阻塞环流是造成大气环流异常的主要原因之一。在亚洲的乌拉尔山地区和鄂霍次克海地区经常发生阻塞环流。冬季乌拉尔山阻塞环流的崩溃会造成东亚大范围地区的寒潮^[1], 而夏季鄂霍次克海地区阻塞环流的建立和维持则是我国长江流域及日本南部降水持续发生的大气环流背景^[2~3]。因此, 对阻塞环流的研究一直受到广泛的重视。对大气阻塞环流建立、维持和崩溃的研究有许多不同的理论和方法。主要有多平衡态理论^[4]、外源强迫共振理论^[5]、孤立子^[6]及偶极子^[7]理论、强迫耗散非线性理论^[8]等。吴国雄等^[9]研究了时变扰动涡度输送对阻塞高压形成的作用。周伟灿^[10]则从正斜压流场和动能的角度对乌拉尔山阻塞环流进行了研究, 取得了有意义的结果。然而大气阻塞环流并非某一层大气的现象, 而是整个对流层深厚的环流系统, 具有很强的正压性, 不仅有很强的反气旋环流, 而且伴有很强的气旋环流, 例如Ψ型阻塞环流就包含有反气旋性环流和气旋性环流两种方向相反的环流系统。因此, 对阻塞环流的研究还应该着眼于整个对流层, 着眼于大气正压性环流的建立和维持, 此外还要兼顾反气旋性环流和气旋性环流的共同发展。黄昌兴等^[11]研究了阻塞过程的正、斜压涡度拟能的分布和传播特征。Zhu等^[12]推导出了控制正斜压涡度拟能变化的方程组。为此本文使用正、斜涡度拟能及其方程组对鄂霍次克海阻塞环流正斜涡度拟能的相互作用做进一步的研究, 取得了有意义的结果。

根据正斜压分解思想, 大气物理量垂直平均算子可以用下式表示:

p_s和p_t分别为地面和积分上限气压值, 本文近似取为1000 hPa和100 hPa。因 () m不随高度变化故称之为正压值, 斜压值定义为 ()_s=()-()_m, 随高度变化。对于涡度有ζ=ζ_m +ζ_s, ζ为总涡度, ζ_m为正压涡度, ζ_s为斜压涡度。局地总涡度拟能、正压涡度拟能和斜压涡度拟能分别定义为和。由于, 因此局地总涡度拟能为正压涡度拟能和斜涡度拟能之和。在整个阻塞区域σ内总涡度拟能和正、斜压涡度拟能分别表示为。

本文资料取自美国NCEP/NCAR的逐日再分析资料, 水平分辨率为2.5°×2.5°, 垂直分辨率共8层 (1000, 850, 700, 500, 400, 300, 200, 100 hPa), 在其中我们截取了北半球1998年6月1日至6月30日的资料。

1998年6月3~11日在鄂霍次克海上空 (50°~70°N, 132°~165°E) 发生了一次阻塞环流的发展过程, 阻塞高压中心位于鄂霍次克海北岸切尔斯基山脉上空, 两个闭合的气旋环流分别位于阻塞高压的西南侧和东南侧, 阻塞环流呈典型的Ψ型。阻塞区域内局地总涡度拟能及正、斜压涡度拟能的分布和传播特征已在文献[11]作了详细讨论, 本文不再重复。图1a给出了在这次阻塞发展过程中整个阻塞区上空总涡度拟能及正、斜压涡度拟能的演变曲线。由图可见, 在6月3~8日总涡度拟能和正压涡度拟能不断增长, 8~11日两者皆不断减弱。由于3日前和11日后总涡度拟能和正压涡度拟能变化不规则 (图略) 而在3~4日和10~11日总涡度拟能和正压涡度拟能虽然有上升和下降趋势, 但拟能本身数值较小。5~9日总涡度拟能和正压涡度拟能数值相对较大且维持达5天之久。总体上符合阻塞环流建立的标准, 因此可以认定3~11日在鄂霍次克海上空发生了一次阻塞环流, 3~4日为酝酿期、5~9日为维持期、9~10日为崩溃期。由图还可看到, 在此期间斜压涡度拟能的变化幅度很小, 且在4~5日和9~10日无明显的变化。因而斜压涡度拟能的演变特征, 不能作为确定阻塞环流的建立依据。图1b给出了相同时期同一区域上空总动能和正、斜压动能的演变图, 由图可见, 总动能和正压动能变化幅度虽然很大, 但是维持时间很短, 仅7日和8日的总动能和正压动能较其前后数值大, 不符合阻塞环流建立所要求的维持时间大于5天的标准, 实际上由于持续时间太短, 已不符合阻塞的定义。此外, 斜压动能也没有显著的变化特征。我们还分析了一些其他个例, 总涡度拟能和正压涡度拟能显著, 且其演变和阻塞生命史较为一致, 而正斜压动能则不明显。由上分析可见阻塞过程中阻塞环流变化的重要特征是其涡旋环流的强度变化, 而动能的强度变化不能反映阻塞环流的演变过程。

