北大西洋涛动—欧洲阻塞及其对极端暴雪影响的研究进展
姚遥1, 罗德海1,2
1.中国科学院大气物理研究所,东亚区域气候—环境重点实验室, 北京 100029
2.海洋科学与技术青岛协同创新中心,中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100

作者简介:姚遥(1985-),男,山东泰安人,助理研究员,主要从事气候动力与极端气候研究.E-mail:yaoyao@tea.ac.cn

摘要

北大西洋涛动(NAO)和阻塞等大气大尺度低频模态对北半球天气气候起着重要的调控作用。首先回顾了NAO年代际变率物理机制的研究进展,并从季节内尺度NAO位相转换的角度讨论了其对NAO年代际变率的影响。介绍了NAO与阻塞时空关系的研究进展,讨论了年代际NAO变率对阻塞时空分布的可能影响。另外,以2次极端暴雪天气事件为例,从观测事实方面讨论了NAO和阻塞对极端暴雪天气的影响机制,同时从理论模型方面部分解释了其可能的物理机制。总结了有关NAO和阻塞理论模式的研究进展,介绍了非线性多尺度相互作用模型的发展过程和应用。最后,基于对以上研究进展的总结,给出了NAO-阻塞—极端暴雪天气的机制示意图,概括部分研究的特点和不同之处,并提出了该领域有待解决的几个问题和未来可能的研究方向,为相关的研究提供参考。

关键词: 北大西洋涛动(NAO); 欧洲阻塞; 变率; 极端暴雪; 理论模型
中图分类号:P426.63+4 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)06-0581-14
The North Atlantic Oscillation (NAO) and Europe Blocking and Their Impacts on Extreme Snowstorms: A Review
Yao Yao1, Luo Dehai1,2
1.Key Laboratory of Regional Climate-Environment for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2.Qingdao Collaborative Innovation Center of Marine Science and Technology, Key Laboratory of Physical Oceanography, MOE, Ocean University of China, Qingdao 266100,China

First author:Yao Yao(1985-), male, Tai’an City, Shandong Province, Research Assistant. Research areas include climate dynamic and extreme climate.E-mail:yaoyao@tea.ac.cn

Abstract

Large-scale, low frequency modes such as the North Atlantic Oscillation(NAO)and blocking, have an important modulation on the northern hemisphere weather and climate. In this paper, the physical mechanism studies on inter-decadal and decadal variability of NAO and blocking were summarized. The relationship between NAO regime transitions and the interannual variability of NAO in winter during was examined by using a statistical approach. The time-space relationship between NAO and European blocking were discussed. Based on two extreme cold and snowstorm events, the impacts on local weather especially the extreme events within the life cycle (two weeks) of the NAO and blocking were further examined. It was found that the frequently occurrence of the Eurasian extreme snowstorm was closely related to the special combination of NAO and blocking regime. In addition, the development of theoretical modes for NAO and blocking was discussed and issues that remain to be solved were proposed.

Keyword: North Atlantic Oscillation (NAO); Europe blocking; Variability; Extreme snowstorms; Theoretical model.
1 引 言

在过去几十年中, 暴雪、高温、干旱、洪涝等灾害性极端天气事件频发, 人类正面临空前的生存环境危机[1, 2]。北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)和阻塞等大尺度低频模态作为北半球中高纬地区大气环流变化中的重要组成部分, 一直以来备受学者关注。NAO和欧洲阻塞对局地乃至整个北半球的天气和气候都具有很重要的调控作用[1, 3]。研究表明, 局地地区的天气异常往往与阻塞活动有密切关系[2, 4, 5]。高纬度地区大范围的极端高温事件通常会伴随着阻塞环流[6]。同时, NAO环流的异常也会给局地地区带来极冷和暴雪天气过程[7, 8], 甚至会引发中国南方地区的冬季暴雨[9]并引起持续性低温雨雪冰冻灾害[10, 11]

NAO是具有准2周生命周期的大尺度环流[12], 阻塞的生命周期也维持在准1~2周尺度上[13], 因此NAO与阻塞尤其是欧洲阻塞对欧亚地区天气气候具有显著的准2周时间尺度内的调控作用。而目前关于NAO和阻塞的大部分研究都集中在月平均或者年平均尺度上[14, 15]。最近的研究[16]通过分析NAO和阻塞生命周期尺度内的时空变异, 得到了一些新的结论, 并通过划分NAO事件类别, 找出了一些不同的研究切入点。此外, 由于近十几年极端暴雪天气发生频率升高, NAO与欧洲阻塞对局地极端天气气候的影响机制也是近年来的研究热点。研究表明[2, 3, 6, 8], 极端天气气候事件的发生往往与中高纬度地区的大尺度低频环流(阻塞、NAO等)的异常有关。

本文将综述该领域的最新研究进展, 首先回顾NAO与阻塞年代际变率以及两者时空关系的研究进展。另外, 以2个极端暴雪天气事件为例, 分析了NAO和阻塞对欧亚极端暴雪天气的影响机制, 最后总结了NAO和阻塞理论机制方面的研究进展并作出展望, 提出了几个亟待解决的问题, 希望为研究者提供一些有价值的参考。

