改变旋转地球上行星尺度大气运动状态的主要动力是气压梯度力，它主要起源于地表接收到的太阳辐射由赤道向两极递减所产生的南北向温差和海陆热力属性差异所产生的海陆温差。到达地球大气上界的太阳总辐照度又称太阳常数，它的变化很小。如在太阳活动的准11年周期内，月平均太阳常数的变化幅度约为1~2Wm^-2。太阳常数的这种小变化必将引起气压梯度力的“小”变化。是否存在这样的地理区域，由于非线性作用，当气压梯度力的“小”变化超过某一临界值后，能够迫使该地区的大尺度大气运动由一种稳定状态转变为其他的稳定状态，就像力的作用迫使硬币和骰子在不同平衡态之间转换一样？这就是非线性大气运动的多平衡态的存在性和转换问题。

中纬度地区常年盛行西风带。然而，在北大西洋东部、北太平洋东部和乌拉尔山等地区，经常出现与平直西风这种“正常态”偏离较大、持续5~30天的准定常性的位势高度正距平或负距平状态（多与阻塞形势有关）。若对位势高度数据做月平均处理，以过滤瞬变分量而凸显出定常分量，则上述三个地区恰好也是北半球月平均位势高度距平的标准差较大的地区（图1a）。

图1. （a）1958/1959−2021/2022年冬季（12−2月）北半球850hPa位势高度距平的标准差。黑框标示所关注的三个地区。192个冬季月份太阳常数与（b）北大西洋地区、（c）乌拉尔山地区和（d）北太平洋地区的850hPa位势高度距平之间的散点图（点）和联合概率密度函数图（填色）。黑色等值线围成的面积表示概率为10%、30%和50%。黑色竖虚线指示太阳常数的临界值1360.9Wm^-2。水平蓝线为位势高度距平的0线。横坐标数值是倒序排列的。

我系博士后李冬冬等人的近期研究发现，在192个冬季月份的样本数据中，太阳常数与上述三个地区的月平均位势高度距平之间存在着相似的定性和定量统计关系（图1b-d）。这种统计关系大致遵循名为“超临界叉式分岔”的非线性三平衡态理论模型，故称之为“叉式关系”。由图可见，太阳常数与每个地区的位势高度距平构成的散点图中的数据点密集区域和联合概率密度图中的峰值区域所组成的图案有点像两齿叉子。太阳常数S存在一个临界值S₀≈1360.9Wm^-2。在S>S₀的所谓次临界情形下，存在一个接近气候平均态的主导流型，代表“正常态”；而在S<S₀的所谓超临界情形下，偏离气候平均态的正异常态和负异常态成为双重优势流型。特别地，在超临界情形下，不论统计对流层中哪一气压层的位势高度距平数据,每个地区正、负异常事件的发生次数总是几乎相等，说明它们出现的概率相等。好比随机抛硬币或掷骰子的大量试验中，硬币的正反两个面或骰子的六个点数出现的次数总是差不多，因为它们出现的概率相等。

非线性叉式关系的存在表明，在包括太阳常数变化在内的诸多因素的影响下，三个地区冬季月平均环流正、负异常事件的发生具有高度随机性，但大量随机事件的发生又具有确定的统计规律性。随机性意味着环流距平符号的可预测性是有限的。而规律性又意味着叉式关系可以作为一种统计约束关系，有望用于校正数值预报模式的系统误差。

该研究成果近日发表在《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》期刊上。作者包括复旦大学大气与海洋科学系李冬冬博士后、张人禾院士、张若楠副教授和兰州大学黄建平院士。

论文信息：

Li, D. D., Zhang, R. H., Zhang, R. N., & Huang, J. P. (2024). Solar influences on winter atmosphericcirculation over the Ural, North Atlantic and North Pacific regions: Pitchfork‐like relationships. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129, e2023JD040504. https://doi.org/10.1029/2023JD040504