阻塞在n a o 正位相发 生频率更高，持续时间更长；北太平洋情况稍微复杂一些，在n a o 负位相发生频 率明显更高，但是从平均持续时间来看，则在n a o 正位相阻塞的平均持续时间要 明显更长。( 2 ) 弱n a o 年对阻塞环流的影响不如强n a o 年显著。北大西洋阻塞在 n a o - 】发生频率更高， n a o _ 和 n a o + 的平均持续时间相差不太大；欧洲地区阻 塞在 n a o + 发生频率稍高，持续时间稍长；北太平洋 n a o + 和 n a o 一 的发生频率 相同，但是 n a 沪 阻塞的平均持续时间更长。 通过分析北大西洋、欧洲和北太平洋三个区域强( 弱) n a o 正负位相对流层 平均斜压性随纬度的交化，我们发现对流层平均斜压性与阻塞的发生存在较好的 一致性，斜压性通过影响天气尺度波的活动，从而影响阻塞的发生频率和持续时 间，是阻塞变化的一个重要因素。 对于北半球阻塞环流气候特征的研究，本文只是做了一些初步的、浅显的探 讨，还有很多问题需要进行更深入的研究。 关键词：阻塞环流；大气斜压性；北大西洋涛动( n a o ) ；气候特征 c ii m a t i 0c h a r a c t e r is t i c so ft h en o r t hh e m is p h e r e b i o c k i n g si nw i n t e r t i m ea n dt h er e i a t i o n s h i pw i t hn o r t h a t f a n t i co s c ili a t i o n ( n a o ) a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c et w op a r t so f r e s e a r c h e s ：t h ef i r s tp a r ti si n v e s t i g a t i n g t h ed e c a d a lv a r i a b i l i t yo ft h ew i n t e r t i m e ( d j f m ) b l o c k i n g si nt h en o r t ha t l a n t i ca n d n o r t hp a c i f i co c e a t l si nt h ey e a r s1 9 5 5 2 0 0 4a n dt h er e a s o n s ；t h es e c o n dp a r ti s i n v e s t i g a t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew i n t e r t i m e ( d j f m ) b l o c k i n g sa n dn o r t h a t l a n t i co s c i l l a t i o n ( n a o ) i nt h r e er e g i o n s ( r l ，e u ra n dp a c ) i nt h ey e a r s 1 9 5 5 2 0 0 1 t h eb l o c k i n gi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h el o w - f r e q u e n c ya n o m a l i e si nt h e a t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n i nm i d - l a t i t u d e m e t e o r o l o g i s t sh a v er e g a r d e di ta sa n i m p o r t a n tp r o b l e ms i n c el o n ga g o f r o mo b s e r v a t i o n s ，i th a sb e e ni n d i c a t e dt h a tt h e w i n t e r t i m eb l o c k i n g sa p p e a rm o s tf r e q u e n t l yi nt h r e er e g i o n s ：t h ea t l a n t i co c e a n ， e t l r o p e ，t h ep a c i f i co c e a ni nt h en o r t hh e m i s p h e r e t h e r e f o r ei nt h i sp a p e r , w ef o c u s t h es p a t i a la r e ao ft h eb l o c k i n gi nt h et h r e er e g i o n s 。