2 北大西洋涛动年代际变化研究

NAO空间模态表现为典型的南北偶极子模态[1]图1a是冬季(11月至次年3月:NDJFM)季节平均的NAO指数与同期500 hPa位势高度距平场的回归模态, 可以看出这是典型的NAO正位相模态(NAO+); 反之, 当高纬度为正距平, 低纬度为负距平时, 是NAO负位相模态(NAO-)。作为北半球冬季最显著的低频变化模态, NAO事件一直处在正负位相交替变化过程中, 伴随着环流的大范围调整, 局地地区天气气候也会发生明显的反转变化。近十几年, 许多研究关注NAO空间模态的气候态向东漂移现象[17, 18], 发现NAO空间结构的向东漂移可能与外强迫如温室气体增加有关[19], 同时NAO位置的变化会对局地天气产生明显的影响。

NAO指数是描述NAO变化的定量指标, NAO指数有很多, 从最早的基于2个站点气压之差的NAO指数[20]到目前最为常用的基于旋转EOF的PC序列(PC NAO指数[21])。另外, 还有基于海平面气压场, 南北2个区域纬向平均之差建立的LW NAO指数[22]。研究表明, NAO指数具有明显的年际和年代际变化特征[1, 15]。具体表现为1960— 1970年以负指数为主转变为1980— 2000年以正指数为主的年代际变化; 虽然在1978— 2008年, NAO指数表现为以正指数为主, 但在1978— 1990年(P1阶段)指数呈现上升趋势, 而在1991— 2008年(P2阶段)为下降趋势[23]。许多研究表明, NAO的年代际变化可能与长期的外强迫变化有关, 如地表温度及太阳辐射等[24~26]。柴晶品等[27]分析表明NAO指数和北半球冬季阻塞活动之间存在显著的相关性。龚道溢等[28, 29]对NAO指数做了比较并总结了NAO年代际变率的研究进展。图1b描述的是1970— 2011年冬季NAO指数的年代际变化趋势。最近, 有研究[30~32]从季节内时间尺度NAO位相转换的角度, 解释了NAO指数P1阶段和P2阶段的相反的线性变化趋势, 提出了原地型NAO和位相转换型NAO的概念, 并依据此定义, 开展了一系列研究。

图1 NAO的空间结构和时间变化序列
(a)冬季(NDJFM)平均NAO指数与北半球500 hPa位势高度距平场回归所得空间分布(单位:gpm), 是从20° N开始绘制, 纬度线间隔为5° ; (b)1970— 2011年对应的PC标准化(std dev)冬季(NDJFM)年平均NAO指数(据参考文献[38]修改)其中 P1代表1978— 1994年, P2代表1995— 2011年, 红色直线代表2个阶段的线性趋势线, 黑色虚线代表2次5点平滑曲线
Fig.1 The NAO pattern and its time series
(a)NAO pattern obtained by applying the winter monthly NAO index regression onto the 500 hPa geopotential height (unit: gpm) anomalies, the latitude lines are at 5 degree intervals starting with 20° N at the edges in (a); (b) Time series of normalized winter-mean NAO index obtained from PC for five months from November to March (NDJFM) from 1970 to 2011 (modified after reference[38]), P1 represents 1978-1994 and P2 represents 1995-2011, the red line represents the linear trend for P1 and P2

传统的NAO位相分为NAO-和NAO+, 但在深入研究NAO事件过程中发现, 这种正负位相的分类方法已经不能全面细致地描述NAO事件准2周生命周期的复杂变化过程, 尤其是具有位相转换(Regime transition)过程的NAO事件。因此, 在最近的研究[30]中, 提出了原地型NAO事件(In-situ NAO)和位相转换型NAO事件(Transition NAO)。并根据所挑选出的NAO事件, 分析了NAO位相转换与1978— 2011年NAO指数年代际线性趋势反转之间的关系。研究发现, P1阶段和P2阶段的NAO位相转换事件频率存在显著差异, P1阶段的NAO-转NAO+事件的频率基本上是NAO+转NAO-事件频率的2倍, 而P2阶段的NAO+转NAO-事件频率则是NAO-转NAO+事件频率的2倍。通过对P1阶段以及排除位相转换型NAO事件的P1阶段分别进行聚类分析, 对比发现NAO+的模态信号会因NAO-转NAO+事件的存在而加强。同样的, 对P2阶段采取排除位相转换型NAO事件进行聚类对比分析, 发现NAO-的模态信号也会因NAO+转NAO-事件的存在而加强。研究还发现, 位相转换型NAO事件的发生会引起NAO位置的东移。因此, 冬季NAO指数在P1阶段和P2阶段线性趋势的反转变化, 与季节内尺度的NAO-转NAO+和NAO+转NAO-事件的发生频率有关。NAO-转NAO+(NAO+转NAO-)事件的频发会引起P1(P2)阶段NAO指数的升高(下降)[31]。与以往的研究不同的是, 位相转换事件的引入, 从一个新的角度解释了NAO指数年代际线性趋势差异的原因。

Luo等[32]进一步研究了NAO位相转换过程的动力机制问题, 利用大西洋脊(Atlantic Ridge, AR)和斯堪的纳维亚阻塞(Scandinavian Blocking, SBL)指数, 建立了其与NAO位相转换之间的联系。合成分析结果表明, AR强的冬季, NAO-事件更容易转换为NAO+事件; SBL频发的冬季, NAO+事件更容易转换为NAO-事件。NAO位相在转换过程中, AR和SBL模态可以起到一个衔接作用。另外, 研究还发现, 大西洋上游风暴轴的加强和斜压纬向风的减弱对NAO位相转换有非常重要的调控作用[32]。尽管Luo等[31, 32]的研究, 从NAO位相转换的角度解释了1978— 2011年NAO指数的年际变化趋势, 并解释了其物理机制过程。但是, NAO与阻塞作为北半球最重要的非线性大尺度大气过程, 还有许多现象待解释, 需要更多深入系统的研究。

