2.3.1 阻塞高压
在西风带长波槽、脊的演变过程中,高压脊不断北伸,使脊北部的暖空气与母体脱离,形成深厚的暖空气堆,阻挡了上游波动向下游的传递,迫使西风带波动的正常活动受到破坏,称为“阻塞”。形成的反气旋环流称为“阻塞高压”,简称阻高,西风带中出现的这种形势称为“阻塞形势”。
阻塞高压是中高纬地区特有的大气环流持续性异常现象。阻塞形势的建立和崩溃常伴随一次大范围环流的调整,影响中期(4~10天)天气过程,特别是在冬季阻塞高压的崩溃经常在东亚造成大范围的寒潮天气过程(详见3.3.6.2部分内容)。当冬季乌拉尔山地区有阻塞高压存在时,其下游环流形势稳定,无明显冷空气活动,我国大部分地区天气晴好,风力不大。当乌拉尔山阻塞高压崩溃时,原本堆积于乌拉尔山阻塞高压东部的冷空气随着东亚大槽后的强烈西北气流大举南下,并在途中经西伯利亚大部、蒙古中西部、我国西北地区进一步加强,给我国带来强冷空气袭击,甚至出现寒潮天气过程。
阻塞高压可维持半个月到一个月,甚至更长的时间。当阻塞高压维持时,沿经圈方向的大气环流强而稳定,在它的两侧盛行南北向气流,其南侧有明显的偏东风。当某地区受阻塞高压控制时可形成长时间的单一天气。一般来说,在阻塞高压及其东侧的低压西部地区天气晴朗,在其西侧及西部低压的大部分地区,尤其是低压的东部和南部是降水区。
北半球有两个大范围的阻塞高压活动区。第一个区域在东大西洋到乌拉尔山区,范围大,阻塞高压发生次数也多。乌拉尔山地区的阻塞高压中心位置一年四季少动,只是在夏季范围扩大,因而夏季此地区内总数为各季之首。在东大西洋区,冬季阻塞高压最多,有较强中心,夏季最少。而欧洲中心(在波罗的海上空)阻塞高压的位置和强度四季变化都不大。第二个区域在东西伯利亚东部到阿拉斯加,即北太平洋活动区。在这里最显著的变化是阻塞高压主中心从春到夏西退南下到(130°E,62.5°N)附近。夏季与乌拉尔山地区的活动区连成一片,但仍各有中心,它们的活动次数和位置对中国天气,特别是旱涝有重要影响。另外,夏季在阿拉斯加还有一个次中心(张培忠等,1996)。
乌拉尔山、贝加尔湖和鄂霍茨克海是影响中国天气的三个阻塞高压关键区。在中国的主要气象灾害中,旱灾和寒潮灾害多与乌拉尔山阻塞高压活动有关,雨涝灾害主要受乌拉尔山和鄂霍茨克海地区阻塞高压活动影响,而夏季低温和低温雨雪冰冻灾害则与乌拉尔山和贝加尔湖地区阻塞高压活动有密切关系(李艳等,2010)。当乌拉尔山和鄂霍茨克海的阻塞高压稳定维持时,中国南方多连阴雨,冬季多雨雪冰冻天气(张培忠等,1996)。1998年夏季在嫩江、松花江流域出现了持续性暴雨,主要原因是鄂霍茨克海阻塞高压的出现和发展,并且在嫩江、松花江流域上空出现了低压系统及大的水汽辐合中心。1954、1991、1998、1999等年份长江流域发生特大洪涝灾害的原因也是在亚洲的中高纬度出现了持续性阻塞形势(李峰,2005)。东亚高纬阻塞高压的南北位置对暴雨落区有重要影响。例如,1980年7~8月由于阻塞高压位置偏南,江淮流域暴雨频繁,而我国东北、华北发生干旱现象。另外,当一个移动性的高空短波槽缓慢地绕着长波脊或阻塞高压移动,尤其是当低压槽发展成一个闭合的冷低压系统闯入阻塞高压或在阻塞高压南侧移动时,往往引起暴雨(张庆云等,2001)。
阻塞高压对北美天气的影响也非常大。每当阻塞高压在美国西岸形成时,来自太平洋的暖湿气流北上,在美国西部引起干旱和高温极值,而其东侧的偏北气流又引导极地冷空气入侵南方引起严重灾害。1963年美国经历了最寒冷的冬季,寒潮天气过程连续爆发,东北部出现强烈的暴风雪,而西部是持续性干旱。1987~1989年北美洲经历了3年干旱,干旱从美国西海岸开始向加拿大西北和南部扩展。在干旱的鼎盛期,美国大约36%的地区处于干旱中。1988年世界著名的黄石公园野火肆虐,农业遭受的灾害最大。干旱造成的损失估计为360亿美元(Clive Gifford,2005)。
实际上阻塞的影响是全球性的,比如2010年的全球大旱、极寒史上罕见。欧亚地区在这个夏季极端炎热和干旱,巴基斯坦在季风季节遭遇强降雨,而英国、德国、丹麦、意大利等欧洲国家也相继遭遇了强降雪,美国中北部也遭遇暴风雪袭击。这些气象灾害都和大气层的“阻塞”有关系。
每年阻塞高压出现的次数与温度的高低有关。我们通常定义年平均温度高于多年平均温度的年份为暖年,而低于平均温度的年份为冷年。在较暖的年份,由于高纬增暖明显,南北向温度梯度变小,致使南北向热量输送变小,影响了阻塞高压的发生。根据几十年的统计结果,冷年阻塞高压出现的次数比平均值多3.88次,而暖年偏少1.05次。冷暖年对阻塞高压出现次数的影响存在区域差异,暖年阻塞高压偏少区主要在东大西洋到欧洲(30°W~60°E,45°N~65°N),另一偏少地区在亚洲东部到西太平洋的较高纬度区(100°E~160°E,55°N~75°N);而暖年阻塞高压比平均增多的地区主要在乌拉尔山地区和阿拉斯加地区。粗略地说,两大阻塞高压活动区的西半部在暖年阻塞高压偏少,东半部则偏多,导致暖年乌拉尔山地区阻塞高压次数远多于欧洲和东大西洋地区,阿拉斯加也远多于东西伯利亚。冷年则完全相反。北太平洋活动区中,东西伯利亚阻塞高压次数偏多,而阿拉斯加地区则相反(张培忠等,1996)。
统计1950~2008年对我国影响较大的三个关键区的阻塞高压变化,发现乌拉尔山、贝加尔湖地区以及三个地区总的阻塞高压次数和天数都有明显的线性增加趋势,而鄂霍茨克海地区阻塞高压次数和天数虽然也有增加趋势,但趋势并不显著(李艳等,2010)。