图 1

图 1. 1998年6月鄂霍次克海阻塞区域总涡度拟能 (空心圆)、正压涡度拟能 (实心圆) 和斜压涡度拟能 (空心方框)(a), 总动能 (空心圆)、正压动能 (实心圆) 和斜压动能 (空心方框)(b) 演变曲线

为进一步了解阻塞演变过程和正斜压涡度拟能的变化关系, 利用正斜压涡度拟能方程^[11]来揭示阻塞演变过程的物理机制。

(1)

(2)

式 (1) 和 (2) 分别为正、斜压涡度拟能方程。式中l为σ面的边界, v_m和v_s为在边界l上与边界垂直向外的正、斜压风速。在方程 (1) 和 (2) 中右边第一项为整个阻塞区域σ(p_s-p_t) 内正斜压涡度拟能的净通量, 即通过l面的净输入量。右边第二项在两方程中构成完全相同而符号相反, 这意味着当斜压涡度拟能减小 (增加) 时必有同等量的正压涡度的增加 (减小), 因此称为正、斜压涡度拟能转换项。右边第三项反映了由于β效应引起的正、斜压涡度拟能的变化, 称为β效应项。右边第四项为生成项, 由于其中含有ω量计算误差很大, 故将其与最后一项 (耗散项) 合并称为净生成项。

图2a为鄂霍次克海阻塞区域正压涡度拟能方程分项图。由图可见, 在鄂霍次克海阻塞环流的酝酿期 (3~4日), 正压涡度拟能增长的主要因子是转换项, 即斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换, 其次是β项, 通量项使其减弱, 即正压涡度拟能向区域外输送, 净生成项也使其减弱。在鄂霍次克海阻塞环流的维持阶段的前期 (5~7日) 正压涡度拟能继续增强, 其增强的主要因子也是转换项, 其次是通量项, 即有阻塞区域外的的正压涡度拟能向区域内输送, β项也有正的贡献, 净生成项则是使其减弱的主要因子。在鄂霍次克海阻塞环流的维持阶段的后期 (8~9日) 正压涡度拟能已开始减弱, 其减弱的主要因子是通量项和净生成项, 转换项是阻止其减弱的主要因子, β项有增有减作用不大。崩溃期 (11~12日) 正压涡度拟能继续减弱, 其减弱的主要因子是净生成项和β项, 转换项和通量项阻止其减弱。综上所述, 在这次阻塞环流发展中, 转换项始终有利于斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换且数值较大。因此转换项是阻塞环流建立、增强和维持的主要因子, 而不利于阻塞环流的崩溃减弱。在整个阻塞过程中净生成项数值也较大且始终为负值, 这意味着耗散大于生成。因此, 净生成项是阻止阻塞环流建立和维持的最主要因子。在阻塞过程中, 通量项变化较大, 有利于阻塞环流的维持。正是这些因子的综合影响, 从而使这次阻塞环流建立、维持并最终崩溃。

图 2

图 2. 1998年6月鄂霍次克海上空正 (a)、斜 (b) 压涡度拟能方程计算结果图 (局地变化项 (+号), 通量项 (空心圆), 转换项 (实心圆), β项 (空心方框), 净生成项 (实心方框))