在开始讨论NAO与欧洲阻塞时空关系的研究进展之前, 首先解释一下大西洋风暴轴对NAO和阻塞的影响机制。在大气中, 风暴轴一般定义为天气尺度瞬变波(2.5~6天的波动)活动最强烈的区域, 很多研究中通常用EKE(Eddy Kinetic Energy)来表达和描述风暴轴[32~34]。许多研究表明, NAO事件的发生与大西洋风暴轴活动地区的天气尺度Rossby波破碎有关系[12, 33], Rossby波破碎的形成过程可以影响NAO的位相[12]; 同时, NAO位相也与大西洋急流轴的位置、强度和南北的漂移有关。北大西洋急流轴与风暴轴是紧密联系的2个大气状态的表征量, 因此NAO与急流轴以及风暴轴之间的相互作用机制很重要。研究表明[35], NAO和阻塞等大气大尺度低频模态是由天气尺度涡动(Eddy)驱动所激发的, 因此北大西洋地区的风暴轴的强度以及位置的分布会对NAO的激发、维持和发展起到调控作用, 同时NAO的发展又会对风暴轴起到反馈作用[32, 34]; 研究也表明北大西洋上游地区的风暴轴的加强, 是NAO位相发生转换的一个重要的先决条件[32]。通常, NAO+对应北大西洋中高纬度单支风暴路径(西风急流)的分布特征[34]; NAO-则对应高纬度和低纬度的2支风暴轴(西风急流)的分布特征, 其中高纬度分支偏强, 低纬度分支偏弱[34]。风暴轴对NAO的影响会通过急流轴的变化间接影响到下游欧洲阻塞的变化。同时, 部分欧洲阻塞也会西退至北大西洋地区, 从而激发出NAO-, 进而影响急流轴和风暴轴的强度和分布。因此, 风暴轴、急流轴、NAO和阻塞之间具有复杂的相互调节和自我反馈作用[32, 34, 35]

3 北大西洋涛动与欧洲阻塞时空关系研究

NAO的活动范围处在北大西洋和欧洲西部地区, 与欧洲阻塞的活动范围重叠, 这也就决定了两者之间有着复杂的密不可分的相互作用关系[33]图2给出的是北大西洋— 欧洲地区冬季平均阻塞频率的分布, 可以看出北大西洋— 欧洲地区阻塞分布呈现2个中心, 一个位于北大西洋东部, 欧洲西海岸地区; 一个位于格陵兰岛地区。许多研究表明, NAO-其实就是北大西洋地区局地的阻塞环流[33, 34]。当NAO+事件增多时, 北大西洋地区的阻塞频率减少, 同时欧洲地区的阻塞频率增加[36~39]。Davini等[40]研究认为NAO近十几年的气候态东移现象与格陵兰地区的阻塞频率变化有关系。理论研究[35]表明, 当NAO为正位相时, 纬向急流的加强有利于罗斯贝(Rossby)波向下游频散, 从而会激发欧洲地区阻塞的发生。很多研究利用Rossby波破碎原理, 解释了NAO与阻塞之间的相互作用机制[12, 33, 41, 42]。因此, NAO与阻塞之间时空关系以及机制研究对于人们了解和预测北大西洋— 欧洲地区的环流形势和天气气候的变化具有重要意义。

图2 北大西洋— 欧洲地区1978— 2011年冬季平均阻塞频率(%)的分布(据参考文献[38]修改)
图中频率单位为阻塞天数占总冬季天数的百分比(%)
Fig.2 Horizontal distributions of the winter-mean blocking frequency (%) over North Atlantic-Europe area during the periods from 1978 to 2011 (modified after reference[38])
The blocking frequency is defined as the number of days with blocking expressed as a percentage of total number of days for the winter (November-March)

前面我们已经提到, 冬季NAO指数在1950— 1977年表现为以负指数为主, 而在1978— 2011年转变为以正指数为主[1]。很多研究分析了20世纪60~90年代冬季平均NAO指数由负转正的年代际变化与大西洋— 欧洲阻塞频率之间的关系[36, 37, 40]。Shabbar等[36]分析了大西洋— 欧洲阻塞与20世纪60~90年代冬季NAO指数年代际变化的相关性, 发现在1980— 1990年(1960— 1970年)欧洲地区阻塞频率是增加(减少)的, 北大西洋阻塞在NAO-发生时更加活跃。Croci-Maspoli等[37]利用EOF分析发现大西洋地区的长生命周期阻塞的发生与NAO-事件的发展有密切关系。前面已经提到, 在1978— 2011年的 NAO正指数阶段, P1阶段表现为上升趋势, P2阶段表现为下降趋势(图1b)。这种线性趋势的年代际变化对欧洲阻塞会有怎样的影响目前还不清楚。这就提出了2个有趣的问题:①欧洲阻塞的频率、位置、强度和生命周期变化是否也会具有类似于NAO指数在20世纪90年代前后的年代际变化?②如果欧洲阻塞具有这种类似的年代际差异, 是什么原因造成的这种差异?前面已经提到有研究[31, 32]通过提出原地型NAO和位相转换型NAO事件, 解释了P1阶段和P2阶段NAO指数线性趋势转变的机制, 最近Luo等[38, 39]在此基础上做了更进一步的研究, 对上面提到的2个问题做了解答。