a n db e c a u s ew ei n v e s t i g a t ei t f r o mc l i m a t o l o g i cv i e w p o i n t , s ot h et e m p o r a ls c a l ei st h e5 0w i n t e r s ( d j f m ) f r o m 1 9 5 5t o2 0 0 4 i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , w ea n a l y z et h eb a r o c l i n i c i t ya n db l o c k i n g si nt h e n o r t hp a c i f i ca n dn o r t ha t l a n t i cb a s e do nd a i l ym e a nn c e p - n c a rr e a n a l y s i s ，a n d f o u n dt h a tt h ed e c a d a lv k i a b i l i t yo fb a r o c l i n i c i t yi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ed e c a d a l v a r i a b i l i t yo fb l o c k i n g si nt h en o r t hp a c i f i ca n dn o r t ha t l a n t i c a sar e s u l to ft h e l a r g ea t m o s p h e r e - o c e a nc o u p l i n gi nt h em i d - l a t i t u d e s ，t h eb a r o c l i n i c i t ye x h i b i t sa d e c a d a lv a r i a b i l i t y ，t h e nt h eb l o c k i n g se x h i b i t sad e c a d a lv a r i a b i l i t yl i k e w i s e i ti s f o u n dt h a tt h eb l o c k i n ga c t i v i t yc a ne x h i b i t sar e m a r k a b l el i n e a rd o w n w a r dt r e n d w h e nt h eb a r o c l i n i c i t yu p s t r e a me x h i b i t sal i n e a ru p w a r dt r e n d a tp r e s e n t , n o r t ha t l a m i eo s c i l l a t i o n ( n a o ) h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n t p r o b l e m t h en a o h a sc h a n g e di t sp h a s em a i n l yf r o mt h en e g a t i v ep h a s et ot h e p o s i t i v ep h a s es i n c e1 9 8 0 s i ti ss i g n i f i c a t i v et oi n v e s t i g a t et h es t a t i s t i c a la n dk i n e t i c r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nn a o a n db l o c k i n g s s o m er e s e a r c h e sh a di n v e s t i g a t e dt h e d e c a d a lv a r i a b i l i v yo fb l o c k i n g sd u r i n gt h ed i f f e r e n tp h a s e so fn a ob e f o r e i nt h e s e c o n dp a r to fm yr e s e a r c h ，b a s e do nt h ed a i l yn a oi n d e x ，i n v e s t i g a t i n gt h ed e c a d a l v a r i a b i l i t yo fb l o c k i n g sa n db a r o c l i n i c i t yi nt h en o r t ha t l a n t i c ，e u r o p e ，t h en o r t h p a c i f i cr e