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。针对这一反常现象，最近中国科学院大气物理研究所博士生陈晓丹及导师罗德海研究员，联合美国哥伦比亚大学学者Yutian Wu、挪威卑尔根大学学者Etienne Dunn-Sigouin和美国西北太平洋实验室学者Jian Lu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。
该研究主要受中科院战略性先导专项（XDA19070403）和博士后创新人才支持计划（BX20200087）的支持。
【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. DOI: 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）和不存在平流层过程干预（第二行）时乌拉尔阻塞事件的纬向移动对比。
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（底部）。