在该研究中[38], 将1978— 2011年划分为2个阶段:1978— 1994年(P1阶段)和1995— 2011年(P2)阶段, 这与先前研究[31]中的划分稍有不同。为了使结果更加可靠, 研究中也采取了3种不同的P1和P2阶段划分方式。同时, 为了排除资料和识别方法的敏感性, 研究中也采取了2套不同的再分析资料和2种不同的阻塞指数, 最终结果都是定性一致的。

图3给出的是P2阶段与P1阶段冬季平均阻塞频率分布的差异(P2减去P1), 可以看出, P2阶段的北大西洋— 欧洲西部地区的阻塞频率明显高于P1阶段, 而P1阶段欧洲东部地区的阻塞频率要高于P2阶段。研究也发现, P1阶段和P2阶段的阻塞强度和周期也存在明显的年代际差异。具体表现为, P1阶段欧洲大陆东部地区的阻塞强度和周期大于P2阶段, 同时P2阶段的阻塞则更多的发生在欧洲西部地区。研究发现, P1阶段和P2阶段欧洲阻塞事件频率分布的年代际差异, 与NAO事件类型和频率的差异有关, 同时也与大西洋背景条件的差异(平均西风急流强度和风暴轴强度)有关[38]。具体来说, P1阶段的NAO+事件多于P2阶段, 并且P1阶段北大西洋地区的平均西风强度也偏高, 北大西洋上游地区的风暴轴强度偏弱。由于NAO+强急流控制下欧洲阻塞的位置会更加偏向下游地区(东部地区), 所以P1阶段与P2阶段对比, NAO+事件数量上的年代际差异会导致欧洲阻塞事件频率分布上的年代际差异(P2阶段更加偏向西部)。同时, 位相转换型NAO事件对欧洲阻塞的年代际差异也有贡献, 但较原地型NAO事件, 其贡献较小。另外, 研究也发现欧洲北部阻塞的发生是上游NAO-事件发展的一个先期条件; 同时, NAO+事件的发生是下游地区欧洲阻塞频率加强的有利条件。这些研究从不同的角度出发, 得出的结论补充和细化了前人关于NAO和阻塞关系的研究。

图3 P2与P1阶段冬季平均阻塞频率的差异分布(P2减P1)(据参考文献[38]修改)
图中阴影部分为通过置信度95%检验的距平区域; 深色为正距平, 浅色为负距平
Fig.3 Horizontal distributions of the winter-mean blocking frequency (%)for the P2-P1 difference (modified after reference[38])
The dark (for positive) and light (for negative) shadings denote the regions above the 95% confidence level for a two-sided student’ s-test

关于阻塞理论机制的研究有不少, Shutts[43]提出的涡流变形机制(eddy straining)以及Yamazaki等[44]提出的选择性作用机制(selective absorption), 都曾被用于解释天气尺度波如何激发和维持阻塞环流。但是这些机制没有涉及到NAO的演变机制, 因此不能用于解释NAO和欧洲阻塞之间动力相互作用关系。Luo等[39]利用一个弱非线性多尺度相互作用模型, 解释了NAO通过调控北大西洋背景条件, 进而影响欧洲阻塞事件发生的动力机制。分析认为, 北大西洋— 欧洲地区阻塞频率分布呈现出T字型(T-bone-type)分布(图2), 是由NAO-对应的东南— 西北向的阻塞分布和NAO+所对应的西南— 东北向的阻塞分布相叠加的效果。理论结果表明, 当NAO+事件对应的北大西洋地区的平均西风偏弱时, 下游地区长生命周期的强阻塞事件会更容易发生西退。同时, 北大西洋上游(西部)的风暴轴强度偏强, 也会利于欧洲阻塞的西退, 这也就从理论机制上验证了部分观测研究[38]的事实。

4 北大西洋涛动与阻塞对极端暴雪天气的影响机制

许多研究表明, 欧亚地区的极端天气尤其是极端冷事件与大尺度环流如NAO和阻塞有关[2, 3, 45, 46]。Croci-Maspoli等[47]分析发现2005/2006年欧洲地区1次极端冷事件是由大西洋地区1次异常的阻塞环流引起的。一些研究[2, 46, 48]认为2009/2010年冬季欧亚大陆的大面积极端冷事件是由振幅极大的NAO-事件以及北极涛动(Arctic Oscillation, AO)异常所引起, 同时还伴随着厄尔尼诺事件的发生。Yu等[49]的研究也表明, 冷空气的爆发与中纬度大气环流如NAO有着密切的动力关系。大量研究表明, NAO的位相和欧洲阻塞是对欧洲天气和气候影响最为显著的2个贡献因素。通常NAO-会引起北欧降温、南欧升温, NAO+则相反[1, 16, 50]。NAO正负位相调整过程中南北气压梯度力的变化和大西洋风暴轴强度的变化会直接影响局地地区的温度变化[1]。近几十年, 很多研究发现地中海东部地区和中东地区的冬季极端风暴和降水与爆发性气旋或者低压槽[51~54]以及大尺度低频遥相关型有密切关系[55~57]。Lee等[53]的研究表明行星尺度波、天气尺度波和中尺度波的相互作用导致了中东地区1980年3月1~3日的极端天气过程。然而对于极端天气事件, 存在很大的偶然性和不确定性, 每一个事件都可能对应某种特殊的激发机制和环流配置。下面以2次欧亚极端暴雪天气事件为例, 总结和分析NAO和阻塞对极端暴雪事件的可能的影响机制。

