Impacts of Rossby wave propagation and local transient forcing on a heavy spring precipitation event in eastern China
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摘要:
为探讨2023年4月初中国东部极端强降水事件大气环流异常的演变机理，基于逐日NCEP再分析资料，通过诊断罗斯贝波能量频散和瞬变波强迫，研究了罗斯贝波传播和局地瞬变波强迫在欧亚中高纬度大气环流“双阻”形势建立与维持过程的作用以及可能的前兆信号，提出了中高纬度“双阻”型环流分布影响2023年4月初中国东部极端强降水的可能机制，结果指出：前期极涡较强，类似极地欧亚遥相关（类POL）作用引起乌拉尔山至东北亚地区高压脊发展，由北大西洋强降水激发的罗斯贝波向下游传播，在上游罗斯贝波和贝加尔湖西部冷空气瞬变强迫的共同作用下，乌拉尔山至东北亚地区上空形成较为稳定的“+−+”型，即“乌拉尔山阻塞高压、贝加尔湖低压槽和东北亚阻塞高压”型双阻分布形势：乌拉尔山、东北亚阻塞高压为异常热源，具有上下相当正压结构；贝加尔湖低压槽为异常冷源，上下为斜压结构；“双阻”型环流分布中的经向风异常增大了冷（暖）空气的向南（北）输送，当副热带西风急流中频散到中国东部的弱波动与中高纬度罗斯贝波同位相叠加时，中高纬度“+−+”型罗斯贝波向南伸展，加强经向风。在低空反气旋西南侧较强的南风和东北亚阻塞高压下沉气流增温的共同作用下，中国东部显著增温，随着贝加尔湖西部强冷空气下沉南压，中国东部相继形成了强冷锋、气旋和切变线，产生暴雪、寒潮、强对流和强降水天气。当北大西洋再次激发罗斯贝波向下游传播时，北大西洋东部阻塞高压加强东移，乌拉尔山阻塞高压减弱崩溃，中国东部降水结束。
Abstract:To explore the evolution mechanism of atmospheric circulation anomalies during the extreme heavy precipitation event in eastern China in early April 2023, Rossby wave energy dispersion and transient forcing are diagnosed based on the NCEP daily reanalysis dataset. Impacts of Rossby wave propagation and local transient wave forcing on the establishment and maintenance of the double-blocking circulation distribution in the middle to high latitudes over Eurasian region and possible precursor are investigated, and possible mechanisms behind the double-blocking circulation distribution in the middle to high latitudes that affected the extreme heavy precipitation in eastern China in early April 2023 are explored. Results are as follows. Under the strong polar vortex in earlier period, a teleconnection similar to the polar Eurasian distant correlation (POL) caused abnormal positive anomalies of geopotential height from the Ural Mountains to Northeast Asia. Meanwhile, Rossby waves triggered by heavy precipitation in the North Atlantic propagated downstream. The combined effects of upstream Rossby waves and transient forcing of cold air in the west over Lake Baikal caused a relatively stable "+−+" pattern of double-blocking circulation from the Ural Mountains to Northeast Asia, namely the pattern of the "Ural Mountains blocking high, Baikal Lake trough, and Northeast Asia blocking high". The Ural Mountain blocking high and the Northeast Asia blocking high are abnormal heat sources, both of which showed a barotropic atmospheric structure; the Lake Baikal low trough is an abnormal cold source with baroclinic structure. The meridional wind anomalies under the double-blocking circulation strengthened southward (northward) transport of cold (warm) air. When the weak fluctuations of the subtropical westerly wind jet over the eastern China were in phase with Rossby waves in the middle to high latitudes, the "+−+" pattern of Rossby waves extended to the south and strengthened meridional winds. Under the combined effects of the strong southerly winds on the southwest side of the low-level anticyclone and the warming of the sinking airflow associated with the Northeast Asia blocking high, temperature increased in eastern China. When the cold air over western Lake Baikal descended and moved to the south, strong cold front, cyclone and shear line formed one after another from north to south in eastern China, leading to snowstorms, cold waves, strong convections and heavy precipitation. When Rossby waves were triggered again in the North Atlantic and propagated downstream, the eastern North Atlantic blocking high strengthened and moved eastward, the Ural Mountain blocking High was weakened and collapsed, and the precipitation in the eastern China ended.
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1. 引 言
在全球气候变暖背景下，近年来中国极端天气、气候事件发生频率和强度均显著增加，如2008年1月中国南方低温雨雪冰冻灾害（Wu，et al，2011；Kuang，et al，2019）、2021年超级寒潮（Luo，et al，2023）、“21.7”河南极端暴雨（姚秀萍等，2023）和“23.7”京津冀极端暴雨（张江涛等，2023）等。2023年4月初中国东部发生大范围风、雹、雨、雪混合型极端降水事件，该过程具有降水量大、持续时间长、相态复杂、预报难度大等特点，严重影响人民的生产、生活。
大气环流的持续异常是造成中国极端灾害天气的直接原因。东北亚—鄂霍次克海上空稳定维持的阻塞形势导致1954、1991年夏季江淮流域特大洪水（陶祖钰等，1994）；欧亚大范围稳定的大气环流异常造成1998年长江流域超强梅雨并引发严重洪涝灾害（陶诗言等，1998）。无论冬季还是夏季，乌拉尔山地区、东北亚地区是北半球大气环流易发生持续异常的高发区（Dole，1983；李金龙等，1994），且与Rossby波能量频散密切相关；上游罗斯贝波的能量传播利于乌拉尔山附近大气环流异常的长时间维持（廉毅等，2010）；极地和东北亚位势高度异常存在跷跷板式相关，即极地欧亚遥相关（POL），北极海冰异常激发的罗斯贝波通过POL影响东北亚（Han，et al，2021；Xu，et al，2021；Yang，et al，2021），Luo等（2021）根据个例分析指出北极海冰的季节内融化通过向上异常热通量激发异常反气旋并向东南传播，进而在东亚地区形成异常气旋，影响入侵中国的冷空气活动。
