北极平流层极涡变率可通过平流层-对流层动力耦合对北半球中纬度地区冬季气温产生显著的影响。随着海冰消融的加剧，欧亚大陆和北美地区寒潮低温事件频发与平流层极涡强度减弱的联系愈发密切。因此，厘清平流层弱极涡影响中纬度地区冬季气温的机制机理对提高短期气候预测技巧尤为重要。
作为平流层弱极涡的纬向对称模态，平流层爆发性增温（SSWs）的分类（偏移型 vs.分裂型；吸收型 vs.反射型）及相应的对流层环流响应（欧洲/西伯利亚/东亚/加拿大中部/五大湖地区低温）受到广泛的关注。前人对于平流层弱极涡影响欧亚大陆冷空气爆发的物理机制已有一些认识，但以往的研究多聚焦于纬向对称模态（SSWs），较少研究关注纬向非对称模态（平流层极涡拉伸事件）的次季节-季节尺度特征，对海冰调制极涡拉伸事件地面影响的研究更是缺乏。2013/2014年冬季北美地区发生的一系列寒潮以及2021年2月德克萨斯州的寒潮均与平流层极涡拉伸事件期间行星波的反射（Wave Reflection）机制有关。那么平流层极涡拉伸事件是否会导致欧亚大陆的极端寒潮事件？不同季节的极涡拉伸事件的对流层响应有何差异？北极海冰又是如何调制极涡拉伸事件与欧亚大陆冬季气温之间的关系？
针对这一科学议题，我系硕士生邹春涛（第一作者）在张若楠副教授（通讯作者）围绕秋冬季平流层极涡拉伸事件的对流层响应开展了系统性的研究，宾夕法尼亚州立大学张鹏飞教授，我系王蕾教授、张如华副研究员为共同作者。
研究成果一：秋季与后冬平流层极涡拉伸事件影响欧亚大陆地表气温物理机制的差异
该研究对近40年10月至2月（连续5个月）100-hPa位势高度异常进行K均值聚类（K-Means Clustering）分析得到平流层变率的纬向对称（P5）与非对称（P4）模态，纬向对称模态对应平流层极涡拉伸事件，纬向非对称模态对应SSWs，两类平流层弱极涡模态的发生频率均呈增加趋势，且极涡拉伸事件出现的概率远高于SSWs（24.81% vs. 9.56%）。秋季（10-11月）与后冬（2月）极涡拉伸事件前期（事件发生以后的20天内）欧亚大陆高纬度地区（45°-125°E，45°-60°N）显著降温的成因明显不同，秋季事件弱极涡信号位于平流层低层，而后冬事件弱极涡信号仅局限在100-hPa以下。秋季极涡拉伸事件主要是通过平流层过程导致前期对流层中低层呈现类似北大西洋涛动（NAO）负位相的环流模态，进而引起欧亚大陆高纬度地区冷空气爆发；而后冬极涡拉伸事件期间对流层的异常高压一方面引起行星波上传至平流层，使得极涡强度减弱，另一方面直接通过对流层过程导致前期欧亚大陆高纬度地区持续显著的降温。该研究还讨论了秋季与后冬极涡拉伸事件期间的行星波特征，秋季事件前期平流层行星1波的异常下传占主导地位，有利于平流层环流异常向下迁移至地表；而后冬事件期间欧洲高压的增强有利于总波的上传，从而导致平流层极涡拉伸。
研究成果二：巴伦支-喀拉海（BKS）海冰异常对秋季平流层极涡拉伸事件对流层响应的调制作用
基于上述研究成果，秋季平流层极涡拉伸事件是通过平流层机制对欧亚大陆地表气温产生重要影响，那么北极海冰异常如何调制秋季极涡拉伸事件的地面影响？该研究利用再分析资料与数值模拟试验，将秋季极涡拉伸事件分为低冰组与高冰组并分析两者的环流特征，发现西伯利亚地区（70°-120°E，45°-70°N）地表气温异常的差异在极涡拉伸事件发生后的30-50天最为显著。进一步研究表明，在低冰组极涡拉伸事件发生后的30-50天平流层异常2波脊向下迁移至对流层，导致北欧高压增强，西伯利亚地区出现显著低温，寒潮低温事件发生的风险显著增加。秋季BKS海冰异常往往会持续到冬季，海冰偏少可通过对流层过程直接造成西伯利亚地区的降温。我们进一步分离了30-50天由BKS海冰偏少引起的西伯利亚地区显著低温的平流层路径与对流层路径，并量化了两种路径各自的贡献，平流层路径与对流层路径对西伯利亚地区低温的贡献分别为46.8%与53.2%，说明秋季BKS海冰偏少对平流层极涡拉伸事件对流层响应的调制作用（平流层过程）不容忽视。
以上研究揭示了秋季与后冬平流层极涡拉伸事件影响欧亚大陆寒潮低温事件的物理机制，并探究了BKS海冰在秋季平流层极涡拉伸事件地面影响中的关键作用，验证了将BKS海冰融化与欧亚大陆极端低温联系起来的平流层路径与对流层路径，促进了对平流层-对流层动力耦合机制的认识，对提升欧亚大陆中高纬度地区寒潮的次季节尺度预报水平具有重要的现实意义。该研究成果已经在国际期刊《Climate Dynamics》、《Geophysical Research Letters》上发表，得到了国家自然科学基金项目（42288101，42075016）和国家重点研发项目（2022YFF0801703）的资助。