2012年1月27日至2月10日, 欧洲经历了大范围的极端冷事件。根据观测, 芬兰出现了零下39.2 ℃的极端低温, 而极端的低温直接或间接造成欧洲地区上百人死亡。Luo等[34]从NAO位相转换的角度, 提出了位相转换型ENAO-事件, 从不同角度解释了2011/2012年冬季欧洲地区极寒暴雪天气的发生机制。据分析, 该段时间的PC NAO指数基本上为正指数(图4a 黑虚线), 而据以往研究, 欧洲地区温度下降以及极端低温是由NAO-事件引起的[2, 46], 因此推断此次极端低温事件的机制可能不同于由NAO-造成的低温事件。通过分析该段时间的天气环流形势发现, 虽然PC NAO指数为正指数, 但是在极端低温发生阶段, 靠近欧洲大陆西部的区域确实发展出一个阻塞环流, 该阻塞环流逐渐加强, 覆盖了整个大西洋东部地区和欧洲大陆地区。很多研究表明, 大西洋地区阻塞环流其实与NAO-本质上是一样的[1]。因此为了更客观、定量定性地描述这段时间的NAO事件, 在该研究[34]中, 利用基于海平面气压纬向平均之差的LW NAO指数[22](图4a 黑实线与圈线)与PC NAO指数进行对比分析, 同时结合相对客观的天气演变图, 认为此次环流是一次NAO+转为NAO-或者说是转为欧洲阻塞的位相转换事件, 而由于位相转换后的NAO-事件比典型的NAO-事件位置要更偏向东部, 靠近欧洲大陆, 因此定义为Eastern NAO-事件, 即偏东型NAO-事件(ENAO-), 其实偏东型NAO-事件也可称为欧洲阻塞环流。而PC NAO指数之所以识别不出这次NAO位相转换过程是因为该指数的计算是基于对整个北半球进行旋转EOF, 很多区域性的环流信号经过数学方法的处理和均一化被掩盖了。而基于区域纬向平均之差的LW NAO指数则可以反映出这种区域性的环流特征。根据研究中提出的ENAO-的定义[34], 认为2011/2012年欧洲极端暴雪天气过程是由一次NAO+转ENAO-事件中的ENAO-环流所引起的, 位置偏东的ENAO-将高纬度地区的冷空气带入欧洲大陆, 配合南欧地区的水汽, 引起了几十年不遇的极端暴雪天气过程。另外, 挑选出1978— 2012年所有的ENAO-事件和WNAO-事件(Western NAO-), 并做了详细的对比合成分析。发现相较WNAO-事件, NAO+转ENAO-事件确实能够引起欧洲地区大范围大幅度的降温过程。特别是2005年以后, NAO+转ENAO-事件发生频率明显升高, 可能是最近十几年欧洲频繁发生极端低温暴雪事件的原因。

图4 极端暴雪事件的NAO指数和阻塞环流场
(a)2012年1月13日至2月15日逐日NAO指数序列[34], (a)中红线为欧洲地区平均温度距平变化, 黑实线、圈线及虚线分别代表海平面气压LW指数, 500 hPa的LW指数以及PC指数; 蓝色标记线表示NAO+至ENAO-的位相转换过程; (b)2013年12月12日阻塞环流形式场[58], (b)中实线代表500 hPa位势高度等值线, 矢量箭头代表500 hPa的UV合成风场, 蓝色阴影代表温度负距平, 绿色代表降水区域。红色虚线代表急流轴位置, 红色方框代表中东地区
Fig.4 The NAO indices and blocking flow for two extreme snowstrom eevents
(a) Time series of the normalized daily NAO index during the period from 13 January to 16 February, 2012[34], The PC index is marked with the dotted line, and the SLP (500 hPa) LW index is the solid line without (with) dots. The time series of the normalized SAT anomaly averaged over European continent is shown in red line. The NAO+ and ENAO- epochs are indicated with blue marker; (b) Horizontal fields distribution on 12 December 2013[58], In (b), the height contours are drawn from 5 400 to 5 700 gpm precipitation area is indicated with green dots. The negative temperature anomalies are plotted with the blue shading. The red box shows the Middle East region and the red dashed line indicates the jet stream position