大气环流的持续异常与两类强迫因子有关：直接的非绝热加热异常强迫（如表层海温异常、凝结潜热释放及感热输送等）和大气内部瞬变扰动异常强迫（Hoskins，et al，1983）；表层海温异常对大气环流的维持和变化起重要的作用（Liu，et al，2006），如黑潮海区异常加热可以通过改变中高纬度大气之间温度和位势高度梯度来影响北半球大气环流；感热输送产生的扰动有效位能是罗斯贝波活动的能量来源，如欧洲西部加强的高压脊诱导强冷空气在地中海附近入侵西风急流，激发罗斯贝波动并沿急流向东传播，由此加深的印缅低压槽在中高纬度阻塞形式的配合下造成了中国南方大范围持续强降水（Li，et al，2015）；凝结潜热释放同样是一个有效的罗斯贝波波源，如在华南地区大范围降雨可激发异常反气旋，进而影响“北霾”的发生（安霞东等，2023），早夏印度洋强降雨激发的热带大气季节内振荡信号向东北频散，引起长江以南降水偏多（陆晓娟等，2022）。大气内部瞬变扰动可从大尺度时间平均流中摄取能量而发展，同时又通过扰动通量作用于时间平均流，从而形成对大尺度环流的强迫效应（Lau，et al，1991；耿全震等，1996）；瞬变扰动异常与时间平均气流异常有一种共生关系，与大气遥相关型发生联系（朱伟军等，2000；Nakamura，et al，2002）。
罗斯贝波理论上是由β效应（地转参数随纬度的变化）造成的大气波动，具有频散特征，Nakamura等（Nakamura，1994；Nakamura，et al，1997）指出向下游传播的静止罗斯贝波在阻塞高压形成过程中具有重要作用，Enomoto等（2003）提出相当正压结构是静止罗斯贝波沿对流层上层的亚洲急流传播的结果。有研究表明罗斯贝波能量的频散过程的传播特征在不同时期和不同环流型间存在明显差异（潘婕等，2008；覃皓等，2022；孙思远等，2022）。在冬季，欧亚地区上层存在静止罗斯贝波列，罗斯贝波能量向东频散并堆积，使得东亚大槽长期维持，加强东亚冬季风；在夏季，罗斯贝波能量影响东亚地区，致使副热带高压西伸，加强东亚夏季风（许金萍等，2017）；副热带高压的西伸北跳与欧亚静止罗斯贝波列密切相关，波动能量沿急流东传至中国东部沿海地区，激发长波脊，影响中国东部雨带位置（陶诗言等，2006）。罗斯贝波活动与盛夏东亚-太平洋（EAP）事件相关显著，EAP型的罗斯贝波能量频散对东北亚异常中心的形成与维持有重要的作用（施宁等，2009），也是华南地区极端降水增多的原因（成泽伦等，2023）；罗斯贝波扰动动能沿急流的强弱变化影响急流位置的南北移动以及急流的强度变化，夏季200 hPa扰动波列偏强时急流偏南，中纬度地区存在形态为“+−+−”的罗斯贝波列，该波列的传播形态影响中国东部降水的分布和强弱（杨莲梅等，2007a，2007b；黄海燕等，2016；李明刚等，2016）。
大气内部的瞬变扰动异常强迫对中纬度大气环流异常的作用并没有得到全面深入的分析（吴国雄等，1997；Kushnir，et al，2002；Ferreira，et al，2005）。中纬度地区存在南北方向大的温度梯度和垂直方向显著的水平风速切变，是全球大气斜压性较强的区域，易产生活跃的天气尺度扰动活动（Blackmon，1976；Hoskins，et al，2002）；太平洋和大西洋的纬向延伸区由于处于海洋锋区上空（Hoskins，et al，2002），为天气尺度扰动活动的主要活跃区（Blackmon，1976）；另外欧亚大陆也是瞬变扰动的生成地，与欧亚极端天气和气候事件密切相关（Chen，et al，2013）。众多的研究结果将阻塞高压与天气尺度波联系起来，Shutts（1983）利用准地转模式讨论了瞬变扰动的强迫作用，认为这种作用可以使阻塞高压维持；Tanaka（1991）利用非线性模式对阻塞过程进行了模拟和分析，认为瞬变扰动将能量传给行星波1波，行星波1波的增幅造成了阻塞；陆日宇（2001）通过个例分析表明上游巴伦支海高频波的能量输入是夏季东北亚阻塞高压维持的原因；毕慕莹等（1992）以及吴国雄等（1994）研究指出瞬变涡动的位涡输送在东北亚阻塞高压的维持中起着十分重要的作用；任余龙等（2017）通过个例研究得出4月瞬变波能量在乌拉尔山区域达到最大，瞬变扰动异常强迫是春季乌拉尔山高压脊得以发展和维持的原因。
非绝热加热异常强迫与大气内部瞬变扰动异常强迫对大气环流平衡响应具有重要的作用（Kushnir，et al，1992；Ting，et al，1995；Peng，et al，1999，2003），瞬变扰动强迫可以使非绝热加热异常强迫引起的线性斜压响应转变为相当正压结构响应（Hoskins，et al，1981；Hendon，et al，1982）；北大西洋上空的非绝热加热异常强迫可以刺激欧亚大陆中高纬度地区的瞬变波列（Lu，et al，2020），是欧亚大陆降水和极端降水最重要的机制之一（Bothe，et al，2012；Liu，et al，2017；Wolff，et al，2017），而瞬变扰动强迫受基本气流的影响较大，其强度和位置具有明显的年际差异（Sheng，et al，1998；Chu，et al，2020）。
以上研究大多在冬季或夏季背景气流条件下孤立地讨论罗斯贝波传播或瞬变强迫对大气环流异常及中国降水分布的影响，而在春季背景气流条件下将罗斯贝波传播和瞬变强迫结合起来针对极端强降水的研究少之又少，为了深入认识春季中国极端强降水形成、变化的原因，有必要以二者相结合的方法探讨春季大气环流异常对中国东部极端降水的影响机制及可能的预测信号，提高春季中国东部强降水的预测能力，为防灾减灾决策提供一定的科技支撑。
2. 数据与方法
2.1 数据简介
本研究所用数据为2023年3月27—4月7日和1991—2020年平均的3月27—4月7日NCEP/NCAR 逐日再分析资料，其水平分辨率为2.5°×2.5°，从1000 hPa到100 hPa共计12层等压面，气象要素包括位势高度、水平风场、垂直速度、气温、相对湿度、海平面气压。为了对比，降水量所用数据分别来自NOAA气候预测中心（CPC）以及欧洲中期预报中心提供的再分析（ERA5）降水数据集，空间分辨率均为0.5°×0.5°。
文中以1991—2020年气候平均场为基本流场，异常（扰动）场为降水期间环流场减去基本流场。然后利用巴特沃斯（Butterworth）滤波方法滤出瞬变波动（周期为2.5—6 d）。
2.2 研究方法
2.2.1 波作用通量
使用参考Takaya等（2001）方法计算的 T-N波作用通量来表征大气罗斯贝波的传播。Takaya等（2001）所推广的Plumb 波作用通量更适用于复杂的环流背景场，可以更好地描述振幅较大的西风带罗斯贝波扰动，在西风条件下，波作用通量表现为一个矢量，是波动能量传播的一种度量，该矢量的方向与罗斯贝波能量传播方向相同，也与波动群速度的矢量方向相同，其绝对值的大小可以表示罗斯贝波波动能量的大小，与波动能量的传播速度成正比。当波作用通量散度大于0（辐散）时，表示波作用的输出，平均西风加强；反之，波作用通量散度小于0（辐合）时，代表波作用的汇合，平均西风减弱。具体计算公式如下
w = \frac{{p\cos \varphi }}{{2\left| {\boldsymbol U} \right|}}\left( {\begin{array}{*{20}{l}} {\dfrac{u}{{{a^2}\cos \varphi }}\left[ {{{\left( {\dfrac{{\partial {\psi'}}}{{\partial \lambda }}} \right)}^2} - {\psi'}\dfrac{{{\partial ^2}{\psi '}}}{{\partial {\lambda ^2}}}} \right]}+ \\ { \dfrac{v}{{{a^2}\cos \varphi }}\left[ {\dfrac{{\partial {\psi '}}}{{\partial \lambda }}\dfrac{{\partial {\psi '}}}{{\partial \varphi }} - {\psi '}\dfrac{{{\partial ^2}{\psi '}}}{{\partial \lambda \partial \varphi }}} \right]} \\ {\dfrac{u}{{{a^2}\cos \varphi }}\left[ {\dfrac{{\partial {\psi '}}}{{\partial \lambda }}\dfrac{{\partial {\psi '}}}{{\partial \varphi }} - {\psi '}\dfrac{{{\partial ^2}{\psi '}}}{{\partial \lambda \partial \varphi }}} \right]}+ \\ { \dfrac{v}{{{a^2}}}\left[ {{{\left( {\dfrac{{\partial {\psi '}}}{{\partial \varphi }}} \right)}^2} - {\psi '}\dfrac{{{\partial ^2}{\psi '}}}{{\partial {\varphi ^2}}}} \right]} \end{array}} \right) (1) 式中，w为波作用通量（单位：m2/s2 ），U（u，v）为风场（单位：m/s），
