冬季欧亚大陆大型斜脊系统及其形成和维持机理

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欧亚大陆大型斜脊系统(LSTR)是影响我国大范围持续性极端低温事件(EPECE)的中高纬地区关键环流系统。本文利用1948/1949至2016/2017共69个冬季的逐日资料,研究了欧亚大陆LSTR的主要时空分布特征,分析了其不同类型、相应的环流特征以及对欧亚大陆冬季气温的影响。最后揭示了其形成和维持的大气内部动力学机理及其与不同外强迫的可能联系。  根据欧亚大陆LSTR的界定标准,共界定出461个LSTR事件。LSTR的空间尺度差异很大,若纬向尺度越大,其维持时间越长,系统越稳定。按照峰值日纬向尺度(ZS)可将欧亚大陆LSTR分为90≤ZS<150、60≤ZS<90、30≤ZS<60三大类,其个例数量相当,平均维持时间为9.8天、8.2天、6.5天。其中30≤ZS<60一类的尺度较小,对应的天气影响也较小。  斜脊系统的起点、位置、倾斜方向等均不相同,其形成和维持的物理机制及天气影响也不同。针对其空间分布差异,本文利用自组织神经网络(SOM)方法,将90≤ZS<150的超大型斜脊系统(S-LSTR)和60≤ZS<90的大型斜脊系统(LSTR)进行了分类。S-LSTR可分为五类,其起点分别位于乌拉尔山地区、科拉半岛、挪威沿岸、巴尔喀什湖附近、南欧地区。各类S-LSTR对欧亚大陆冬季气温的影响不同:第一类S-LSTR有利于我国出现大范围持续性的低温过程;第二类与第一类截然相反,我国出现持续性的偏暖天气;对于第三类和第五类,我国没有出现明显的气温异常现象。第四类同第一类一样,我国也出现了大范围冷空气活动,但其生命史较短,难以长时间维持,与我国普通寒潮活动关系密切。相对地,LSTR可分为六类,其起点分别位于巴尔喀什湖地区、贝加尔湖以北、斯堪的纳维亚半岛、乌拉尔山地区、南欧、黑海附近。其中有部分与五类S-LSTR在位置、空间结构上有一定的相似性,但强度较弱,可以看成S-LSTR的较弱版本。但它们也有一定的独特性。由此可见,虽然已有研究表明LSTR是我国EPECE事件出现的关键环流系统,但并不是所有LSTR都有利于我国大型冷空气活动的出现。LSTR与EPECE的相关性必须至少满足以下两点:1)LSTR的位置合理,尺度足够大;2)前期中亚至西伯利亚关键区的冷空气堆积要足够强,以保证冷空气向我国的持续爆发。  对流层中高层的LSTR与地面西伯利亚高压之间存在紧密联系,并能垂直耦合,两者的演变过程相辅相成,共同作用使得我国出现EPECE。具体表现在:1)LSTR能为地面SLP正异常的发展提供有利的稳定环流条件,促使西伯利亚高压的西扩;2)反过来,地面西伯利亚高压的西扩使其西侧出现偏南风异常并向对流层中上层扩展,向斜脊西南部输送低位涡从而加强斜脊,有利于LSTR的维持。  从大气内动力学角度看,LSTR形成和维持的主导原因是基本流对位涡扰动的平流作用,包括基本流对波的线性平流作用和基本流变形场对位涡扰动的做功作用(即正压发展过程),其中正压发展过程的作用更强。这使得LSTR得以发展维持和向下游扩展。因此,LSTR与阻塞高压形成和维持的动力学机理不同,后者是以非线性作用为主要原因。此外,Rossby波的西退作用在LSTR发展和维持过程中起着制衡正压发展过程的作用。当背景场与大型扰动的相互作用(即基本流对波的线性平流作用和正压发展作用)减弱或消失的时候,而Rossby波的西退作用保持或者加强时,LSTR就会开始衰亡。此外,斜压发展过程(即对流层上下层之间的耦合过程)有利于LSTR的维持。  除了大气内动力过程,外强迫因子对大型斜脊系统也有重要影响。从海温外强迫角度看,对大型斜脊系统有重要影响的主要是太平洋地区的LaNif(n)a型以及北大西洋的偶极子型海温分布。从海冰外强迫角度看,喀拉海、拉普捷夫海至白令海峡一带海冰异常对大型斜脊系统的发展非常重要。
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