g i o n sd u r i n gt h ed i f f e r e n tp h a s e so fn a o ，t h r o u g hs e p a r a t i n gt h ey e a r s ( 1 9 5 5 - 2 0 0 1 ) i n t ot h r e ek i n d s ：t h es t r o n gn a oy e a r s ，t h en o r m a ln a oy e a r s ，t h ew e a k n a oy e a r s t h e r ea r es o m en e wr e s u l t s ，( 1 ) s t r o n gn a oy e a r s ，t h e r ea r em o r e b l o c k i n gd a y sa n dt h ea v e r a g el e n g t ho fb l o c k i n gi sl o n g e ri nn a 0 - i nt h en o r t h a t l a n t i co c e a n ；o t h e r w i s e ，t h e r ea r em o r eb l o c k i n gd a y sa n dt h ea v e r a g el e n g t ho f b l o c k i n gi sl o n g e ri nn a o + i ne u r o p e ；t h ed e e a d a lv a r i a b i l i t yo fb l o c k i n gi sm u c h m o r ec o m p l e xi nt h en o r t hp a c i f i co c e a n ，t h e r ea r em o r eb l o c k i n gd a y si nn a o - ，b u t t h ea v e r a g el e n g t ho fb l o c k i n gi sl o n g e ri nn a o + ( 2 ) w e a kn a o y e a r s ，t h e r ea r e m o r eb l o c k i n gd a y si nn a o - i nt h en o r t ha t l a n t i co c e a n ，b u ta n dt h ea v e r a g el e n g t h o fb l o c k i n gi sn o tm u c ht h es a m ei nb o t hn a o - a n dn a o + ，i ti sab i tl o n g e ri n n a o + ；t h e r ea r em o r eb l o c k i n gd a y sa n dt h ea v e r a g el e n g t ho fb l o c k i n gi sl o n g e ri n n a o + i ne u r o p e ；t h ef r e q u e n c yi sm u c ht h es a m ei nb o t hn a o a n dn a o + ，b u tt h e a v e r a g el e n g t ho fb l o c k i n gi sl o n g e ri nn a o - w ea n a l y z et h ea v e r a g eb a r o c l i n i c i t yi n t h et r o p o s p h e r ei nt h et h r e er e g i o n si nd i f f e r e n tn a oy e a r s ，a n df o u n dt h ev a r i e t yo f b a r o c l i n i c i t yi sc o r r e s p o n dw i t ht h ev a r i a b i l i t yo fb l o c k i n g ，t h es y n o p t i cw a v e si s a s s o c i a t e dw i t ht h eb a r o c l i n i c i t ya n dt h e na f f e c tt h ed e c a d a lv a r i a b i l i t yo fb l o c k i n g s b a r o c l i n i c i t yi sa l li m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c t st h ed e c a d a lv a r i a b i l i t yo f b l o c k i n g s h o w e v e r , i tj u s tm a d ea ne l e m e n t a r yr e s e a r c hi nt h i sp a p e r , t h e r ea r em a n y q u e s t i o n sn e e dt ob ef u r t h e rs t u d i e d k e yw o r d s ：b l o c k i n gc i r c u l a t i o n 。