另外, Luo等[58]和Yao等[59]利用NAO+与下游欧洲阻塞的作用机制, 从观测事实和理论模型两方面解释了2013/2014年冬季埃及和中东地区百年不遇的暴雪天气的发生机制。2013年12月12日夜间, 埃及开罗遭遇了112年来的首次暴雪天气。中东地区的一些国家如土耳其、黎巴嫩等也遭遇了几十年不遇的暴雪天气。究竟是什么类型的天气环流可以引发百年不遇的天气过程?通过分析其环流演变特征[58], 结合同期的NAO指数, 发现该段时间对应NAO的正位相, 同时下游欧洲地区发展出一个阻塞环流, 阻塞脊的东南部激发出一个切断低压。从图4b中可以看到, 在中东地区(红框区域)有一个明显的切断低压, 而且该切断低压所处的纬度较低。通过对NAO+事件发展阶段的大西洋西风急流的对比分析发现, 此次NAO+急流所处位置偏低纬度(偏南), 强度也偏强(图4b红色虚线)。纬度偏南且强度偏强急流会对下游的阻塞脊产生一种压制作用, 使得下游阻塞的位置也偏南, 同时形成的切断低压位置也偏向低纬度, 因此对埃及以及中东地区的影响较大。同时发现, 阻塞南北偶极子中心呈现西北— 东南向倾斜特征, 这种倾斜特征有利于冷空气由北向南入侵至低纬度地区。通过对1950— 2014年冬季的欧洲阻塞进行合成对比分析发现, NAO+控制下的欧洲阻塞更容易引起中东地区的温度下降, 并且阻塞偶极子必须呈现出西北— 东南向的倾斜特征, 才可引起中东地区大幅度的降温, 同时配合地中海输送的水汽, 便可能激发中东地区的暴雪天气过程(图4b中绿色为降水区域)。合成对比分析发现, 无论欧洲阻塞的强度如何, 阻塞形状如何, 最重要的因素就是阻塞偶极子的倾斜特征。急流偏南的NAO+控制下的欧洲阻塞, 其偶极子表现为西北— 东南向倾斜特征, 这种环流配置是最有利于中东地区发生极端暴雪天气的背景条件。同时, 合成分析结果也发现, 虽然NAO+急流在生命周期强盛阶段是偏南的, 但是在NAO+发展初期却并没有偏南的趋势, 同时急流强度是偏强的。这可能表明, 急流偏南有可能是NAO+发展过程中的一种自我反馈维持机制造成的[35, 60, 61], 而NAO+事件发展前期的背景风场的强度才是导致NAO+急流南移, 进而引起欧洲阻塞偏南及发展出切断低压的有利条件。Yao等[59]根据NAO+事件发展前期对应的北大西洋背景西风急流强度的大小, 将NAO+事件划分为强急流NAO事件(Strong Jet NAO, SJN)和弱急流NAO事件(Weak Jet NAO, WJN)。合成分析表明, SJN控制下的欧洲阻塞事件强度偏强, 其所处位置更加偏向西部和南部。同时, SJN事件控制下的欧洲阻塞偶极子呈现出西北— 东南向的倾斜特征, 有利于冷空气入侵中东地区。WJN事件控制下的欧洲阻塞则呈现相反的特征。此外, 利用一个弱非线性的多尺度相互作用模型, 分析了大西洋急流强度对NAO+事件控制下的欧洲阻塞有何种调控作用。模式结果表明, 在较强的大西洋急流背景下, NAO+可以通过加强的能量频散激发下游欧洲阻塞的形成。当北大西洋急流偏强时, 由于急流轴对下游阻塞脊的压制作用, 欧洲阻塞更加倾向于发生在较低的纬度。北大西洋急流偏弱时则相反。同时, 强急流对应的欧洲阻塞会呈现出西北— 东南向的偶极子倾斜模态, 这与观测事实是一致的。这就从理论上证明了北大西洋急流轴的强度可以调控下游欧洲阻塞的偶极子倾斜特征, 并进一步影响中东地区的天气气候尤其是极端暴雪天气。从而提出了一种新的中东地区极端暴雪天气事件可能的发生机制。

5 非线性多尺度相互作用理论研究

以上介绍了北大西洋涛动和阻塞的变率及其对天气气候影响的研究, 要想深入了解大尺度低频环流系统的建立、维持和崩溃机制, 需要理论研究的支持。NAO和阻塞作为非线性大气过程, 要想建立一种相对完善的理论模型, 使其可以解释NAO或者阻塞的激发以及发展过程是非常困难的。一直以来, 气象学家在不断尝试, 陆续出现了一些理论模型, 其中最具有代表性的观点认为阻塞环流是高频涡旋所激发的[62~65]。Haines等[62]试图用涡动强迫的Modon解来刻画阻塞环流的形态特征, 但是由于其假设涡度通量散度与耗散项是相互抵消的, 因此该模型只能刻画静态的阻塞形态。Vallis等[66]的研究将随机强迫模型应用于描述NAO平均状态, 但是随机强迫模型不能刻画NAO生命过程中的复杂的非线性相互作用过程, 尤其是不能模拟出阻塞或者NAO生命过程演变中强度以及位置变化这些基本的生命特征, 同时也很难描述NAO与下游欧洲阻塞的相互作用过程。虽然一些理论模型可以解释阻塞环流的维持机制[43, 44, 62, 67], 但是大部分理论研究是将天气尺度波对阻塞或者NAO的贡献考虑成随机强迫, 因此得到的结果只能够解释阻塞或者NAO的平均状态, 所以目前尚缺乏能够完整描述阻塞或者NAO生命过程(包括激发、发展加强、维持及衰亡过程)的理论模型; 所以, 伴随生命过程中的一些定量特征如周期、强度和位置也就不能反映出来。罗哲贤等[68]将正压涡度方程约化为强迫耗散的Kdv方程, 并利用得到的定常解描述出一个中心强度发生准2周低频振荡演变的定常阻塞。很多研究利用Rossby波破碎原理[69]研究阻塞与NAO事件的关系[12, 33, 41, 42, 70~72]。Woollings等[33]利用波破碎原理解释了欧洲阻塞超前于NAO-事件的原因。对于阻塞和NAO的动力学研究来说, 波破碎原理是一个广泛应用的概念, 但是波破碎不能作为一个系统的理论模型去刻画和描述它们的激发和发展过程。