{\psi {'}}\left(\phi/f\right) 为扰动流函数，\phi 为位势高度异常（单位：m2/s2)，f 为科里奥利参数（单位：s−1），a 为地球半径（单位：m），\varphi 为纬度，\lambda 为经度。2.2.2 罗斯贝波波源
由于大气中的大尺度辐散风场主要与大气中的非绝热加热和大地形作用有关，因此异常涡度源
S 大体上可代表受外部强迫源强迫的定常罗斯贝波。利用Sardeshmukh等（1988）推导的波源公式诊断了北大西洋强降水时的罗斯贝波波源分布特征，因此，对流层上层的定常辐散场所产生的涡度源可以表示为S = - {\nabla _{\text{H}}} {\text •} \left\{ {U'_\chi \left( {f + \overline \zeta } \right)} \right\} - {\nabla _{\text{H}}} {\text •} \left\{ {U'_\chi {\zeta'}} \right\} (2) 式中，
{\nabla _{\text{H}}} 为水平梯度算子，\zeta 为相对涡度（单位：s−1），下标\chi 代表散度风分量；其余同上。2.2.3 大气视热源
为了诊断降雨产生的非绝热加热，利用Yanai等（1973）提出的视热源公式计算了热源
{Q_1} = \frac{{\partial T}}{{\partial t}} - \left( {\omega \sigma - {\boldsymbol V} {\text •} \nabla T} \right) (3) 式中，
T 为气温（单位：K），t 为时间（单位：s），\omega 为垂直速度（单位：Pa/s），V为风场（单位：m/s），\sigma 为静力稳定度\left( {\dfrac{{RT}}{{{c_p}P}} - \dfrac{{\partial T}}{{\partial P}}} \right) ，R 为气体常数（取287 J/（kg·K）），p 为气压（单位：Pa），{C_P} 是定压比热（取1004 J/（kg·K））。2.2.4 辐散风
风场可分解为
{\boldsymbol V} = {V_\chi } + {V_\psi } (4) 式中，
{V_\chi } 为辐散风，{V_\psi } 为旋转风，单位：m/s。势函数满足拉普拉斯方程
D = {\nabla ^2}\chi (5) {V_\chi } = \nabla \chi (6) 式中，
D 为流体的散度（单位：s−1），\chi 为势函数，\psi 为流函数。势函数利用超松弛迭代法求解方程得到。环流的辐合辐散特征用辐散风{V_\chi } 表示。2.2.5 E-P通量
天气尺度瞬变扰动对于大气时间平均位势高度的变化主要表现为瞬变涡度强迫和瞬变热力强迫。
\begin{split}&\left[ {\frac{1}{f}{\nabla ^2} + f\frac{\partial }{{\partial p}}\left( {\frac{1}{\sigma }\frac{\partial }{{\partial p}}} \right)} \right]\frac{{\partial \overline \phi }}{{\partial t}} = - f\frac{\partial }{{\partial p}}\left( {\frac{R}{{\sigma p}}{Q_{{\text{eddy}}}}} \right) -\\&\quad \nabla {\text •} \left( {\overline {{V{'}}{\zeta {'}}} } \right) + R \approx - \frac{\partial }{{\partial y}}{\nabla _3} {\text •} E + R \end{split} (7) 式中，
\nabla {\text •} \left( {\overline {{V'}{\zeta '}} } \right) 为瞬变涡度强迫，- f\dfrac{\partial }{{\partial p}}\left( {\dfrac{R}{{\sigma p}}{Q_{{\text{eddy}}}}} \right) 为瞬变热力强迫。Hoskins等（1983）指出，在一定的假设条件下位势高度倾向与E-P通量的三维散度的纬向梯度成正比，其中
E = \left( \overline {{v^{'2}} - {u^{'2}}}， \overline { - {u{'}}{v{'}}} ，{f_0}\overline{ {v{'}}{\theta {'}}}/ {\Theta _p} \right) 为E-P通量，{\Theta _p} = \dfrac{{\partial {\theta _0}}}{{\partial P}} 。E-P通量的三维散度与平均纬向风的倾向成正比。\frac{{\partial \overline u }}{{\partial t}} \propto {\nabla _3} {\text •} E (8) 式（8）表示当E-P通量辐散时，纬向西风（
\overline u ）增大；当E-P通量辐合时，\overline u 减小，可以通过分析E-P通量来定性地分析瞬变扰动与时间平均纬向风的关系。3. 降水天气过程
2023年4月1日夜间至5日受较强冷空气和暖湿气流共同影响，中国东部出现大范围降雪、雨夹雪和降雨，其中内蒙古中部、甘肃西部等地出现暴雪、局地特大暴雪，累计降水量10—30 mm，局地50—80 mm，陕西中南部、华北南部、黄淮、江淮西部、江汉、江南中西部和华南北部的部分地区出现暴雨、局地大暴雨，累计降水量50—150 mm，局地200—300 mm（图1a、b）。江汉、江南和华南等地出现短时强降水，最大小时雨量达118 mm/h，伴有雷暴大风和冰雹，最大风速达41.2 m/s（13级）。对比图1a和b可知，来自CPC和来自ERA5的累计降水量（4月1—6日）基本是一致的，说明CPC的累计降水量是可信的。图2中的降水实况来自CPC。
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图 1 2023年4月1—6日中国东部地区 （a. CPC累计降水量，b. ERA-5累计降水量；单位：mm）Figure 1. The area of eastern China during 1—6 April 2023 （a. cumulative precipitation from CPC，b. cumulative precipitation from ERA5；unit：mm）![]()
图 2 四个代表站降水量和最高气温变化情况 （a，折线：降水量，单位：mm；柱状图：最高气温，单位：℃） 以及850 hPa气温异常场、风速异常场和地面降水（b. 4月2日，c. 4月3日；黑线：气温，单位：℃；箭矢：风速，单位：m/s；蓝色锯齿线表示冷锋，红色锯齿线表示暖锋，“D”为气旋中心）Figure 2. Changes in precipitation and maximum temperature at four representative stations （a，dashed line：precipitation，unit: mm；bar chart：maximum temperature，unit：℃），as well as temperature anomaly and wind speed anomaly at 850 hPa and surface precipitation （b. on 2 April，c. on 3 April；black line：temperature anomaly，unit：°C；vector：wind speed anomaly，unit：m/s；the blue sawtooth line represents cold front，the red sawtooth line represents warm front，"D" represents the center of cyclone）强降水出现之前，中国东部南风较强，气温明显升高，1日呼和浩特最高气温为22.9℃，3日长沙最高气温为29℃（图2a），受暖锋影响（图2b），江淮西部一带出现明显降雨。强冷空气从1日夜间开始由北向南依次影响中国东部（图2a），受强冷锋影响（图2b），2日河套一带出现寒潮、大风和暴雪，呼和浩特局地出现特大暴雪（降水量为26.1 mm）；随着冷空气东移南压，3日冷暖气流在江淮一带相遇并形成气旋（图2c），江淮西部一带出现暴雨、局地大暴雨（黄冈站降水量为88.6 mm）；4—5日气旋向东北方向移动，受其影响，山东半岛一带出现明显降雨，气旋后部的冷空气继续向南移动，在中国南方形成低空切变线（图略），江汉和江南中西部（长沙站降水量为59.3 mm）及华南北部（韶关站降水量为154.3 mm）出现暴雨、局地大暴雨；6日降水明显减弱，冷空气的影响接近尾声，呼和浩特最低气温降至−3.3℃，长沙最低气温降至7.1℃（图略）。降水期间由于高低空温差加大，多地出现短时强降水、雷电、冰雹和雷雨大风等强对流天气。
4. 大气环流异常演变特征