b a r o c ii n i c i t y t h en o r t ha t l a n t i c o s c ii i a t ；0 1 1 c ii m a t i cc h a r a c t e r i s t i c s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 l 注! 地遗直墓丝霞蔓挂鄹童盟笪! 奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作，明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：7 s 家签字f 1 期：知6 年f 月j f 1 学位论文版权使用授权书 本。学佗论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保尉j 向闻家f j 笑部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。奉人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，r 以采用 影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：- f i 寒导师签字 签字i f l 期：知嘭年f 月f 同 学位论文作者毕业后去向：蹴 工作单位：浙江缅涩一书气象局 电话： 邮编 北平球冬季阻塞环流的气候特杼及其与n a o 的关系 第一章绪论 1 1 国内外阻塞的研究现状回顾 1 1 1 引言 阻塞环流是中高纬度地区大气环流持续性异常现象的主要代表之一，自上 个世纪初( 甚至更早) 以来一直受到国内外专家学者的关注。由于阻塞具有振 幅大，持续时间长的特点，并且它的建立和崩溃往往伴随着一次大范围环流型 的调整，因此阻塞的形成、维持和崩溃常常会产生大范围天气和短期气候的异 常。在亚洲地区，乌拉尔山阻塞高压的崩溃经常在东亚造成大范围的寒潮，而 鄂霍兹克海阻塞高压的维持是我国梅雨发生的重要的大尺度环流条件。因而阻 塞形势的建立、维持和崩溃对我国的天气和气候有十分重要的作用( 汤懋苍， 1 9 5 7 ；晁淑懿和佟光，1 9 9 1 ；毕慕莹和丁一汇，1 9 9 2 ；张培忠和杨素兰，1 9 9 7 ) 。 我国气象工作者很早就注意阻塞形势的研究，如周晓平( 1 9 5 7 ) 、叶笃正( 1 9 6 1 ， 1 9 6 2 ) 等，后来赵汉光和陈雪珍( 1 9 9 0 ) 、陆维松( 1 9 9 1 ) 、吴国雄( 1 9 9 4 ) 、罗 德海( 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 和陆日宇( 2 0 0 1 ) 等也先后进行了阻塞的研 究。在美洲，阻塞高压对北美的天气影响也十分大。每当阻塞高压在美国西岸 形成时，来自太平洋的暖湿气流流向北，在美国西部一些州引起干旱和极区的 高温，而反气旋气流又使极地冷空气流到南方引起严重灾害。从动力学角度来 看，当阻塞形势盛行时，大尺度气团和热量的经向交换也最为盛行，在欧洲和 东大西洋，阻塞对欧洲天气和气旋路径也有重要的影响。 因此，阻塞形势的建立、维持和崩溃的研究一直是大气动力学的核心问题， 也是中期预报的关键问题之一，它的研究愧况对区域性中期天气和短期气候趋 势预报具有重要意义。 1 1 2 阻塞的定义及特征 大气阻塞是中高纬度最重要的气候异常现象之一。实际大气中的阻塞环流 可分为阻塞高压( 单极子阻塞) 和偶极子阻塞( 如图1 1 和图1 2 所示) 。阻塞 的发生通常伴随着西风带的突然崩溃，基本西风气流出现南北分支，天气尺度 北半球冬季m 塞环流的气候特征搜其与n a o 的关系 波沿阻塞环流的北面和南面偏离等。 从e l l i o t t 和s m i t h ( 1 9 4 9 ) 第一次提出阻塞的定义以来，有很多学者进行 过阻塞标准的提出及修正，但是目日p 对于阻塞还没有形成一个统一而完整的定 义。大致包括以下一些常用的阻塞定义。 ( 1 ) 利用天气图定义阻塞 r e x ( 1 9 5 0 ) 提出利用5 0 0 百帕高度场定义阻塞，一个阻塞事件一般表现出 以下特征：基本西风气流分为两支；这种双支结构必须东西跨度在4 5 个经距以 上；基本气流由上游的纬向型急剧转化为下游的经向型；持续时间至少不少于 1 0 天。这种定义得到了认可，并得以广泛的应用。