过去的几十年间, Luo等[35, 60, 73~80]一系列的理论研究工作, 将一个最初的描述阻塞演变的理论模型逐渐发展为一个可以描述阻塞和NAO以及两者之间相互作用的理论模型, 为大尺度非线性理论研究开辟了一条途径。起初, 罗德海等[73]提出了一个描述阻塞环流的模型— — 包络Rossby孤立子理论模型。该模型不能解释阻塞的增长过程, 只能解释其衰减过程。但是大量的观测研究表明, 天气尺度波在大尺度环流的建立和发展过程中起着非常重要的作用, 而在阻塞发展过程中, 受阻塞的反馈作用, 天气尺度波可以发展为南北2个分支, 大尺度环流与天气尺度波之间是相互作用的。但是两者的耦合在时间尺度上是无法分离的, 经过多年的数学方法上的尝试, 发现其在纬向尺度上是可以分离的。在此基础上利用“ 尺度分离” 假设, 建立了一个基于“ 基本流— 行星波— 天气尺度波相互作用” 的弱非线性多尺度相互作用模型(Nonlinear Multiscale Interaction model, NMI)[73~77], 并且可以求解获得阻塞和天气尺度波相互作用的解析解以及阻塞产生后对基本流反馈的解析解。这些解析解不仅能够描述阻塞的生命周期和天气尺度波的变化, 而且能描述阻塞产生后对基本流的影响[74~77]。随后的研究工作[35, 60, 78~80]将之前提出的阻塞理论模型进行了推广, 应用于描述NAO的生命过程, 建立了NAO理论模型。该NAO理论模型能够描述对流层NAO生命周期中的基本流、行星波以及天气尺度波之间的相互作用过程。后来经过进一步改良, 将阻塞理论与NAO理论统一, 可用于描述NAO与阻塞相互作用机制研究[38, 39, 58, 59]图5给出的是利用NMI模式模拟出了一次强急流NAO+事件的激发、发展及衰减过程, 同时下游欧洲地区还伴随着一次欧洲阻塞环流的发生和发展[59]。可以看到, 从第0天至21天阶段, 北大西洋地区(x:-4.0~1.0)是一个明显的南正北负的NAO+偶极子结构, 表现为中高纬度的强急流分布。自第21天起, 下游欧洲地区(x:1.0~5.5)开始激发出阻塞脊结构, 多个反气旋闭合高压开始发展。至第48天, 阻塞发展强盛, 形成了一个强大的阻塞高压环流, 同时阻塞脊东南方形成一个切断低压槽(气旋, x=4.0, y=2.0处), 整个阻塞偶极子结构呈现出西北— 东南向的倾斜特征。如上一节提到的, 这种结构有利于高纬度的冷空气入侵至南部低纬度地区, 可能引起中东地区的暴雪天气[61]

图5 基于NMI模式(CI=0.3)得到的一个NAO+事件的总流场(Ψ T)演变过程(从第0天到第51天)(据参考文献[59]修改)
其中下游欧洲地区激发出一个阻塞环流结构H代表反气旋, L代表气旋或者槽; x坐标的1.0处左边代表北大西洋地区, 右边代表欧洲地区
Fig.5 Total streamfunction (Ψ T) fields (CI=0.3) of an NAO+ event obtained from the extended NMI model for the strong jet cases (modified after reference[59])
A blocking pattern is motivated in Europe region downstream the Atlantic region. H(L) denotes the ridge or anticyclone (trough or cyclone).The left (right) area of x=1.0 represents North Atlantic (European continent)

全球增暖对天气和气候变化带来了巨大的影响, 研究表明NAO在长时间尺度上可能与全球变暖有联系[1, 81]; 数值试验也表明, 增加温室气体强迫可以通过改变风暴路径的强度和位置来影响NAO的强度和位置[82]; NAO在气候态上的向东漂移也与全球变暖有联系[17, 18]。但是对于NAO的生命过程而言, 它是一个季节内尺度的天气过程, 具有准2周的生命周期[12]。如果要研究全球变暖对NAO生命周期过程的可能影响, 必须借助观测分析和理论研究, 而理论模型需要具备的一个基本条件就是能够描述刻画NAO的生命过程。所以, 未来研究工作的重点也是利用此类[35, 74~79]理论模型, 去探索全球增暖对NAO和阻塞大尺度低频环流的影响。同时, 还要进一步扩展理论模型, 用于分析其他的低频模态如太平洋北美遥相关型(Pacific/North American Pattern, PNA)在全球变暖影响下的变化机理, 这也是一个未解决的重要科学问题。

6 总结与展望

通过以上对NAO年代际变化, NAO与阻塞时空关系以及两者对天气气候影响的研究进展进行总结, 发现NAO和阻塞的变率对天气气候的显著调控作用是长久以来对其研究的主要动机。很多研究[2, 7, 14]都集中于月平均和年平均的时间尺度上, 但是NAO和阻塞作为准2周的大尺度环流, 对其生命周期过程的细致研究很有必要[12], 这也是了解NAO和阻塞生命演变和机理研究以及两者之间相互作用研究的重要途径。Luo等[31, 32]的研究发现, 位相转换型NAO事件的发生频率对年代际的变化起到很重要的作用, 这表明准2周的生命周期尺度可以通过其频率的变化影响到年代际尺度上的NAO指数的变化; NAO和北大西洋— 欧洲阻塞, 两者之间存在复杂的时空关系, 一方面NAO负位相也是北大西洋阻塞的表现, 同时NAO和欧洲阻塞又有着重叠的活动区域。通过总结发现, NAO和北大西洋— 欧洲阻塞存在准2周生命尺度以及年际和年代际时间尺度上的变化关系。NAO的空间分布可以显著影响阻塞的分布特征, 同时, 阻塞和NAO之间也存在着时间上的超前滞后关系。空间位置变异的NAO-, 如NAO+转ENAO-的位相转换事件更容易引起欧洲地区尤其是南欧地区的极端低温和暴雪事件。对NAO生命周期尺度的研究思路和位相转换型NAO的提出与以往研究有所不同, 这为NAO的系统研究开辟了一个可能的途径。

