近年来，东亚冬季频繁出现极端冷暖转换，寒潮活动所引发的强降温与回暖后的“温暖如春”在一个冬季内相继出现，这给农业生产、交通出行和人群健康产生了极大的负面影响。例如，2021年1月初的极端寒潮事件给我国北方地区带来了剧烈降温，这刷新了多地的历史最低气温记录。然而同年2月，在罕见的回暖过程影响下，我国东部地区大量气象台站的历史最高气温纪录被打破。无独有偶，2023年1月中下旬极端冷事件再次侵袭北方地区，到了2月我国大部分地区却转为异常偏暖。部分个例研究指出了平流层爆发性增温过程与2021年初东亚极端冷暖转换的潜在关联，但这两者的联系是否稳定存在呢？平流层变异影响极端冷暖转换的物理图像究竟是怎样的呢？
我系博士生钟沃谷（第一作者）和吴志伟教授（通讯作者）的最新研究发现，东亚冬季气温季节内变异的第四模态（S-EOF4）表现为中高纬度气温异常在1月和2月类似“跷跷板”的反向变化（图1中），这一关键模态与平流层温度异常在年际尺度上显著相关（图2）。S-EOF4的正位相对应于1月东北亚偏冷，2月东亚中高纬转为偏暖，反之亦然。此外，S-EOF4对2021年初和2023年初的东亚极端冷暖转换有重要贡献，实测气温距平与S-EOF4的空间相关系数很高（图1下）。S-EOF4正位相所对应的环流异常特征可概括如下：1月西伯利亚高压偏北且加强，东亚大槽向西北侧移动，极锋急流减弱南移，导致东北亚偏冷；2月乌拉尔山上空存在准正压的气旋性环流，一方面使得西伯利亚高压减弱，另一方面导致乌拉尔山阻塞形势不易发生，东亚中高纬进而转为偏暖形势。进一步研究表明，S-EOF4与1月东西伯利亚-阿拉斯加上空的平流层温度异常存在密切关联（图2），PC4与50 hPa关键区平均温度距平指数的相关系数可达到0.46。那么平流层温度异常是如何影响东亚极端冷暖转换的呢？
图1 基于季节依赖经验正交函数（S-EOF）的东亚冬季气温季节内变异第四模态：时间系数（上）及空间分布（中）；2021年及2023年1-2月实测气温距平（下）
图2 （a）PC4与平流层50 hPa温度距平的相关系数空间分布图，绿框表示温度距平指数的关键区，（b）PC4与纬向平均（沿120°E-120°W）温度距平的相关系数纬度-气压分布图，（c）PC4与经向平均（沿50°-85°N）温度距平的相关系数经度-气压分布图
当1月平流层变暖时，北极极区内出现显著的位势高度正异常，极涡减弱，对流层内出现类似北极涛动（AO）负位相的环流异常（图3）。此时，平流层与对流层的耦合过程在东亚-北太平洋一侧最为明显，欧亚大陆靠近极区附近的海平面气压升高，导致西伯利亚高压偏北且加强。同时，东北亚附近出现的低压异常表明东亚大槽显著加深。这些环流异常共同导致了1月东北亚偏冷。但是到了2月份，平流层与对流层的耦合过程在东亚-北太平洋一侧并不显著（图3b），因此平流层变暖并不能直接解释东亚中高纬在2月的温度反转。这里，我们提出平流层变暖会通过激发北大西洋中纬度海温冷异常，间接调控2月东亚中高纬的温度反转。具体来说，1月AO负位相使得北大西洋中纬度西风加强，局地海温出现降温趋势。2月北大西洋中纬度海温冷异常完全形成，剧烈的海气相互作用一方面使得对流层内低压异常发展，另一方面能够激发向下游欧亚大陆传播的波列，导致乌拉尔山反气旋系统和东亚大槽减弱（图4）。这样的环流形势最终使得东亚中高纬转为偏暖。线性斜压模式很好地验证了这一“海洋桥”过程。
图3 与平流层温度距平指数相联系的平流层与对流层耦合过程：（a-b）1-2月沿东亚-北太平洋一侧（120°E-120°W）平均的位势高度距平（填色）和纬向风距平（等值线），（c-d）1-2月沿北大西洋一侧（0°-90°W）平均的位势高度距平（填色）和纬向风距平（等值线）
图4 利用线性斜压模式模拟北大西洋中纬度海温异常对欧亚大陆环流形势的影响：模式中加入的冷源异常（a）水平和（b）垂直分布，（c）500 hPa位势高度场和（d）200 hPa纬向风场对冷源异常的响应
上述研究系统性揭示了平流层温度异常对东亚冬季极端冷暖转换的重要作用，并提出了北大西洋海温异常在连接平流层变率与东亚中高纬2月温度反转中的关键桥梁作用，这为我们深入理解东亚冬季极端事件提供了新的物理图像。此外，该研究还指出了12月阿留申低压的强度变化是1月平流层温度异常的重要前兆信号，这为提升极端事件的预报技巧提供了理论依据。该项研究成果日前在《Atmospheric Research》上发表。
论文信息：Zhong Wogu, Wu Zhiwei* (2023). Impact of stratospheric variability on subseasonal temperature reversals during late winter over the mid-high latitudes of East Asia. Atmospheric Research, DOI: 10.1016/j.atmosres.2023.107115.