在这次阻塞环流的发展过程中斜压涡度拟能的变化幅度很小, 阶段性不明显, 其原因何在?本文分析如下:图2b为鄂霍次克海阻塞区域斜压涡度拟能演变图, 图中显示, 斜压涡度拟能变化较小, 仅为正压涡度拟能变化的一半。β项和净生成项很小, 对斜压涡度拟能的增加贡献很小。通量项和转换项在阻塞前期绝对值都很大, 但其作用相反, 从而不利于阻塞环流正斜压涡度拟能的建立和维持, 在其后期两者又为负值 (只有6月9日通量为一弱的正值), 因而有利于斜压涡度拟能的建立和维持。总的来说, 在这次阻塞环流发展中, 斜压涡度拟能之所以变化较小, 最主要的原因是在整个过程中斜压涡度拟能始终向正压涡度拟能转换, 从而抵消了通量项使其增强的作用。

如果将阻塞区域内正、斜压涡度拟能看成为一个统一的系统, 则可进一步看到这一系统内总涡度拟能增强和减弱的主要机制, 并可清楚地发现正、斜压涡度拟能转换机制在系统内部所起的关键作用。图3显示了鄂霍次克海阻塞区总、正斜压涡度拟能的变化机制。由图3a可见, 在总、正斜压涡度拟能的增强期, 最主要的能源是斜压涡度拟能由区域外向区域内的净输入, 最主要的能汇是正压涡度拟能在区域内的净耗散, 其他各项机制也都对正压涡度拟能的增强起了一定的作用, 但其量较小。如果没有系统内部斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换, 则正压涡度拟能将会显著减弱, 不可能有正压型的阻塞过程出现。由此可见, 斜压涡度拟能向阻塞区内的净输入和正、斜压涡度拟能转换机制是这次阻塞环流建立的最主要机制。由图3b可见, 在总、正斜压涡度拟能的减弱期, 其最主要的能汇是正压涡度拟能的净耗散机制, 另一方面斜压涡度拟能的减弱机制不明显, 净生成机制使其加强。从而形成总涡度拟能减弱, 正压涡度拟能将减弱较快, 斜压涡度拟能反而增加, 阻塞环流将会提前结束。正是由于正、斜压涡度拟能转换机制使斜压涡度拟能转换为正压涡度拟能, 才能使得正压涡度拟能不致下降太快, 且斜压涡度拟能也随之减弱。由上分析可见, 正、斜压涡度拟能转换机制在整个阻塞环流增强和减弱过程中, 均起了不可缺少的关键作用。

图 3

图 3. 1998年6月鄂霍次克海阻塞区总、正斜压涡度拟能变化机制图 (a) 总、正斜压涡度拟能连续增强期 (3~7日), (b) 总、正斜压涡度拟能连续减弱期 (单位:10-15s-3)

图 4

图 4. 1998年6月鄂霍次克海阻塞过程中正、斜压涡度拟能转换项的分解图 (转换项 (实心方框), (空心方框))

综上所述, 这次阻塞环流所以形成、维持和崩溃, 斜压涡度拟能向正压涡度拟能转换是最主要的因素, 这与阻塞环流的建立过程中大气的斜压性减弱、正压性增强是一致的。本文进一步给出了正斜压转换机制。另一个重要的因素是净通量项, 此项表明阻塞区域外正、斜压涡度拟能向区域内的净输送也是形成这次阻高过程的主要因素, 后文将对这两项作进一步的分析。

在式 (1) 和 (2) 中, 转换项形式相同符号相反。当整个区域上空转换项[ζ_m∇·(V_sζ_s)_m]σ为正 (负) 时, 则斜 (正) 压涡度拟能向正 (斜) 压涡度拟能转换。从其表达式可见, 它是阻塞区域上空斜压风对斜压涡度的通量散度与正压涡度的乘积。由于ζ_m和ζ_s符号相同, 当整个区域平均的斜压风对斜压涡度拟能通量为辐合 (散) 时, 则将引起正压涡度拟能的增加 (减小), 斜压涡度拟能的减小 (增加), 即斜 (正) 压涡度拟能向正 (斜) 压涡度拟能转换。图4给出了这次阻塞过程中转换项及其在x和y方向两分量的变化特征。由图可见, 在整个阻塞过程中, 转换项的分量-始终大于零, 而且与整个转换项的变化趋势一致。而转换项的分量则不同, 3~6日为弱的正值, 7~11日为弱的负值。由此可见, x方向的通量散度对整个转换项具有重要的贡献。这意味着纬向斜压风对斜压涡度的输送在这次阻塞过程的建立、维持中皆有正的贡献。