以后t r e i d l ( 1 9 8 1 ) 也提出 类似的定义，并作出了相应的改变，如：高压中心位于3 0 0 n 以北，持续时间至 少不少于5 天。对于阻塞高压持续天数的下限，各人定义很不相同。 图1 1 和图1 2 是s h u t t s ( 1 9 8 6 ) 给出的两类阻塞的特征图。其中图1 1 表示 1 9 6 3 年1 月一个5 0 0 百帕高度场阻塞高压的特征图。可以从图上看出大气阻塞 的一些基本特征：基本气流分为两支，气流纬向型急剧转化为经向型，出现一 个阻塞高压。图上红阴影区表示风速大。等高线密集，蓝色阴影区表示风速小， 也就是阻塞高压区的风速很小，高压南面的风速比北面的风速大，分支点附近 的风速最大。 图1 2 表示1 9 8 3 年2 月1 5 日发生的一个偶极子阻塞，( a ) 海平面气压场； ( b ) 5 0 0 百帕高度场，从5 0 0 百帕高度场可以看出偶极子阻塞由一个阻塞高压和 一个切断低压组成，其中北面为一个阻塞高压，南面为一个切断低压。对应的 海平面气压场上也出现了一个冷高压。 图1 3 表示北半球阻塞发生的季节性和区域性分布特征。很明显，北半球 的大气阻塞四季皆有发生，且以冬季为最多，主要发生在北大西洋，北太平洋 和欧亚地区。 ( 2 ) 根据距平大小和持续时间的客观标准来定义 首先由e l l i o t t 和s m i t h ( 1 9 4 9 ) 根据气压场的距平大小和持续时间来定义 的，之后又由海平面气压场上的距平延伸到上层位势高度场上的距平，但是各 个人之间的定义也有所不同。h a r t m a n 和g h a n ( 1 9 8 0 ) 利用5 0 0 百帕位势高度 超过某个区域平均值一个特定的量值来定义。 北半球冬季阻寒环流的气候特征及j e 与n a o 的关系 d o l e ( 1 9 8 3 ) 提出利用位势高度场上的多年平均季节气候趋势的距平来界 定( s h u k l a 和m o ，1 9 8 3 ) 。k a a s 等( 1 9 9 3 ) 利用某点涡动场的地转经向风速在 d 范围西边大于v ，而在其东边小于- v 来判断一个阻塞日。 ( 3 ) 根据西风( 或东风) 指数来定义 这种识别阻塞的客观标准首先f l q l e j e n a s 和o k l a n d ( 1 9 8 3 ) 提出的。根据中纬 度低西风指数与阻塞之间的关系，使用南北位势高度梯度来计算，分别选择的是 5 0 0 百帕高度场上4 0 0 n 和6 0 0 n 。 即l o ( a ) = z 4 俨n ( a ) 一z 咿n ( ，l 0 0 ) 就表示在经度五处的指数。 lo(2-10。)+lo(2)+lo(2+10。)o 3 当某一经度上3 0 0 范围内的平均l o ( , t ) ( 如上式) 持续为负值，且时间最少 为5 天时，则认为是一个阻塞事件。 t i b a l d i 和m o l t e n i ( 1 9 9 0 ) 幂u 用每日5 0 0 百帕位势高度场，在此基础上，为保证 阻塞向极有平均西风，且排除切断低压的可能性，又增加了新的标准，确保阻塞 北部的平均西风流不少于8 m s ，同时允许阻塞纬度有变化。 g h g n ：墨! 墨：盎2 二三! 垄：查! g h g s ：圣竺! 盘2 二至! 生：盘2 式一九 磊一九 氐= 7 0 0 0 n + a ，磊= 6 0 0 0 n + a ，戎= 4 0 0 0 n + a a = 一3 7 5 00 0 03 7 5 0 当至少三个连续的经度( 1 1 2 5 0 ) 满足g h g n 0 ， 且时间不少于5 天时，可以认为是一个阻塞事件。 a n d e r s o n ( 1 9 9 3 ) 利用每个经度的流函数定义了东风流强度，并把其与阻 塞联系起来。 ( 4 ) d i a o l i l u o 阻塞新指数( d i a o e ta 1 2 0 0 6 ) 该指数是基于西风指数( r o s s b y ，1 9 3 9 ；r o s s b y 和w i l i e r ，1 9 4 8 ；n a m i a s ， 1 9 5 0 ) 的阻塞指数l o 指数( l e j e n a s 和o k l a n d ，1 9 8 3 ) ，t m 指数( t i b a l d i 和m o l t e n i ，1 9 9 0 ) 等的一个发展。新的指数借助于一个参考纬度，反映中高纬 度环流异常和调整。指数定义如下： 北半球冬季阻寨环流的气候特征及其与n a o 的关系 n i = 以名，仍) 一厅，妒l 9 0 0 n 2 缈织， 3 6 0 。之旯0 0 矗( 旯，妒) 是等压面高度，随纬度p 变化，纯是参考纬度。根据指数的定义， 参考纬度仍应该是阻塞高压南侧位势高度的最低点。 该指数能反映阻塞的发生、地理位置、强度和持续时间，更加合理的反映 了阻塞的活动特征。 