春季在中国东部大范围混合型极端降水的出现是很少见的，分析2023年3月27日—4月7日300 hPa逐日平均位势高度场演变特征可知，从中高纬度来看，3月28—30日为乌拉尔山阻塞高压发展期（图3a），此时北大西洋东部上空为高压脊，西欧至日本一带上空为两槽一脊分布，乌拉尔山至东北亚上空为宽广的高压脊区，地中海以北和日本一带均为低压槽区。3月31日—4月4日北大西洋东部为阻塞高压，欧亚一带（乌拉尔山至东北亚）上空和夏季“双阻”型梅雨形势类似（朱乾根等，1981），呈现“双阻”型环流分布（图3b）：一个位于乌拉尔山附近，另一个位于东北亚附近，其中乌拉尔山阻塞高压较强，为“Ω”型分布，二者之间为贝加尔湖低压槽区；对应300 hPa位势高度异常场（图3d），乌拉尔山、东北亚附近上空均为位势高度正异常中心，贝加尔湖西部为负异常中心，北大西洋东部位势高度正异常较弱，南北呈“哑铃”状，由于环流形势相对稳定，乌拉尔山阻塞高压一直维持“Ω”型分布，因而此时期为乌拉尔山阻塞高压稳定持续期。4月 5—6日为乌拉尔山阻塞高压衰退期（图3c），此时北大西洋东部阻塞高压较强并东移，乌拉尔山“Ω”型阻塞高压变为西北、东南向高压脊，东北亚高压脊、贝加尔湖低压槽也相应减弱东移。
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图 3 300 hPa平均位势高度场（a. 2023年3月28—30日乌拉尔山阻塞高压发展期，b. 3月31—4月4日乌拉尔山阻塞高压稳定期，c. 4月 5—6日乌拉尔山阻塞高压衰减期） 和 （d） 乌拉尔山阻塞高压稳定期300 hPa平均位势高度异常场（单位：gpm；等值线间隔100 gpm）Figure 3. Average geopotential height at 300 hPa （a. development period of the Ural Mountain blocking High during 28—30 March 2023；b. maintenance period of the Ural Mountain blocking High during 31 March–4 April；c. decay period of the Ural Mountain blocking High during 5—6 April） and （d） average geopotential height anomaly at 300 hPa during 31 March—4 April （unit：gpm；contour lines are at intervals of 100 gpm）分析位势高度和气温异常场的垂直结构可知，乌拉尔山阻塞高压发展期（图4a），300 hPa以下乌拉尔山至东北亚一带为气温正异常；乌拉尔山和东北亚附近850 hPa以上的高空为位势高度正异常、以下为负异常，高低空配置不是相当正压结构，乌拉尔山和东北亚附近的正异常中心分别位于200 hPa和300 hPa；贝加尔湖西部区域700 hPa以上的高空为位势高度正异常弱值区，以下为负异常。阻塞高压稳定持续期（图4b），乌拉尔山和东北亚附近上下变为相当正压结构（Hoskins，et al，1981；Hendon，et al，1982），正异常中心位于300 hPa且强度变强；贝加尔湖西部区域300 hPa以下变为气温负异常，300 hPa出现位势高度负异常中心，上下不是相当正压结构。乌拉尔山阻塞高压衰退期（图略），乌拉尔山至东北亚一带300 hPa位势高度正、负异常中心强度均明显减弱，乌拉尔山附近上空位势高度异常场变为非相当正压结构。
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图 4 沿50°N垂直剖面 （色阶：气温异常，单位：°C；黑线：平均位势高度异常场，单位：gpm，等值线间隔50 gpm）（a. 3月28—30日乌拉尔山阻塞高压发展期，b. 3月31—4月4日乌拉尔山阻塞高压稳定持续期）Figure 4. Vertical cross sections along 50°N （color scale：temperature anomaly，unit：°C；black lines：geopotential height anomaly，unit：gpm，contour lines are at the interval of 50 gpm） （a. development period of the Ural Mountain blocking High during 28—30 March，b. maintenance period of the Ural Mountain blocking High during 31 March–4 April）5. 大气异常环流中罗斯贝波的传播
Wallace等（1981）研究指出某地区上空大气环流发生异常可能引起另外一些地区上空大气环流的异常，Hoskins等（1981）认为大气环流异常遥相关是一种罗斯贝波波列的分布，这种波列的形成是由于某地区强迫源强迫所产生准定常行星波在球面大气能量频散的结果，而经向风异常的传播可表征罗斯贝波的传播（Li，et al，2015）。
2023年春季强降水期间300 hPa中高纬度较强的南北经向风异常交替出现（图5）、稳定少动，其纬向分布与“双阻”型环流分布（图3d）的南、北风异常分布基本一致，表明中高纬度罗斯贝波的能量传播可能是形成“双阻”型环流分布（图3d）的重要原因；另外在15°—35°N有一条非常长而强大的副热带西风急流，从北非向东一直延伸到东亚和西太平洋地区，中国东部处于急流出口区的左前侧辐散区，区别于副热带西风急流中较强波的传播（Li，et al，2015），副热带西风急流中向东传播的南北风异常较弱（图5）。
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图 5 3月31—4月4日乌拉尔山阻塞高压稳定持续期300 hPa经向风异常和平均纬向风 （单位：m/s；色阶：经向风异常，黑实线：平均纬向风，等值线间隔10 m/s，仅显示大于15 m/s的纬向风）Figure 5. Meridional wind anomalies and average zonal winds at 300 hPa in the maintenance period of the Ural Mountain blocking High during 31 March—4 April （unit：m/s；color scale：meridional wind anomaly；black solid line：average zonal wind，contour lines are at the interval of 10 m/s，values of 15 m/s and above are displayed）由于T-N通量是波动能量传播的一种度量，水平分量可以表示罗斯贝波波动能量的水平传播方向以及能量的大小，利用T-N通量对3月27日—4月7日300 hPa大气异常环流中罗斯贝波的能量频散特征进行逐2 d分析（图6a—f），可知3月27日（图6a）北大西洋区域存在大片较强的波作用通量辐散区（波源区），其激发的罗斯贝波能量向下游方向频散，一部分在北欧一带辐合，利于该地区位势高度负异常的加强及冷空气侵入（Li，et al，2015），另一部分在大西洋东部辐合，利于该地区位势高度正异常的加强；另外黑海北部有强度较弱的波作用通量辐散区，由于北极极涡较强，类似于负位相极地欧亚遥相关（称之为“类POL”）（Luo，et al，2021），波作用通量频散带从黑海北部至北极区域一带向印度半岛北部延伸，波作用通量在乌拉尔山一带辐合，利于乌拉尔山附近位势高度正异常的发展、低频波加强（Gu，et al，2018）和背景西风减弱（Zhang，et al，2022）。
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图 6 2023年3月27日—4月7日罗斯贝波波作用量逐2 d演变特征 （a. 3月27日，b. 3月29日，c. 3月31日，d. 4月2日，e. 4月4日，f. 4月6日） 和平均演变特征（g. 3月28—30日阻塞高压发展期，h. 3月31—4月4日阻塞高压稳定持续期）（色阶：水平波作用量通量散度，单位：10−5 m/s2，仅显示大于1个单位的散度；黑线：流函数异常，单位：106 m2/s，等值线间隔5个单位；箭矢：水平波作用量通量，单位：m2/s2，仅显示大于7个单位的通量；红色箭头表示水平波作用量通量主要频散方向）Figure 6. Evolution characteristics of Rossby wave activity flux at 300 hPa during 27 March—7 April 2023 （a. 27 March ，b. 29 March，c. 31 March，d. 2 April，e. 4 April，f. 6 April） and average evolution characteristics （g. development period of the blocking High during 28—30 March，h. maintenance period of the blocking High during 31 March—4 April） （color scale：wave activity flux divergence at 300 hPa，unit：10−5 m/s2，values of 1 unit and above are displayed；black line：stream function anomaly，unit：106 m2/s，contour lines are at the interval of 5 units；vector：horizontal wave activity flux，unit：m2/s2，values of 7 units and above are displayed；red arrows indicate main dispersion directions of horizontal wave activity flux）29日（图6b），北大西洋波源区东移，大西洋东部正异常加强东移，原北欧一带负异常东移加强并南压至黑海一带，来自北大西洋的频散与黑海北部本身激发的频散汇合后继续向下游传播，促使下游位势高度正异常的发展；在类POL作用下，北极区域的波作用通量继续在南部贝加尔湖一带频散辐合，利于后期东北亚位势高度正异常的发展、低频波的加强和背景西风的减弱。
