乌拉尔山脉存在显著的大气环流，东亚地区容易形成大范围冷冬气候

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乌拉尔山地区持续性环流反复异常，冬季容易出现大范围的寒潮天气

1、乌拉尔山环流异常对东亚天气和气候的影响

乌拉尔山地区反复出现的持续性环流异常，是下游的东亚地区出现大范围异常天气和气候事件的重要前兆和直接原因之一，其中，以乌拉尔山阻塞高压为代表的持续性环流正异常受到了广泛地关注。在冬季，当乌拉尔山地区的阻塞高压崩溃时，堆积在阻塞高压东侧的冷空气将迅速向下游倾泻，引发我国和东亚地区的大范围寒潮天气。

当阻塞高压长时间持续维持时，例如2008年1~2月份乌拉尔山地区的阻塞形势维持了20多天，冷空气源源不断地向下游侵袭，在我国南方与暖湿气流交汇，最终导致我国南方出现了历史罕见的长时间、大范围的低温雨雪冰冻灾害。

从气候学角度看，当乌拉尔山地区阻塞高压活动增多时，频繁向下游输送的冷空气将增强西伯利亚冷高压和东亚冬季风，东亚地区容易形成大范围的冷冬天气。相反，当乌拉尔山地区阻塞高压活动减少时，西伯利亚冷高压和东亚冬季风则会减弱，东亚地区容易形成大范围的暖冬气候。

在夏季，乌拉尔山阻塞高压通过引导冷空气南下东亚地区来影响东亚夏季风降水，尤其是梅雨期降水。当乌拉尔山和鄂霍次克海地区同时形成阻塞高压，贝加尔湖地区为低压槽，500hPa位势高度场形成从乌拉尔山、贝加尔湖到鄂霍次克海的正-负-正的距平结构。

这种“两脊一槽”环流型（又叫“双阻型”、E型）的长时间维持或者出现频数增多，往往造成江淮流域发生持续性或者频繁的暴雨，导致梅雨期降水量异常偏多。反之，当乌拉尔山和鄂霍次克海地区同时形成低压槽，贝加尔湖地区为阻塞高压，500hPa位势高度场形成从乌拉尔山、贝加尔湖到鄂霍次克海的负-正-负的距平结构。

这种“两槽一脊”环流型（又叫“单阻型”、C型）的长时间维持或者出现频数增多，往往造成江淮流域梅雨期降水量异常偏少。与持续性环流正异常相对的，是以切断低压为代表的持续性环流负异常。切断低压常常伴随着阻塞高压同时出现，但也可以单独出现。与阻塞高压相比，切断低压受到的关注则很少。

尽管“两槽一脊”环流型涉及到乌拉尔山地区的持续性负异常，但人们的主要关注点仍是贝加尔湖地区的持续性正异常。有少量研究工作涉及到中亚低涡，这是一种与乌拉尔山高压脊相联系的、活动于中亚和我国新疆地区的深厚切断低压系统，移动比较缓慢，具有中期时间尺度（4天以上），常常带来暴雨（雪）和持续性低温等异常天气。

2、乌拉尔山环流异常的基本特征

一般地，在中高纬度地区，环流异常持续5天及以上，即可认定为“持续异常”。环流异常的持续时间通常为1~3周，很少会超过1个月。本文所谓“乌拉尔山环流异常”的时间尺度为5~30天，并且“环流异常”默认指位势高度场的异常。

最早研究北半球冬季500hPa位势高度持续异常的地理分布，关注的“持续异常”是指对固定地点而言，持续时间超过天气尺度变率的环流异常现象。他们发现了持续异常（持续5天及以上）出现频数较高的三个关键区域：北太平洋到阿留申群岛南部、北大西洋到格陵兰岛南部和由前苏联北部向东北到北冰洋上空（即乌拉尔山地区）。

在这三个区域，持续性环流正异常和负异常都反复出现。并且，不论按持续时间大于5天还是大于10天来统计持续异常事件的出现频数，乌拉尔山地区持续正、负异常事件的出现频数都大致相当。不同关键区域的持续异常极少能够同时发生，主要表现为单独发生。这说明大气环流持续异常是一种局地现象。