由式 (1) 可见, 正压通量项也可分为两部分:

上式右端第一 (二) 项为正压纬 (经) 向风对正压涡度拟能纬 (经) 向的净输送。图5是对其计算的结果。由图可见, 在这次阻塞过程中, 正压纬向风对正压涡度拟能的净输送是主要的, 其整个变化趋势和总的净输送基本一致, 它决定了总的净输送趋势。正压经向风对正压涡度拟能的输送符号与正压纬向风的输送符号正好相反, 它抑制了正压纬向风的净输送值。因此, 从整个阻塞环流的建立和维持看, 纬向风对正压涡度拟能的净输送具有重要贡献。由式 (2) 可见斜压涡度拟能的通量比较复杂, 它由3项组成, 图6显示了在整个阻塞过程中它们的变化特征。由图可见, 在3项中又以斜压风对混合涡度拟能的净输送的贡献最重要 (-v_sζ_mζ_s), 它与整个斜压涡度拟能通量的变化基本一致, 正压风对斜压涡度拟能的净输送6月8日前起了相反的作用, 而在斜压风对混合涡度拟能的净输送中又以斜压纬向风对混合涡度拟能净输送的贡献重要 (图略)。

图 5

图 5. 1998年6月鄂霍次克海阻塞过程中正压涡度拟能通量项图 (通量项 (实心方框), (空心方框))

图 6

图 6. 1998年6月鄂霍次克海阻塞过程中斜压涡度拟能通量项图 (通量项 (空心圆), (实心圆))

综上所述, 这次阻塞环流所以能够建立和维持, 正、斜压涡度拟能的通量机制和转换机制起着重要作用。首先斜压风对混合涡度拟能的净输送, 使斜压涡度拟能增强, 然后又通过转换机制将其转换为正压涡度拟能, 使正压涡度拟能得以增长。其次正压纬向风对正压涡度拟能的净输送对阻塞环流也有一定作用。

用正、斜压涡度拟能方程对1998年6月3~11日发生在鄂霍次克海上空的一次阻塞环流过程进行了分析, 得到如下结果:

(1) 在这次阻塞过程中, 阻塞区内的总涡度拟能具有显著的变化, 它清晰地揭示了阻塞过程的酝酿阶段、维持阶段和崩溃阶段的不同特征, 而总动能所显示的阻塞过程变化特征则不明显。

(2) 应用正、斜压涡度拟能方程对整个阻塞过程中正、斜压涡度拟能的变化机制进行了研究。结果表明:整个阻塞区正、斜压涡度拟能相互转换机制是这次阻塞环流建立、维持的重要因子, 在整个阻塞过程中, 此项总是使斜压涡度拟能向正压涡度拟能转换, 而在转换机制中又以纬向斜压风对斜压涡度拟能的净输送作用最重要。

(3) 正压涡度拟能净通量是这次鄂霍次克海阻塞环流维持的另一因子, 在阻塞环流维持的前期, 由于正压涡度拟能从阻塞区外向阻塞区内的净输送使阻塞环流加强, 而在阻塞环流维持的后期则是阻塞环流减弱的重要因子, 其中又以斜压纬向风对混合涡度拟能净输送的贡献更重要。

(4) 在整个阻塞过程中的酝酿期和维持前期, 斜压涡度拟能的净输送特别是纬向净输送对斜压涡度拟能增长的贡献更重要, 但由于转换项的作用, 使其增加的斜压涡度拟能又通过转换机制使其转换为正压涡度拟能, 因而在整个阻塞过程中斜压涡度拟能变化不大。从这个意义上说, 斜压涡度拟能净通量与正压涡度拟能净通量一起均对鄂霍次克海阻塞环流的建立和维持具有重要的作用。转换机制则是其中一个不可缺少的环节。

本文只是对一次阻塞过程进行了分析, 结果是否适用于其他阻塞过程, 有待对更多个例进行深入研究。