31日（图6c），北大西洋波源区减弱明显，北大西洋东部正异常相应减弱，和Nakamura等（Nakamura，1994；Nakamura，et al，1997）研究一致，乌拉尔山附近位势高度正异常在上游波作用量的作用下明显加强并向北伸展，引导北极冷空气从贝加尔湖西侧入侵南压，另外其西北侧出现新的波源区，上游来的波作用通量与新激发的波作用通量汇合后沿欧亚高压脊北侧（图3a）向下游频散，贝加尔湖西部负异常和东北亚正异常相继发展；黑海一带波源区变大、变强，向下游频散的波作用通量，大部分向东北方向进入乌拉尔山附近区域，促进乌拉尔山高脊的发展，小部分向东南方向进入副热带急流并向东频散，这和刁一娜等（2004）关于瞬变天气尺度扰动沿“Ω”型阻塞流场的频散路径是一致的。在上述波作用通量频散作用下，中高纬度乌拉尔山到东北亚一带形成“+−+”型罗斯贝波频散波列（图6c），此时乌拉尔山“Ω”型阻塞高压形势建立（Luo，et al，2014）。
4月2日（图6d），乌拉尔山阻塞高压及东北亚阻塞高压北部正异常连通在一起，“+−+”型罗斯贝波列加强并缓慢向太平洋上空急流方向（图5）东移南压，中高纬度“+−+”型东西向频散带变为西北-东南向，副热带西风急流中向东传播的波作用通量在中国东部建立位势高度正异常，东北亚位势高度正异常因而南伸到海南岛一带；此时北大西洋区域又产生新的大片波源区，激发波作用通量并向下游频散，北大西洋东部正异常快速加强北伸，波作用通量在地中海一带辐合。
4月4日（图6e）冷空气从极涡向贝加尔湖北部一带东移南压，贝加尔湖负异常中心有所减弱，东北亚阻塞高压中心移到日本海一带，副热带西风急流中波作用通量的频散在105°E附近建立位势高度负异常，利于贝加尔湖南部位势高度负异常向中国东部伸展，此时中国东部由于强降水而成为罗斯贝波波源区；大西洋波源区向东北延伸，相应大西洋东部正异常向东北伸展，大西洋新激发的波作用通量到达60°E后沿乌拉尔山阻塞高压外围向下游传播。
4月6日（图6f）“+−+”型罗斯贝波列向东南传播；大西洋东部正异常向东北方向伸展的部分偏北东移，在其阻挡下，上游的作用通量不能向乌拉尔山附近输送能量，乌拉尔山阻塞高压减弱为高压脊，乌拉尔山阻塞高压南部的波作用通量因此不再围绕原阻塞高压向北频散，此时东部强降水波源区移到渤海一带，强降水结束。
综上所述，3月28—30日乌拉尔山阻塞高压发展期，由于北极极涡较强，类POL作用和上游波作用通量的输入引起乌拉尔山至东北亚高压脊较大的发展（图6g）。3月31日—4月4日乌拉尔山阻塞高压稳定期，类POL作用、上游波作用通量的输入以及北极冷空气从贝加尔湖西侧的侵入对于“双阻”型环流分布的建立与维持起到了重要的作用（图6h）。4月5—6日上游波作用通量的零输入以及北极冷空气从贝加尔湖北部的侵入促使乌拉尔山阻塞高压减弱为高压脊（图略）。
6. 阻高稳定期局地瞬变强迫对于“双阻”型环流分布的影响
既然乌拉尔山阻塞高压稳定期从贝加尔湖西侧入侵的冷空气与欧亚区域中高纬度的“双阻”型环流分布密切相关，而此时期基本对应4月1日夜间至5日中国东部强降水期，后面重点分析此时期冷空气对于“双阻”型环流分布的建立与维持的作用。
图7a为本次强降水过程200 hPa位势高度场的天气尺度扰动方差，乌拉尔山和东北亚一带由于阻塞形势比较稳定，高频波方差较小，55°N以北欧亚大陆上空（55°—70°N，80°—100°E）及鄂霍次克海至西北太平洋一带为高频波方差大值区域，与多年平均（图7b）相比，欧亚大陆上空位势高度方差大值区位置变化不大，强度比常年增强40%左右，鄂霍次克海一带大值区比常年偏北、偏西，强度比常年增强约1倍左右，对比阻塞期间平均的位势高度场（图3b），可以发现高频波活跃于两个阻塞高压下游冷槽附近，两个区域都是冷空气活跃的地方。冷空气南侵与向北伸展的暖性高压相遇，斜压性增强，天气尺度瞬变扰动变得活跃。
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图 7 3月30日—4月6日200 hPa位势高度异常场瞬变扰动分量的方差 （a. 2023年，b. 1991—2020年平均；等值线间隔：10 gpm2）Figure 7. Variance of transient perturbation component of geopotential height anomaly at 200 hPa during 30 March—6 April (a. 2023，b. average of 1991—2020；contour lines are at th interval of 10 gpm2)中高纬度天气尺度瞬变扰动与大气平均环流相互作用（波流相互作用）是产生天气气候事件的主要动力过程（钱维宏，2012；陈海山等，2013），瞬变扰动通过波流相互作用从西风气流中获得能量（冉令坤等，2005），通过波波相互作用传至低频波（刁一娜等，2004）。在热带加热异常作用下，瞬变扰动在欧洲沿岸组织起来，瞬变活动利于欧亚中高纬度建立“两脊一槽”的位势高度距平（李双林等，2001）。分析天气尺度波对于理解“双阻”型环流分布建立与维持的原因是十分必要的。
由准地转位涡方程可知，天气尺度瞬变扰动对于时间平均位势高度的变化主要表现为瞬变涡度强迫和瞬变热力强迫，而Hoskins等（1983）指出在一定的假设条件下，瞬变涡度强迫可以用E-P通量的水平分量来近似表示，瞬变热力强迫可以用E-P通量的垂直分量近似表示，E-P通量散度的正或负用来表示纬向西风的加强或减弱（高守亭等，1998；段安民等，2005）。E-P通量是一种行之有效的诊断方法（Trenberth，1986），任余龙等（2017）通过E-P通量探讨了极端干旱事件中乌拉尔山高压脊发展的原因，董丽娜等（2013）通过E-P通量分析了瞬变波动力强迫对初夏至盛夏东亚高空西风急流变化的影响，因此，根据E-P通量可以定性分析背景大气对瞬变涡度和瞬变热力强迫的响应。
图8a为“双阻”型环流分布稳定持续时E-P通量水平分量，矢量箭头为E-P通量传播方向，等值线表示其散度场。从图中可以看出，300 hPa高空乌拉尔山区域、贝加尔湖西部区域和东北亚区域E-P通量水平分量散度场为正、负大值区中心，纬向为“−+−” 符号分布，高低空类似相当正压结构，110°E附近200—300 hPa冷空气区域的E-P水平通量向乌拉尔山区域和东北亚区域上空输送明显的瞬变涡度，乌拉尔山区域和东北亚区域上空成为异常的瞬变涡度源区，在瞬变涡度源强迫作用下，两个区域上空利于正变高和反气旋式异常环流，促进阻塞高压维持和发展，而贝加尔湖西部区域上空成为异常的瞬变涡度汇区，在瞬变涡度汇强迫作用下，利于负变高和气旋式异常环流，促进低压槽发展；从纬向风场来看，乌拉尔山区域和东北亚区域上空的E-P通量水平散度场为负值区，表明在波流相互作用下背景西风减弱，阻塞高压移动变慢；贝加尔湖西部区域上空为散度场正值区，由于乌拉尔山阻塞高压后部南北绕流汇合，背景西风加强。
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图 8 乌拉尔山阻塞高压稳定持续期E-P水平通量及散度沿40°—60°N平均垂直剖面 （a. 彩色线：E-P水平通量散度，单位：10−5 m/s2，等值线间距为10个单位；箭矢，E-P水平通量，单位：m2/s2，仅显示大于35的通量），E-P垂直通量及散度沿40°—60°N平均垂直剖面 （b. 彩色线：E-P垂直通量散度，单位：10−4 m/s2，等值线间距为10个单位；箭矢：E-P垂直通量，单位： m2/s2，仅显示大于15的通量，垂直方向通量放大15倍）Figure 8. Vertical cross section along 40°—60°N for averaged E-P horizontal flux and divergence of E-P horizontal flux in the maintenance period of the Ural Mountain blocking High （a. colored line：divergence of E-P horizontal flux，unit：10−5 m/s2，contour lines are at the interval of 10 units；vector：E-P horizontal flux，unit：m2/s2，values of 35 units and above are displayed），and vertical cross section along 40°—60°N for averaged E-P vertical flux and divergence of E-P vertical flux （b. colored line：divergence of E-P vertical flux，unit：10−4 m/s2，contour lines are at the interval of 10 units；vector：E-P vertical flux，unit：m2/s2，values of 15 units and above are displayed，vertical flux is amplified by 15）图8b为E-P通量垂直分量，矢量箭头为能量传播的方向，等值线同样表示散度场。从图中可以看出，110°E附近200—300 hPa高空冷空气区域的E-P垂直通量向乌拉尔山和东北亚附近传播能量，乌拉尔山阻塞高压和东北亚阻塞高压因得到热量而加强，由于能量垂直向下传播，乌拉尔山阻塞高压和东北亚阻塞高压高、低空趋向于相当正压结构，贝加尔湖西部低压槽因失去热量变得更冷、更强；从纬向风场来看，乌拉尔山区域、贝加尔湖西部和东北亚区域400 hPa以上高空的E-P通量垂直分量散度场符号与E-P通量水平分量符号分布相反，为“+−+”分布；400 hPa以下，乌拉尔山附近的E-P通量垂直散度场均为负值区，东北亚和贝加尔湖西部区域自上而下为“−+−”符号分布。
