由于大气的混沌特性，传统观点认为大气运动的可预报性上限大约是两周。然而对于持续时间长、强度比较强的乌拉尔阻塞事件来说，在考虑到边界条件的情况下其可预报性是可以超过两周的。研究发现，北极海冰密集度（Sea Ice Concentration，SIC）作为边界场，对乌拉尔阻塞事件的延伸期预报具有重要影响。本文将条件非线性最优边界扰动（Conditional Nonlinear Optimal Boundary Perturbation，CNOP-B）方法应用到复杂的通用大气模式CAM4（Community Atmosphere Model version 4）中，使用基于旋转经验正交分解（Rotated Empirical Orthogonal Function，REOF）的粒子群智能优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO），获得了延伸期时间尺度上乌拉尔阻塞事件的最优触发边界扰动（Optimal Boundary Precursor，OBPR）和最快增长边界误差（Optimally Growing Boundary Error，OGBE），通过分析它们的空间分布特征及其影响大气环流的物理机制，明确了北极SIC扰动对乌拉尔阻塞事件可预报性的影响，主要内容和结论如下：

（1）评估了CAM4模式对冬季大气气候态和阻塞事件的模拟能力。首先对CAM4模式模拟的大气环流与观测资料进行比较，检验模式对北半球大气气候态的模拟能力。结果表明，模式较好地模拟出北半球冬季大气环流的基本特征，例如盛行西风带、极地东风带以及东亚大槽等。然后重点评估了模式对阻塞的模拟能力，从阻塞发生的频率、强度、生命周期以及演变方式等方面与观测对比，结果表明，CAM4模式模拟的乌拉尔阻塞发展过程与观测基本一致。因此，CAM4模式具备研究乌拉尔阻塞事件可预报性的能力。

（2）明确了北极海冰对乌拉尔阻塞可预报性影响的时间尺度。分别以乌拉尔山附近的非阻塞环流和阻塞环流作为参考态，通过在不同的时间段内对SIC进行扰动，考察大气环流对SIC的响应。结果显示，中高纬度大气环流对SIC扰动的响应时间大概需要4候，由此确定了本研究的时间尺度是4候。然后在每个参考态的初始时刻叠加100组大气噪音，利用阻塞指数、均方根误差和距平相关系数等指标判断大气噪音对乌拉尔阻塞事件可预报性的影响。结果显示，对于强度比较强、持续时间比较长的乌拉尔阻塞事件，其可预报性可以达到4候，为后续研究北极海冰对乌拉尔阻塞延伸期预报的影响奠定了基础。

（3）分析了乌拉尔阻塞事件的北极海冰OBPR。利用CAM4模式，应用基于REOF的PSO智能算法，获得了4候时间尺度上激发乌拉尔阻塞事件的OBPR。通过分析OBPR的空间分布特征可以发现，SIC扰动主要集中在格陵兰海、巴伦支海和鄂霍次克海，并且以负扰动为主。进一步分析表明，三个海域的SIC负扰动首先通过影响非绝热加热过程使得对流层低层温度升高；然后通过温度平流和对流过程使得对流层低层的温度扰动范围扩大；在第3候，对流层中层的温度扰动大小与对流层低层相当，格陵兰海附近有较明显的正温度响应，使得北大西洋区域的经向温度梯度减弱，由热成风关系可知，该区域的U500减弱，弱的纬向风有利于下游阻塞的形成；在第4候，巴伦支海附近有显著的正温度响应，这意味着乌拉尔区域附近的经向温度梯度减弱，U500减弱，经向环流增强，有利于乌拉尔阻塞的形成。除此之外，鄂霍次克海附近也有较明显的正温度响应，U500也略有减弱，不利于乌拉尔阻塞向下游的快速耗散。总而言之，在第4候时乌拉尔区域及其上下游的纬向环流均减弱，这种环流形势有利于乌拉尔阻塞的形成和维持。以上结果表明，格陵兰海、巴伦支海和鄂霍次克海的SIC负扰动在4候时间尺度上能够引起乌拉尔阻塞事件的形成。

（4）分析了乌拉尔阻塞事件的北极海冰OGBE。以乌拉尔阻塞事件作为参考态，利用基于REOF的PSO智能算法，得到了在4候时间尺度上对乌拉尔阻塞事件影响最大的OGBE。计算得到了两类OGBE，它们都主要集中在格陵兰海、巴伦支海和鄂霍次克海。第一类OGBE的SIC误差主要为正值，其使得第4候的乌拉尔阻塞事件减弱，而第二类OGBE的SIC误差主要为负值，其使得第4候的乌拉尔阻塞事件增强。并且第一类OGBE对乌拉尔阻塞事件的影响显著大于第二类OGBE，这意味着第一类OGBE是全局最优，而第二类OGBE是局部最优。第二类OGBE影响乌拉尔阻塞事件的物理机制与OBPR激发乌拉尔阻塞的物理机制相似，而第一类OGBE影响乌拉尔阻塞事件的物理机制与之相反，这也使得两类OGBE与OBPR在空间结构上具有较高的相似性。上述结果显示，格陵兰海、巴伦支海和鄂霍次克海的SIC误差在4候时间尺度上会降低乌拉尔阻塞预报的准确度，而SIC误差的局地性特征对于未来寻找目标观测敏感区以及实施目标观测都具有一定的指导作用。

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 阻塞事件的定义

1.2.2 阻塞形成和维持的物理机制

1.2.3 阻塞事件的可预报性研究

1.3 论文主要内容以及章节安排

第2章 资料、模式及方法介绍

2.1 资料介绍

2.2 CAM4模式

2.2.1 模式简介

2.2.2 模式对北半球冬季大气气候态的模拟能力

2.2.3 模式对冬季乌拉尔阻塞事件的模拟能力

2.3 条件非线性最优边界扰动（CNOP-B）方法

2.4 PSO智能算法计算CNOP-B的试验步骤

2.5 小结

第3章 北极海冰敏感性试验及大气噪音影响

3.1 北极海冰敏感性试验

3.2 大气噪音对冬季乌拉尔阻塞事件延伸期预报的影响

3.3 小结

第4章 乌拉尔阻塞事件延伸期预报中的最优触发边界扰动

4.1 引言

4.2 试验设置

4.3 最优触发边界扰动的空间分布

4.4 最优触发边界扰动引起的大气响应

4.5 小结与讨论

第5章 乌拉尔阻塞事件延伸期预报中的最快增长边界误差

5.1 引言

5.2 试验设置

5.3 最快增长边界误差的空间分布

5.4 最快增长边界误差引起的大气响应

5.5 小结与讨论

第6章 结论与未来工作展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

致 谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果