北大西洋海洋锋调控冬季乌拉尔山阻塞高压崩溃与重建的诊断与模拟分析

Decay and recurrence of Ural blocking highs are crucial for triggering extreme cold spells in China; their biases influence the confidence in the prediction of East Asian winter climate. Recent studies have pinpointed that the bias in blocking frequency can be largely reduced by correcting the mean biases in the North Atlantic sea surface temperature (SST), but the underlying physical mechanism is unclear. Our preliminary results found that weakening of the North Atlantic SST front corresponds to weakening of the North Atlantic storm tracks and a significant decrease in the Ural blocking frequency, which motivate us to investigate the role of the North Atlantic SST front in the physical processes related to Ural blocking highs. Based on diagnosis and climate model simulations, we will first diagnose the contribution of dynamic and thermodynamic processes to the decay and recurrence of Ural blocking highs. Second, we will analyze how the North Atlantic SST front influences the decay and recurrence of Ural blocking highs via modulating the North Atlantic storm tracks and the eddy-driven jet; we will also reveal the underlying physical mechanism of these linkages. Third, we will identify the cause of biases in Ural blocking highs and suggest the possible way to reduce these biases. The expected outcome of this work will help reduce the biases and the projected uncertainties in Ural blocking highs, as well as improving the predictability of East Asian cold spells.

乌拉尔山阻塞高压的崩溃与重建是导致我国极端寒潮的关键原因，对其的模拟偏差影响东亚冬季气候的可信度。近年的研究显示，修正北大西洋海表面气温的偏差可以大幅修正阻塞高压发生频率的偏差，但是其中具体的物理机制尚不清楚。申请者前期的工作发现北大西洋海洋锋减弱使北大西洋风暴轴减弱，乌拉尔山阻塞高压发生频率显著减小。本项目将以大西洋海洋锋作为切入点，利用诊断分析和气候模式模拟试验，重点诊断乌拉尔山阻塞高压崩溃与重建中的各动力、热力过程的贡献，探讨大西洋海洋锋如何通过调控北大西洋风暴轴和中纬度西风急流影响乌拉尔山阻塞高压崩溃与重建，揭示其物理机制，并找出模式中乌拉尔山阻塞高压模拟偏差的原因及可能的订正方法。本项目的预计成果将有助于减少乌拉尔山阻塞高压的模拟偏差和不确定性，最终提升对东亚寒潮的预测能力。

本研究通过数值模拟试验修改北大西洋以及北太平洋大尺度海洋梯度, 通过对比海洋梯度正常以及大幅减弱的情况分析两大洋中纬度海洋锋影响北大西洋以及乌拉尔山阻塞高压的潜在物理机制。主要结果包括两部分: (1) 太平洋海洋锋加强大西洋海洋锋调控北大西洋阻塞高压活动的作用。大西洋海洋锋加强大西洋的风暴轴以及北大西洋中纬度西风急流, 使欧洲大陆的高压脊增强, 有利于欧洲大陆的阻塞高压活动, 西风急流增强则使格陵兰阻塞高压活动减弱。当大西洋以及太平洋海洋锋同时增强, 北太平洋海洋锋通过增强从太平洋延伸至大西洋的中纬度西风急流, 进一步加强北大西洋风暴轴、北大西洋中纬度西风急流以及欧洲大陆高压脊对大西洋海洋锋的晌应, 进而调控欧洲大陆以及格陵兰的阻塞高压活动。(2) 大西洋海洋锋以及太平洋海洋锋对乌拉尔山阻塞高压活动引起相反的影响。大西洋海洋锋增强大西洋往欧亚大陆延伸的风暴轴以及位于乌拉尔山的高压脊, 加强温带气旋活动与高压脊在乌拉尔山产生相互作用, 有利于乌拉尔山阻塞高压活动。另一方面, 太平洋海洋锋增强中纬度西风急流, 其形势类似北半球环状模, 对应北半球中纬度高度场纬向梯度增强, 不利于乌拉尔山出现阻高活动。以上工作均利用高度倾向方程对各个试验的阻塞高压过程进行诊断分析, 通过对比不同试验的结果, 探讨海洋锋对阻塞高压发生发展的贡献, 完善阻塞高压的机理认识。此外, 在本项目支持下完成了一系列的高分辨率气候模拟结果, 用于分析当前气候以及预估未来欧亚大陆极端天气的特征及其中的物理机理。