北大西洋上空天气系统的“交通堵塞”——大气阻塞

大气阻塞是中高纬度大气环流中一种特殊且重要的异常现象。它如同一条横亘在高空中的“高压路障”，阻挡纬向西风的正常流动并导致天气系统停滞，从而引发极端天气气候事件。例如，2010年俄罗斯热浪、2021年北美“热穹顶”，都与阻塞环流密切相关。因此，研究大气阻塞的基本特征以及其背后的动力学机制，不仅有助于理解气候系统的复杂性，也为极端天气的预测提供了科学依据。

北大西洋地区存在两类典型的阻塞：格陵兰阻塞（Greenland Blocking, GB）和欧洲-大西洋阻塞（Euro-Atlantic Blocking, EAB）（图1a）。两者的演化特征和天气气候效应存在显著差异，本研究结合观测证据和理论分析，揭示了这两类阻塞演化背后的动力学机制。

格陵兰阻塞与欧洲-大西洋阻塞的特征差异

通过对1979-2022年的GB和EAB事件进行合成分析，发现两者在强度、持续时间及天气影响上存在明显差异（图1b和1c）：

格陵兰阻塞（GB）

•位置：主要位于格陵兰岛以南的北大西洋西部；

•特征：伴随气旋性波破碎，表现为大振幅、长生命史和显著西移；

•天气影响：导致格陵兰岛西部显著增温，北美东部和北欧剧烈降温。

欧洲-大西洋阻塞（EAB）

•位置：集中于北大西洋东部至欧洲西部；

•特征：伴随反气旋性波破碎和和北大西洋急流轴的向极漂移，呈现小振幅、短生命史和准静止的特征；

•天气影响：仅在南欧引发较弱的降温。

两类阻塞不同的演化特征与其自身的属性差异有关，这可能依赖于它们身处的背景环境。

动力学机制：背景位涡梯度的“隐形之手”

大气阻塞的演化涉及复杂的多尺度相互作用，一个描述中高纬度大气低频变率的非线性多尺度模型指出，阻塞的振幅变化受两个重要参数调控（如图1d所示），两个重要参数分别为色散系数（方程左侧）和非线性系数（方程右侧）：

•非线性效应主导时，阻塞振幅增强并稳定维持（类似孤波的汇聚）；

•色散效应主导时，阻塞振幅逐渐衰减（能量向四周迁移）。

进一步的推导指出，这两个参数与阻塞所处的背景经向位涡梯度（Meridional gradient of potential vorticity, PVy）直接相关：

因此，弱PVy环境会增强阻塞的非线性特征，抑制色散效应，从而有利于阻塞振幅的增强和维持；而强PVy环境则相反。在气候态上，北半球冬季高纬度为冷的绕极气旋式环流（位涡大）；低纬度是暖的副高（位涡小）。阻塞环流中，高纬度是一个暖的反气旋系统，低纬度是冷的气旋，这表明整个阻塞系统的经向位涡梯度与气候背景态相反。因此，背景PVy小的区域，意味着与阻塞系统位涡具有更高的一致性，是有利于阻塞经向放大（非线性增强）和长时间维持的环境。显然，如图1e所示，GB所处环境的PVy小于EAB，因此相较于EAB，GB的振幅具有更强的非线性特征和相对更弱的色散效应，这导致GB具有更长的持续时间和更大的强度。

阻塞的纬向移动由线性Rossby波速和一个非线性修正项共同决定：

•线性波速：两类阻塞差异不大；

•非线性修正：与阻塞振幅和非线性系数有关。

在弱PVy环境下，GB的大振幅和强非线性导致非线性修正项为大的负值，因此GB呈现显著的西移；而EAB的线性波速和非线性修正项相互抵消，呈现准静止的特征。

结语——解密大气阻塞

大气阻塞是天气和气候系统中最难以捉摸的现象之一，其演化特征蕴含着复杂的物理规律。本研究阐明了准双周阻塞环流和背景PVy条件的内在关联，揭示了GB和EAB的区域位涡梯度状况差异如何通过调控阻塞的一些属性，进而导致两者演化特征差异的内在机理，这无疑深化了对阻塞动力学机制的理解。

论文信息：

Zhang Wenqi, Lin Wang*, Dehai Luo, Yao Yao*, Binhe Luo, Ian Simmonds, and Vladimir A. Semenov, 2025: Impacts of background conditions on the evolutionary disparities between Greenland and Euro-Atlantic blocking, Journal of the Atmospheric Sciences, 82(3), 501-517, https://doi.org/10.1175/JAS-D-24-0016.1

图1.（a）冬季平均阻塞频率（%）；合成的（b）格陵兰阻塞（GB）和（c）欧亚-大西洋阻塞（EAB）事件期间500 hPa位势高度（等值线）与地表气温（填色）距平场的时间演变；（d）非线性与色散效应调控下阻塞振幅演变的示意图；（e）500 hPa冬季PVy的水平分布。