由上可知，和Shutts（1983）及任余龙等（2017）分析结果一致，瞬变涡度和瞬变热力强迫均利于乌拉尔山阻塞高压、贝加尔湖西部低压槽和东北亚阻塞高压的加强，并利于乌拉尔山阻塞高压和东北亚阻塞高压趋于相当正压结构（图4b），它们对于“双阻”型环流分布的建立与维持具有重要的作用，但对于“双阻”型环流分布系统东移相对快慢的影响不完全一致，取决于二者叠加结果。
7. “双阻”型环流分布形势建立的前兆信号和崩溃机制
前面分析了上游罗斯贝波的产生可能与北大西洋激发的罗斯贝波动有关，为了确认这一点，分析北大西洋区域高低空辐散风场可知，中国东部强降水发生前（3月27日）北大西洋区域（40°—60°N，20°—30°W）低空为明显的辐合区域（图9a），高空为辐散区域（图9b），且在600—200 hPa有最大凝结潜热释放（图9c），说明北大西洋区域有强降水的发生，强降水区域存在明显的上升运动，在北大西洋上空形成负涡度波源（图9d），激发罗斯贝波列并向下游传播（图6a）。
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图 9 2023年3月27日925 hPa辐散风场 （a，单位：m/s ）、200 hPa辐散风场 （b，单位：m/s）、沿50°N视热源垂直分布 （c，单位：10−5 k/s） 和涡度源分布 （d，单位：10-10 s−2）（矩形框表示（40°—60°N，20°—30°W）区域）Figure 9. Divergent winds at 925 hPa （a，unit：m/s），divergent wind field at 200 hPa （b，unit：m/s），vertical distribution of heat source along 50°N （c，unit：10−5 k/s），and vortex source distribution （d，unit：10−10 s−2）on 27 March 2023 （the rectangular box indicates the area of （40°—60°N，20°—30°W））当高空向下游频散的罗斯贝波遇到乌拉尔地区高压脊时，波作用量围绕高压脊周围向下游传播，贝加尔湖西侧的位势高度负异常发展并引起北极冷空气入侵南压，在类POL作用、上游罗斯贝波和入侵冷空气瞬变强迫作用下，乌拉尔山和东北亚区域高压脊加强为阻塞高压并向低空发展为相当正压结构，贝加尔湖西部冷空气不断变强，低压槽加深，乌拉尔山至东北亚地区建立“+−+”型罗斯贝波列。4月1日，北大西洋再次出现大片波源区，激发罗斯贝波并向下游频散，在大西洋东部建立阻塞高压，罗斯贝波围绕阻塞高压外围向下游传播，4月6日乌拉尔山阻塞高压由于失去上游波作用量的输入而减弱、崩溃（图6f）。可见北大西洋先后出现的波源区可能分别是“双阻”型环流分布建立的前兆信号和衰减崩溃信号。
8. 结论与讨论
采用罗斯贝波传播和局地瞬变强迫相结合的方法分析2023年3月27日—4月7日中国东部大气环流异常演变特征发现，强降水出现之前，北极极涡较强，在类POL作用下乌拉尔山至东北亚地区出现位势高度正异常，高压脊发展（图10）；北大西洋强降水激发罗斯贝波并向下游传播，引导北极冷空气从北欧侵入中高纬度西风气流，在黑海一带形成位势高度负异常并继续传播，当罗斯贝波遇到乌拉尔山高压脊时，高压脊加强北伸，罗斯贝波沿高压脊产生南北绕流；北部绕流引导北极冷空气从贝加尔湖西北部一带侵入中高纬度西风气流，在贝加尔湖西部形成位势高度负异常后向下游频散促进东北亚高压脊发展；南部绕流的一部分汇入贝加尔湖西部，促使位势高度负异常加强，另一部分继续沿副热带西风急流向东传播；在冷空气瞬变强迫作用下，乌拉尔山和东北亚高压脊加强发展为阻塞高压，高低空为相当正压结构，其中乌拉尔山阻塞高压较强，呈“Ω”型分布，阻塞高压因得到热量成为异常热源（图4b），贝加尔湖西部低压槽同时加强，不断堆积的冷空气变为异常冷源（图4b），由此中高纬度形成稳定的“+−+”型双阻环流分布形势。
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图 10 2023年4月初中国东部强降水期欧亚中高纬度“+−+”型双阻环流分布形成示意 （上层为乌拉尔山阻塞高压稳定期300 hPa平均位势高度异常场，粉色虚线箭头为罗斯贝波波作用量的传播，蓝色椭圆为极涡区，+（−）表示位势高度正 （负） 异常中心；下层为同期850 hPa异常风场，+（−）表示反气旋 （气旋） 式异常环流中心，绿色实心椭圆为中国东部降水区，冷 （蓝色锯齿线）、暖 （红色锯齿线） 锋交汇中心“D”表示气旋中心；绿色虚线箭头表示北大西洋强降水区的上升运动，黄色虚线箭头表示乌拉尔山和东北亚阻塞高压向下发展为相当正压结构，蓝色虚线箭头表示强冷空气下沉影响中国东部，红色实心椭圆为凝结潜热最大释放区）Figure 10. The formation diagram of "+−+" type double-blocking circulation distribution in the middle-high latitude over Eurasian region during the heavy precipitation period in eastern China in early April 2023（The top figure shows average geopotential height anomalies at 300 hPa during stability period of Ural Mountains blocking High，the pink dashed line with arrows is the propagation of wave activity flux，the blue ellipse is the polar vortex region，+（−） represent the positive （negative） abnormal center of geopotential height；the bottom figure show the wind anomalies at 850 hPa in the same period，+（−）represent anticyclonic （cyclonic） anomalies at 850 hPa；the green solid ellipse is the precipitation in eastern China，the intersection center "D" of the cold （blue sawtooth line） and warm （red sawtooth line） front represent the center of the cyclone；the green dashed line with arrow indicate the upward movement in the heavy precipitation area of the North Atlantic，the yellow dashed line with arrow indicate the downward development of blocking High over the Ural Mountains and Northeast Asia into a rather positive pressure structure，the blue dashed line with arrow indicate the strong cold air sinks and affect eastern China，the red solid ellipse is the maximum release area of the condensation latent heat）持续稳定的“双阻”型环流分布利于阻塞高压附近低层反气旋环流的发展和低压槽附近冷空气的加强，即南北经向风异常加强；4月2日副热带西风急流中的波作用量向东频散到中国东部（图6d），在其作用下，300 hPa位势高度场负异常区伸展到110°E附近，中国中东部为正异常区，由于和中高纬度较强波作用量引起的位势高度异常区同位相，东北亚附近低空反气旋环流南伸，加强经向风异常，中国东部处于其西南侧（图10），在南风及东北亚阻塞高压下沉气流增温共同作用下，气温明显升高，北方河套一带受贝加尔湖低压槽附近下沉的强冷空气影响（图10、11a）形成强冷锋，出现寒潮、大风和暴雪；4月3日，冷空气南压，江淮一带形成气旋（图10），产生强降水，气旋性涡度向高空伸展到100 hPa（图11b）；4月4—5日冷空气继续向南推进，江汉和江南中西部及华南北部一带出现切变线型强降水。