图6是根据近来的研究进展总结出的一种NAO和欧洲阻塞对下游中东地区极端暴雪天气的影响机制的示意图。北大西洋地区(90° W~0° )作为NAO的主要活动区域, 其冬季主要的变化特点就是西风急流轴从单支急流(NAO+)到双支急流(NAO-)的交替变化; 欧洲地区(0° ~60° E)处在NAO急流的下游, 是欧洲阻塞的活跃区域。NAO急流分布的变化会显著影响到下游地区阻塞的形成和发展。当NAO为正位相时, 下游地区容易激发出阻塞环流, NAO正位相对应的单支西风急流会调控下游阻塞偶极子的分布特征, NAO西风急流的强弱和位置的分布变化, 会造成阻塞偶极子位置尤其是倾斜特征的变化。在强或者是偏低纬度的NAO+急流的调控下, 欧洲阻塞容易表现出图6中的西北— 东南向的倾斜特征。这种倾斜特征有利于北大西洋中纬度的暖湿气流在阻塞反气旋的作用下输送至高纬度地区, 引起高纬度地区的增温; 同时高纬度副极地地区的冷空气会入侵至低纬度地区, 在阻塞低纬度气旋中心的作用下, 冷空气与来自地中海地区水汽发生交汇, 便激发低纬度地区极端暴雪天气的发生(图6中绿色阴影区域)。

图6 NAO与欧洲阻塞对中东地区极端暴雪影响的物理机制示意图
图中左边大西洋地区(90° W~0° )对应NAO偶极子结构, 下游欧洲地区(0° ~60° E)为西北— 东南向倾斜的阻塞偶极子结构。红色粗实线为西风急流的示意, 细实线为暖空气(红色)和冷空气(蓝色)的入侵方式, 绿色阴影区为暴雪区域示意
Fig.6 Schematic diagram of NAO and Europe blocking and their physical mechanism for the Middle East snowstorm
The dipole in left Atlantic region(90° W~0° )is the NAO pattern, downstream Europe region (0° ~60° E) is the blocking dipole pattern with a northwest-southeast tilting. The thick red solid line represents the westerly jet and the thin solid line means the path for warm (in red color) and cold air (in blue color). Green shaded region indicates the snowstorm area

以上是NAO与阻塞相互作用导致下游地区极端暴雪天气的一种可能机制, 对于复杂的非线性系统来说, 它们之前的相互作用以及对天气的影响机制还需要大量的理论和观测方面的研究。大气中的非线性系统作为大气运动的主要参与者, 由于其自身极其复杂的物理及化学过程以及与其他子系统的相互作用过程, 使得在研究非线性系统过程中存在很多的障碍和不确定性。NAO和欧洲阻塞作为活跃在北大西洋地区和欧洲地区的2个最重要的大气环流系统, 研究其天气气候效应和机理对天气预测有着重要的意义。总结以往观测研究发现, 在NAO和阻塞研究中, 对NAO和阻塞的识别尤为重要, 从月平均及更长时间尺度来看, 指数的衡量性能很好, 结果较为统一。但是对于季节内尺度(个例的生命周期尺度)来看, 不同的指数表征性能差异较大, 甚至会出现相反的表征结果。这就可能会对后期的定性分析及机理研究产生影响, 所以客观合理的应用NAO和阻塞指数非常重要。另外, 有必要设计表征性能较佳的新指数, 以更好地对NAO和阻塞进行细致化(个例归类)研究, 总结规律以更好地发展预测工作。

理论研究是大气科学发展过程中极为重要的奠基石, 在学科的发展中起到重要的导向作用, 对其研究任重而道远。非线性系统理论研究尚不完善, 虽然一些理论研究[38, 39, 58, 59, 78~80]可以描述NAO和阻塞生命过程中的部分特征, 但是大量的工作值得进一步的开展, 如需要在模式中考虑斜压过程以及非绝热过程等。

近年来, 海冰减少已经成为一个热门的研究领域[83], 北大西洋和欧亚地区毗邻巴伦支海、挪威海等海冰区域, 已有研究表明NAO和乌拉尔阻塞对海冰的加速减少有一定的贡献[84, 85]。因此, 研究大尺度低频环流与北极海冰的相互作用机制, 对了解全球气候尤其是极地气候的变化有重要作用; 同时, 我国地处欧亚大陆的东侧, 位于NAO和欧亚阻塞活动区域的下游, NAO和阻塞的变化会通过遥相关过程及Rossby波列的传播影响我国的天气气候变化。有研究表明[86, 87], 在全球变暖背景下, 近几十年我国地区的极端气温和降水事件发生频率存在区域性升高的特征。NAO和阻塞对我国的极端天气事件的影响机制目前尚不清楚, 因此也需要进行系统深入的研究。

最后, 气象研究最终目的是预测, 中长期天气和气候预测目前是一大难题, 仍处于摸索和发展阶段[88], NAO和阻塞作为影响北半球最重要的大气低频模态, 对其理论机制的研究以及变化规律的细致总结或许可以为天气预测方法的发展提供一定的参考价值, 这也是一个值得关注的研究方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

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