本文研究阻塞的过程中，主要是在前人( r e x ，1 9 5 0 ；l e j e n a s 和o k l a n d ， 1 9 8 3 ；l u p o 和s m i t h ，1 9 9 5 a ，1 9 9 5 b ；w i e d e n m a n ne ta 1 ，2 0 0 2 ) 的阻塞定义的 基础上，结合每日5 0 0 百帕高度场图来判断阻塞。以下章节将会详细介绍。 1 1 3 阻塞观测事实的研究 e l l i o t 和s m i t h ( 1 9 4 9 ) 最先对北半球西风带阻塞活动作了系统的统计研究。 他们发现，中太平洋阻塞事件出现的数目是东北大西洋的两倍，中太平洋阻塞 事件出现的总天数是东北大西洋的四倍。 后来r e x ( 1 9 5 0 a ，b ) 利用1 9 年( 1 9 3 2 1 9 5 0 ) 高空和地面资料研究了阻 塞形势的统计特征，并指出阻塞活动经常出现在下面两个地区：大西洋阻塞出 现在6 0 0 w 一2 0 0 e ，太平洋阻塞出现在1 8 0 1 2 0 0 w 。大西洋阻塞共出现8 2 次， 太平洋阻塞共出现3 0 次，其中4 5 月出现的百分比最大，太平洋占2 3 ，大西 洋占4 0 。8 - 9 月最小，太平洋夏季的最小值为零，大西洋夏季最小值为1 5 。 各种阻塞个例的平均持续期为1 6 6 天。由上面的统计分析可见，e l l i o t t 和s m i t h 与r e x 的结果是不一致的。前者指出太平洋阻塞活动较频繁，而r e x 则认为大 西洋活动较频繁。造成这种差异的主要原因可能是确定阻塞过程和其持续天气 的标准不同。这说明阻塞的确定是一个困难的问题。 s u m n e r ( 1 9 5 4 ) 用完全主观的办法确定阻塞过程并研究了北半球大西洋一 欧洲部分阻塞的地理分布和季节变化，他发现阻塞在5 月最频繁，7 月最少， 1 1 月为次大值。 w h i t e 和c l a r k ( 1 9 7 5 ) 分析了1 9 5 0 - 1 9 7 0 年北半球海平面气压和7 0 0 百帕 4 北半球冬手阻塞环漉的气候特符及其与n a o 的关系 位势高度月平均图，结果发现北太平洋阻塞活动的频数在秋冬季( 1 0 3 月) 最 大，春夏季最小，频数最大值出现在1 月。这个结论与r e x 的结论不一致，r e x 得到阻塞活动的最大频数在春季( 4 和5 月) ，最小值在夏末秋初( 8 和9 月) 。 t r e i d l ( 1 9 8 1 ) 采用1 9 4 5 - 1 9 7 7 年的资料对北半球发生的6 6 4 个阻塞个例进 行了统计分析。他的结论不仅确认了r e x 和s u m n e r 的结论，更进一步的研究 了阻塞的其他特征，例如：阻塞发生的主要纬度带是5 6 6 0 0 n ，纬度带仅在秋 天向南迁移到5 4 5 6 0 n ，阻塞基本在这个纬度带以南的区域消亡，8 5 的两个 地区同时发生阻塞的平均持续时间在1 6 8 天，并且在欧洲和北美最多，4 1 发 生在春天，2 9 发生在冬天。高纬度的阻塞比5 5 0 n 以南发生的阻塞更容易崩溃 和后退。 d o l e ( 1 9 8 2 ) 用1 4 个冬季5 0 0 百帕高度资料计算了持续的距平( p e r s i s t e n t a n o m a l y ) 的频数，他发现三个持续距平出现有利的地区：北太平洋，北大西洋 和苏联北部。 l e j e n a s 和o k l a n d ( 1 9 8 3 ) 用了1 9 5 0 1 9 7 9 三十年的资料研究了北半球阻塞 的特征，并提出了一种目f i 应用较为广泛的指数。可以用这种指数来进行计算 机编程，用计算机来判断阻塞。这无疑是对r e x 所定义的利用天气图来人为的 判断阻塞的方法更为客观一些。不过他所得到关于阻塞的一些特征与前人的研 究结果类似。阻塞依季节不同经常出现在西欧、太平洋的中部和西部。欧洲区 域阻塞发生最多的季节是冬季和春季，而太平洋地区最多的两个月是1 月和6 月；持续时间较短的阻塞事件通常向东移动，出现范围较零散，而生命期很长 个例通常向西移动，且一般集中出现在某些经度。 s h u l d a 和m o ( 1 9 8 3 ) 利用1 9 6 3 1 9 7 7 年1 5 年5 0 0 百帕高度场资料计算了 阻塞高压频率的季节变化和地理位置。结果发现阻塞发生频率最大的三个区域 是：太平洋至落基山西面，大西洋至阿尔卑斯山西面，以及乌拉尔山地区。这 三个区域阻塞的局地结构都比较相似，大西洋和太平洋阻塞发生频率的最大值 与e l l i o t t 和s m i t h ，r e x 的结果相同，乌拉尔地区附近的阻塞频率最大值也是在 夏季比较突出。 随着阻塞研究的进一步深入，国内外的专家和学者已经不仅仅局限于对阻 5 北半球冬季阻束环流的气候特征及其与n a o 的关系 塞基本特征的研究，丌始把阻塞与大气甚至海洋的其它大尺度现象联系起来， 试图进一步深入了解阻塞更本质的一些特征。 l u p oa n ds m i t h ( 1 9 9 5 a ) 用阻塞强度作为研究阻塞的标准分析了北半球阻塞 高压的气候变化，发现北半球阻塞高压最常出现在冬季的太平洋和大西洋，且 一般出现在主要风暴路径下游。 