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图 11 （a） 4月2日315 K等熵面上位涡分布 （单位：PVU），（b） 2023年3月21日— 4月7日中国东部 （30°N，110°E） 上空涡度时间-高度剖面 （单位：10−5 s−1）Figure 11. （a） Isoentropy vortex distribution on 315 K surface on April 2nd （unit：PVU），（b） time-height vertical section for vortex in eastern China （30°N，110°E） during 21 March—7 April 2023 （unit：10−5 s−1）本研究从异常环流维持的角度针对罗斯贝波和局地瞬变强迫对中国东部强降水的影响做了定性的探讨，得出在北极冷空气较强的情况下，乌拉尔山至东北亚地区“双阻”型环流分布中的经向风异常可引起冷（暖）空气向南（北）输送增强，在副热带西风急流波动的配合下，利于中国东部极端降水天气的发生，但二者对于“双阻”型环流分布定量的影响需要继续深入分析。本次强降水过程的重要影响系统是阻塞高压，阻塞高压一般可用大于10 d的低频波动来描述，因而“双阻”型环流分布的多尺度扰动波作用量频散分析及从位势高度倾向方程的角度研究瞬变扰动的可能作用将是后面工作的重点。另外本次过程有3次冷空气从北极入侵中高纬度背景西风气流，文中只探讨了“双阻”型环流分布稳定维持时冷空气的作用，对于在阻塞高压建立或衰退过程中冷空气的作用没有给出分析。
需要注意的是，黑海北部一带和乌拉尔山附近出现的波源区是否和上游罗斯贝波有关、极涡变强是否和海冰增加有关等有待于后面继续进行深入研究。对于前期北大西洋强降水是否为中国东部强降水的前兆信号也需要试验进行验证。
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图 1 2023年4月1—6日中国东部地区 （a. CPC累计降水量，b. ERA-5累计降水量；单位：mm）
Figure 1. The area of eastern China during 1—6 April 2023 （a. cumulative precipitation from CPC，b. cumulative precipitation from ERA5；unit：mm）
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图 2 四个代表站降水量和最高气温变化情况 （a，折线：降水量，单位：mm；柱状图：最高气温，单位：℃） 以及850 hPa气温异常场、风速异常场和地面降水（b. 4月2日，c. 4月3日；黑线：气温，单位：℃；箭矢：风速，单位：m/s；蓝色锯齿线表示冷锋，红色锯齿线表示暖锋，“D”为气旋中心）
Figure 2. Changes in precipitation and maximum temperature at four representative stations （a，dashed line：precipitation，unit: mm；bar chart：maximum temperature，unit：℃），as well as temperature anomaly and wind speed anomaly at 850 hPa and surface precipitation （b. on 2 April，c. on 3 April；black line：temperature anomaly，unit：°C；vector：wind speed anomaly，unit：m/s；the blue sawtooth line represents cold front，the red sawtooth line represents warm front，"D" represents the center of cyclone）
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图 3 300 hPa平均位势高度场（a. 2023年3月28—30日乌拉尔山阻塞高压发展期，b. 3月31—4月4日乌拉尔山阻塞高压稳定期，c. 4月 5—6日乌拉尔山阻塞高压衰减期） 和 （d） 乌拉尔山阻塞高压稳定期300 hPa平均位势高度异常场（单位：gpm；等值线间隔100 gpm）
Figure 3. Average geopotential height at 300 hPa （a. development period of the Ural Mountain blocking High during 28—30 March 2023；b. maintenance period of the Ural Mountain blocking High during 31 March–4 April；c. decay period of the Ural Mountain blocking High during 5—6 April） and （d） average geopotential height anomaly at 300 hPa during 31 March—4 April （unit：gpm；contour lines are at intervals of 100 gpm）
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图 4 沿50°N垂直剖面 （色阶：气温异常，单位：°C；黑线：平均位势高度异常场，单位：gpm，等值线间隔50 gpm）（a. 3月28—30日乌拉尔山阻塞高压发展期，b. 3月31—4月4日乌拉尔山阻塞高压稳定持续期）
Figure 4. Vertical cross sections along 50°N （color scale：temperature anomaly，unit：°C；black lines：geopotential height anomaly，unit：gpm，contour lines are at the interval of 50 gpm） （a. development period of the Ural Mountain blocking High during 28—30 March，b. maintenance period of the Ural Mountain blocking High during 31 March–4 April）
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图 5 3月31—4月4日乌拉尔山阻塞高压稳定持续期300 hPa经向风异常和平均纬向风 （单位：m/s；色阶：经向风异常，黑实线：平均纬向风，等值线间隔10 m/s，仅显示大于15 m/s的纬向风）
Figure 5. Meridional wind anomalies and average zonal winds at 300 hPa in the maintenance period of the Ural Mountain blocking High during 31 March—4 April （unit：m/s；color scale：meridional wind anomaly；black solid line：average zonal wind，contour lines are at the interval of 10 m/s，values of 15 m/s and above are displayed）
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图 6 2023年3月27日—4月7日罗斯贝波波作用量逐2 d演变特征 （a. 3月27日，b. 3月29日，c. 3月31日，d. 4月2日，e. 4月4日，f. 4月6日） 和平均演变特征（g. 3月28—30日阻塞高压发展期，h. 3月31—4月4日阻塞高压稳定持续期）（色阶：水平波作用量通量散度，单位：10−5 m/s2，仅显示大于1个单位的散度；黑线：流函数异常，单位：106 m2/s，等值线间隔5个单位；箭矢：水平波作用量通量，单位：m2/s2，仅显示大于7个单位的通量；红色箭头表示水平波作用量通量主要频散方向）
Figure 6. Evolution characteristics of Rossby wave activity flux at 300 hPa during 27 March—7 April 2023 （a. 27 March ，b. 29 March，c. 31 March，d. 2 April，e. 4 April，f. 6 April） and average evolution characteristics （g. development period of the blocking High during 28—30 March，h. maintenance period of the blocking High during 31 March—4 April） （color scale：wave activity flux divergence at 300 hPa，unit：10−5 m/s2，values of 1 unit and above are displayed；black line：stream function anomaly，unit：106 m2/s，contour lines are at the interval of 5 units；vector：horizontal wave activity flux，unit：m2/s2，values of 7 units and above are displayed；red arrows indicate main dispersion directions of horizontal wave activity flux）