论文信息：
Zou, C., Zhang, R., Zhang, P., Wang, L., & Zhang, R. (2024). Contrasting physical mechanisms linking stratospheric polar vortex stretching events to cold Eurasia between autumn and late winter. Climate Dynamics. https://doi.org/10.1007/s00382-023-07030-z
Zou, C., & Zhang, R. (2024). Arctic sea ice loss modulates the surface impact of autumn stratospheric polar vortex stretching events. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107221. https://doi.org/10.1029/2023GL107221
图1. 1980-2021年秋冬季（10月-2月）逐日100-hPa位势高度异常K均值聚类分析的结果（P1-P5）。第一行表示合成的100-Pa位势高度（等值线间隔20 dagpm；1580 dagpm等值线加粗）及其异常（填色；单位：dagpm）。第二行表示P1-P5模态对应的发生频率（蓝色条柱）及线性趋势（虚线），红色虚线代表趋势通过90%的置信水平。
图2. （a,b）10月和11月平流层极涡拉伸事件期间0°-100°E标准化逐日极区位势高度（65°-90°N；PCH）异常的演变，（c）与（a,b）类似，但为2月平流层极涡拉伸事件期间0°-180°E标准化逐日PCH异常。（d,e,f）与(a,b,c)类似，但为WACCM控制试验的结果。PCH异常经过7日滑动平均处理，白点代表通过90%的置信水平。
图3. （a-j）10月极涡拉伸事件期间（day -10 to 40）地表气温（填色；单位：℃）和海平面气压（等值线间隔1 hPa）异常的时间演变。（j）中蓝色线框与紫色线框分别代表欧亚大陆高纬度地区与东亚中纬度地区。（k-t）与（a-j）类似，但填色为100-hPa波活动通量（WAFz；单位：0.01 m2s-2）异常，等值线为500-hPa位势高度（单位：dagpm）异常，（n）与（s）中青色线框代表WAFz下传的关键区。白点代表显著异常超过90%显著性水平，实线（虚线）代表正值（负值），零线省略。
图4. （a,d）低冰组（LoSIC/BKSIC；蓝色线）与高冰组（HiSIC/Ctrl；紫红色线）平流层极涡拉伸事件期间西伯利亚地区（70°-120°E，45°-70°N）地表气温异常的时间演变以及两者之间的差异（灰色线），蓝色/紫红色/灰色点代表气温异常通过90%显著性水平。（b,e）西伯利亚地区地表气温异常的概率密度函数（PDF）：低冰年11月至1月逐日地表气温异常（蓝色虚线）、高冰年11月至1月逐日地表气温异常（紫红色虚线）、低冰组平流层极涡拉伸事件后期（lag 30lag 50）地表气温异常（蓝色实线）以及高冰组平流层极涡拉伸事件后期（lag 30lag 50）地表气温异常（紫红色实线）。（c,f）与（b,e）类似，但为百分点函数（PPF），蓝色点（紫红色点）表示低冰组（高冰组）事件平流层极涡拉伸事件后期西伯利亚地区寒潮爆发的概率。
图5. （a-f）低冰组（LoSIC/BKSIC）与高冰组（HiSIC/Ctrl）平流层极涡拉伸事件期间北欧地区（0°-60°E，60°-75°N）位势高度（填色，单位：dagpm）和2波（等值线间隔0.4 dagpm）异常以及两者之间差异的时间演变。位势高度异常经过7日滑动平均处理。（g）低冰组与高冰组平流层极涡拉伸事件后期（lag 30lag 50）地表气温与海平面气压异常的差异。（h,i）与（g）类似，但分别为对流层路径与平流层路径。（g-i）中的紫色线框代表西伯利亚地区（70°-120°E，45°-70°N），总路径、对流层路径以及平流层路径的相对贡献（区域平均气温）在括号内（右上角）。白点代表显著异常超过90%显著性水平，实线（虚线）代表正值（负值），零线省略。（j）低冰组（LoSIC/BKSIC）与高冰组（HiSIC/Ctrl）平流层极涡拉伸事件后期北欧地区50-hPa的异常2波与西伯利亚地区地表气温异常的双变量概率密度，紫红色（蓝色）实心点以及符号X分别代表高冰组（低冰组）核密度均值，黑色虚线代表高冰组与低冰组样本的线性拟合。（k）与（j）类似，但为100-hPa的异常2波。