r e n w i e k 和w a l l a c e ( 1 9 9 6 ) 分析1 9 5 0 1 9 5 1 1 9 9 3 1 9 9 4 年4 4 年冬季( d j f ) 三个月5 0 0 百帕的高度场，对北太平洋阿拉斯加区域冬季阻塞与e 1n i o 和 p n a 遥相关型之间的关系进行了研究。他们发现白令海峡阻塞的发生不但与 p n a 的位相有关，而且更多的还受到e n s o 位相的影响。6 9 的阻塞发生在 e n s o 的冷位帽，3 1 的阻塞发生在e n s o 的暖位相。 s h a b b a r ( 2 0 0 1 ) 采用t m 9 0 研究了北大西洋冬季阻塞与n a o 之间的关系。 通过合成和线性回归的方法，发现北大西洋区域阻塞形成的频率与n a o 的位 相有关，6 7 的阻塞天数在n a o 的负位相年。而且阻塞事件的生成也与n a o 的位相有关，n a o 负位相时阻塞事件的平均持续时间是1 1 天，几乎是n a o 正 位相时( 6 天) 的两倍。他们认为n a o 位相影响阻塞可能与纬向不对称得热力 强迫有关，n a o 负位楣时，地面大气温度异常是典型的“暖大洋胯大陆”型，与 地形强迫共振有利于阻塞的发生和维持，反之，n a o 正位相时则不利于阻塞的 发生和维持。 c h e r t 和y o o n ( 2 0 0 2 ) 利用1 9 5 7 1 9 9 7 年的资料分析了北太平洋冬季阻塞的 年代际变化。结果表明p d o 对阻塞的发生频率有重要影响，这些影响包括阻塞 天数年代际的增加趋势和阻塞活动的向东移动。 w i e d c n m a n n 和l u p o ( 2 0 0 2 ) 利用阻塞的强度为诊断标准分析了北半球和 南半球3 0 年的阻塞事件，得到一些阻塞的气候学特征。他们发现在北( 南) 半 球持续时间最长、强度最大阻塞事件发生在冷的季节且出现在大西洋( 太平洋) 区域。并且他们的结果也进一步证明前人发现，例如北半球( 南半球) 阻塞在 h n i a ( e ln i o ) 年发生更频繁且强度更大。 b a r r i o p e d r o 等( 2 0 0 6 ) 采用了1 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年的资料对整个北半球阻塞的气 候学特征作了一个更为全面地研究。他依据阻塞发生的季节性对阻塞进行了新的 划分，大西洋( a t l ) 、欧洲( e u p ) 、西太平洋( w p a ) 和东太平洋( e p a ) 6 北半球冬季阻搴环流的气候特征及其与n a o 的关系 四个区域，分析了阻塞与很多遥相关型( t c p s ) 之间的关系。他发现持续时间 较长且强度较大的阻塞常发生在海洋区域的冷的季节，而在大陆上则多见于暖的 季节；t c p s 对阻塞的发生起的作用很小，而且对阻塞频率的影响一般只局限于 冬季( 除了w p a 在春季存在强信号) 。在冬季，阻塞的频率一般只与某一种主 要的t c p 有关，他在a t l 区域得到的结果- 与s h a b b a r ( 2 0 0 1 ) 的结果类似。但是 e n s o 对阻塞的影响只体现在强度和发生的位置上，对阻塞的发生频率影响较小 ( 这一点与r e n w i c k 和w a l l a c e ，1 9 9 6 的结果不一样) 。文中还用- f c h a m e y 和 d e v o r e ( 1 9 7 9 ) 提出的概念模型验证了阻塞和局地遥相关型之问的动力学关系， 发现在冬季存在典型的“暖大洋冷大陆”的有利于阻塞发生的模型，但是不包括 w p a 区域。w p a 区域可能存在其它的动力学原因。 阻塞的研究对中纬度的中期天气预报有很重要的作用( s h u k l a a n d m o ，1 9 8 3 ； t r a c t o n ，1 9 9 0 ) 。 1 1 4 阻塞动力学理论的研究 随着人们对阻塞形势及过程的了解，阻塞的动力学研究也就自然变得尤为重 要。阻塞动力学机制的研究对于我们深入理解和预报阻塞过程及持续异常天气 ( 气候) 有重要意义。国内外学者提出了不少理论柬解释阻塞高压的生成和发展。 但是关于阻塞形成的机制目前并没有一致的看法。 前人关于阻塞高压发展和维持的理论总的说来可以分为三类；第一类是依靠 运动尺度间的正压相互作用使高压系统增幅和维持。这里面包括多平衡理论和共 振理论等；第二类是强调热力作用在产生阻塞高压的大尺度振幅和维持中的重要 性。第三类是较小尺度波动或涡动( 或次网格尺度运动) 对阻塞高压的发展作用。 e a g e r ( 1 9 7 8 ) 着重试验在地形强迫作用下，波与波的非线性相互作用对阻 塞高压形成和维持的影响，他得到缓慢移动的自由波( 超长波) 和准静止的地形 强迫波非线性相互作用可以产生类似阻塞形势的分布。