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图 7 3月30日—4月6日200 hPa位势高度异常场瞬变扰动分量的方差 （a. 2023年，b. 1991—2020年平均；等值线间隔：10 gpm2）
Figure 7. Variance of transient perturbation component of geopotential height anomaly at 200 hPa during 30 March—6 April (a. 2023，b. average of 1991—2020；contour lines are at th interval of 10 gpm2)
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图 8 乌拉尔山阻塞高压稳定持续期E-P水平通量及散度沿40°—60°N平均垂直剖面 （a. 彩色线：E-P水平通量散度，单位：10−5 m/s2，等值线间距为10个单位；箭矢，E-P水平通量，单位：m2/s2，仅显示大于35的通量），E-P垂直通量及散度沿40°—60°N平均垂直剖面 （b. 彩色线：E-P垂直通量散度，单位：10−4 m/s2，等值线间距为10个单位；箭矢：E-P垂直通量，单位： m2/s2，仅显示大于15的通量，垂直方向通量放大15倍）
Figure 8. Vertical cross section along 40°—60°N for averaged E-P horizontal flux and divergence of E-P horizontal flux in the maintenance period of the Ural Mountain blocking High （a. colored line：divergence of E-P horizontal flux，unit：10−5 m/s2，contour lines are at the interval of 10 units；vector：E-P horizontal flux，unit：m2/s2，values of 35 units and above are displayed），and vertical cross section along 40°—60°N for averaged E-P vertical flux and divergence of E-P vertical flux （b. colored line：divergence of E-P vertical flux，unit：10−4 m/s2，contour lines are at the interval of 10 units；vector：E-P vertical flux，unit：m2/s2，values of 15 units and above are displayed，vertical flux is amplified by 15）
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图 9 2023年3月27日925 hPa辐散风场 （a，单位：m/s ）、200 hPa辐散风场 （b，单位：m/s）、沿50°N视热源垂直分布 （c，单位：10−5 k/s） 和涡度源分布 （d，单位：10-10 s−2）（矩形框表示（40°—60°N，20°—30°W）区域）
Figure 9. Divergent winds at 925 hPa （a，unit：m/s），divergent wind field at 200 hPa （b，unit：m/s），vertical distribution of heat source along 50°N （c，unit：10−5 k/s），and vortex source distribution （d，unit：10−10 s−2）on 27 March 2023 （the rectangular box indicates the area of （40°—60°N，20°—30°W））
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图 10 2023年4月初中国东部强降水期欧亚中高纬度“+−+”型双阻环流分布形成示意 （上层为乌拉尔山阻塞高压稳定期300 hPa平均位势高度异常场，粉色虚线箭头为罗斯贝波波作用量的传播，蓝色椭圆为极涡区，+（−）表示位势高度正 （负） 异常中心；下层为同期850 hPa异常风场，+（−）表示反气旋 （气旋） 式异常环流中心，绿色实心椭圆为中国东部降水区，冷 （蓝色锯齿线）、暖 （红色锯齿线） 锋交汇中心“D”表示气旋中心；绿色虚线箭头表示北大西洋强降水区的上升运动，黄色虚线箭头表示乌拉尔山和东北亚阻塞高压向下发展为相当正压结构，蓝色虚线箭头表示强冷空气下沉影响中国东部，红色实心椭圆为凝结潜热最大释放区）
Figure 10. The formation diagram of "+−+" type double-blocking circulation distribution in the middle-high latitude over Eurasian region during the heavy precipitation period in eastern China in early April 2023（The top figure shows average geopotential height anomalies at 300 hPa during stability period of Ural Mountains blocking High，the pink dashed line with arrows is the propagation of wave activity flux，the blue ellipse is the polar vortex region，+（−） represent the positive （negative） abnormal center of geopotential height；the bottom figure show the wind anomalies at 850 hPa in the same period，+（−）represent anticyclonic （cyclonic） anomalies at 850 hPa；the green solid ellipse is the precipitation in eastern China，the intersection center "D" of the cold （blue sawtooth line） and warm （red sawtooth line） front represent the center of the cyclone；the green dashed line with arrow indicate the upward movement in the heavy precipitation area of the North Atlantic，the yellow dashed line with arrow indicate the downward development of blocking High over the Ural Mountains and Northeast Asia into a rather positive pressure structure，the blue dashed line with arrow indicate the strong cold air sinks and affect eastern China，the red solid ellipse is the maximum release area of the condensation latent heat）
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图 11 （a） 4月2日315 K等熵面上位涡分布 （单位：PVU），（b） 2023年3月21日— 4月7日中国东部 （30°N，110°E） 上空涡度时间-高度剖面 （单位：10−5 s−1）
Figure 11. （a） Isoentropy vortex distribution on 315 K surface on April 2nd （unit：PVU），（b） time-height vertical section for vortex in eastern China （30°N，110°E） during 21 March—7 April 2023 （unit：10−5 s−1）
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