对乌拉尔山地区而言，其上游与之毗邻的欧洲地区、其下游与之毗邻的贝加尔湖地区，都不是持续异常出现频数较高的地区。这也说明乌拉尔山环流持续异常是一种局地现象，持续异常的移动性较弱，具有准定常性。

此外，这也说明乌拉尔山地区发生的持续负异常，不能直接归因于与乌拉尔山毗邻的上游区或下游区发生了阻塞高压，因为上游区和下游区都不是持续正异常出现频数较高的地区。

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了解乌拉尔山环流异常的形成原因，“持续性”的外源强迫比较显著

1、大气对持续性外源强迫的响应

针对环流异常的“持续性”这一显著特征，容易想到，“持续性”的外源强迫可以引起大气环流的持续性响应。“持续性”的外源强迫通常有：海温、海冰、雪盖以及地形。冬季北大西洋西北部区域的海温正异常（即暖海温），可以激发出位势高度场在北大西洋上空的正异常、欧洲上空的负异常和乌拉尔山地区上空的正异常响应。

即激发出从北大西洋、欧洲到乌拉尔山地区的正-负-正的距平波列，并且位势高度异常呈现相当正压的垂直结构；反过来，在冬季，当乌拉尔山地区形成持续正异常时，也观察到同期北大西洋西北部区域的海温正异常。

冬季巴伦支-喀拉海区域的海冰面积减小（增大），可以造成乌拉尔山以东地区上空形成位势高度正（负）异常，而乌拉尔山以西地区上空形成位势高度负（正）异常，位势高度异常呈现相当正压的垂直结构。

10月份欧亚大陆雪盖面积的增加，可造成冬季乌拉尔山上空形成垂直结构相当正压的位势高度负异常。前期欧亚大陆雪盖面积的增加（减小），可以造成后期乌拉尔山上空形成持续负（正）异常，但这种关系只显著存在于特定月份。

2、大气内部动力过程

一方面，持续性外源强迫对大气环流的影响，必须通过大气内部动力过程来实现。另一方面，大气环流持续异常的形成也可以只依靠大气内部动力过程，而“不依赖于”外源强迫的影响。因此，大气内部动力过程对环流持续异常的形成和维持是至关重要的。

阻塞高压的形成，通常对应于行星波1~8波能量的显著增长，尤其是超长波2~3波振幅的显著增长。行星波的振幅要显著增长，且大振幅要维持较长的时间，都必须有充足的能量供应。一般地，阻塞高压形成和维持的潜在能量来源，除非绝热加热之外。

只有三种：基本纬向气流平均动能的正压转换、基本纬向气流有效位能的斜压转换、波与波之间能量的非线性交换。阻塞高压形成和维持的能量来源，主要是基本纬向气流有效位能的斜压转换和波与波之间能量的非线性交换这两种。

前者对应于超长波的斜压不稳定增长（通常表现为“水平温度平流”），后者对应于天气尺度波向超长波的能量串级输送（通常表现为“瞬变涡旋的涡度输送”）；在不同地区的不同阻塞事件中，两种能量转换机制的相对重要程度很可能有所不同；非绝热加热也是超长波增长的能量来源之一，但重要程度可能不及前两种能量来源。

水平温度平流、超长波向天气尺度波输送能量以及非绝热冷却，也是阻塞高压崩溃的原因。大气中的能量转化必须至少有3种尺度的波动参与，即较小尺度、中间尺度和较大尺度3种波动。“双向转换”指中间尺度波动或者同时向较小尺度和较大尺度波动转化能量，或者同时从这两种尺度波动吸收能量。

“单向转化”指或者较大尺度和中间尺度波动的能量同增同减，与较小尺度波动交换能量；或者较小尺度和中间尺度波动的能量同增同减，与较大尺度的波动交换能量。能量的转化方向主要由流场的特征尺度所决定。

结语：在固定地区，某一类型大气环流异常的长时间持续维持，或者该类型异常的发生频数显著超过其多年平均发生频数，都会引起天气和气候的异常。“乌拉尔山环流异常”指的是乌拉尔山地区发生的持续时间长且反复出现的大气环流正、负异常现象。在特定地区反复出现的持续性的环流型，叫做大气流型域。

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