若自由波移动太快( 当万 或u 很大时) 就不会出现阻塞。t u n ga n dl i n d z e n ( 1 9 7 9 ) 提出了地形强迫作用下 阻塞形成的线性共振理论，他们认为当基本西风达到一定的临界值时，自由传播 的行波相对于地形强迫变为静止，其位相与地形强迫波一致，同时其垂直结构也 同强迫波相同，这时移动波将与地形强迫波发生共振，并激发大振幅的阻塞波。 北半球冬季阻塞环流的气戗特征及其与n a o 的关系 共振理论的实质是要求大气中有一种纬向平均的风分布，它可以使自由波变为静 止。在这些条件下，只要有适度的静止强迫( 可由地形和海陆差异引起) ，就会 使自由波发生共振，达到很大的振幅以影响外界的强迫。 c h a r n e y a n dd e v o r e ( 1 9 7 9 ) 提出用多平衡态来解释阻塞高压的生成。他们 认为天气型的持续和重复不一定是由于单个大尺度平衡运动与较小尺度的不稳 定流动的相互作用的结果，而是大气定常状态或振荡状态多重性的一种表现。可 以通过较小尺度的不稳定使一个平衡态向另一个平衡态转变。他们用正压通道模 式( 包括地形和热力作用所引起的扰动) 研究并描述了波扰动与纬向平均气流之 间互相调整的非线性系统，发现在地形强迫的情况下，可强迫产生具有不同特征 的两个平衡态，一个是低指数环流，有着较强的波动分量和较弱的接近线性共振 的纬圈气流；另一个是高指数环流，有着较弱的波动分量和相当强的远离线性共 振的纬圈气流。在他们看来，阻塞现象是一种低指数的近共振特征的准稳定平衡 态。朱正心和朱抱真( 1 9 8 2 ) 发现由热力作用也可以得到多平衡态，低指数平衡 态具有阻塞形势的特征。他们指出纬向加热差异必须超过某一临界值才有可能出 现阻塞高压。当纬向加热差异的强度减小到某一临界值或更小一些时，原先维持 着的阻塞形势会很快崩溃。 由于典型的阻塞流型是大尺度的，因而前面提到的阻塞理论只注重阻塞的大 尺度动力学，而没有考虑天气尺度波的影响。后来陆续有人也开始研究指出，天 气尺度波涡动对大尺度阻塞有明显的强迫作用。 h a n s e n 和c h e n ( 1 9 8 2 ) 对阻塞形势中的气旋尺度波和超长波之间能量输送和 转换的个例作了分析，他们指出在斜压气旋尺度波动向正压超长波动有较强的能 量输送，特别是在大西洋阻塞环流中，这种能量输送过程可认为是强气旋的发展 启动阻塞过程的重要例证。s h u t t s ( 1 9 8 6 ) 对北大西洋阻塞期间的涡动强迫作了个 例分析。发现涡动强迫对于阻塞形势的建立和维持是非常重要的。 但遗憾的是前人提出的阻塞理论都只从一个方面去解释阻塞形势，或多或少 地忽视了其他因素在阻塞过程中的影响，而且有些理论只适用于阻塞形势的某一 个过程，无法解释整个阻塞的生命过程。 因此，罗德海和纪立人( 1 9 8 8 ，1 9 8 9 ，1 9 9 0 ) 在国际上最先提出了阻塞形成 的包络r o s s b y 孤立子理论，但是由于未考虑天气尺度波的强迫作用，所以未能揭 8 北半球冬季阻塞环流的气候特征及其与n a o 的关系 示阻塞的整个生命循环。 近年来，罗德海( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 考虑了天气尺度波的强迫作用，进一 步揭示了天气尺度波在整个阻塞生命循环过程中对阻塞的强迫作用，并且揭示了 行星尺度波对天气尺度存在反馈作用，从而能使天气尺度波分为南北两支，较好 地解释了整个阻塞的生命循环过程。 最近，l u o ( 2 0 0 5 a ，b ，c ，d ) 又进一步完善了天气尺度波强迫的包络r o s s b y 孤立子理论，他在相当正压的通道中采用一个新的强迫包络孤立子模型，从四 个方面全面地揭示了阻塞发生、维持和消亡的过程，其中包括：地形的作用( l u o ， 2 0 0 5 a ) 、西移的行星尺度波的作用( l u o ，2 0 0 5 b ) 、孤立阻塞与变形涡动之间的 波数守恒定理( l u o ，2 0 0 5 e ) 以及阻塞活动与切变环境之间的关系( l u o ，2 0 0 5 d ) 等。 除此之外，l u o ( 2 0 0 5 e ) 分析了不均匀斜压环境中包络孤立偶极子阻塞和天 气尺度波之问的相互作用。在理论上发现在孤立偶极子阻塞与天气尺度波相互作 用的过程中不均匀斜压环境起重要作用。他指出上游强斜压性能通过天气尺度波 的激发加强孤立偶极子结构，并且当最大斜压性的位置在分支气流上游一定范围 内能延长阻塞的生命周期。但是强度过强，位置太近的斜压性会抑制偶极子阻塞 的发展。 l u o ( 2 0 0 5 f ) 用包络孤立子阻塞和天气尺度相互作用的模型，从理论上进一 步研究t n a o 负位相北大西洋阻塞发生频率高、持续时间长的原因。 可以说，l u o 最新提出的正压包络r o s s b y 孤立子理论较全面地揭示了阻塞形 成、发展、崩溃的全过程，不但揭示了天气尺度波对阻塞的强迫作用，而且还揭 示了行星尺度波对