中高纬地区常年盛行西风带，但在欧亚大陆的乌拉尔山地区，月平均环流图上的西风带经常明显偏离平直西风这种“正常态”，表现为低压槽-气旋这种“负异常态”或者高压脊-反气旋这种“正异常态”，并且该地区的月平均环流表现出极大的年际变率。这种司空见惯的现象，人们已经知道它与我国短期气候的冷暖干湿紧密联系。但由于大气运动的高度非线性和复杂性，人们对该现象的本质仍缺乏足够的认识。

力是改变物体运动状态的原因。正如骰子在受力平衡时处于六种平衡态中的某一状态上，而外力会迫使它在六种状态之间转换，我们大胆设想：当乌拉尔山地区下垫面的土壤湿度、雪水当量和积雪覆盖率等大气的外强迫因子处于各自年循环的波峰或波谷附近的月份时，因为此时它们随时间变化缓慢，所以它们产生的气压梯度力可能也随时间变化缓慢，那么此时的月平均大气运动有可能处于某一准受力平衡状态上；当这些缓变陆面外强迫因子发生年际变化时，所产生的气压梯度力的年际变化就可能迫使月平均大气运动在多种准受力平衡状态之间转换。

图1. （a）超临界叉式分岔理论模型示意图。非绝热外强迫因子与三种大气平衡态之间的关系曲线像不对称的双齿叉子。（b）1979−2023年乌拉尔山地区5月的土壤湿度与6月的850hPa位势高度距平之间的散点图（点）和联合概率密度图（填色）。与（b）类似，（c）为3月的土壤湿度与6月的850hPa位势高度距平之间的关系，（d）为6月的雪水当量与7月的850hPa位势高度距平之间的关系，（e）为12月的积雪覆盖率与1月的850hPa位势高度距平之间的关系，（f）为11月的积雪覆盖率与1月的850hPa位势高度距平之间的关系。黑色（灰色）等值线围成的面积表示概率为20%、40%和60%（80%）。水平蓝线为850hPa位势高度距平的0线。品红色竖虚线指示横坐标变量的临界值。

根据上述设想，我系博士后李冬冬等人在近期研究中发现，乌拉尔山地区3-5月的土壤湿度、6月的雪水当量和11-12月的积雪覆盖率分别与6月、7月和次年1月的850hPa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~f）。这种关系大致遵循名为“超临界叉式分岔”的非线性三平衡态理论模型（图1a），故称为“叉式关系”。由图可见，散点图中几乎所有数据点都聚集在一起，组成双齿叉子状的图案，离群的数据点很少。当外强迫因子不超过其临界值时，接近气候平均态的正常态（平直西风）是唯一优势流型（图1e, f中缺数据）。当外强迫因子超过其临界值时，偏离气候平均态的正异常态（高压脊-反气旋）和负异常态（低压槽-气旋）成为唯二优势流型。并且，当两种优势流型存在时，月平均环流正、负异常事件的发生次数几乎相等，说明它们出现的概率相等。此外，当土壤湿度过大时，负异常态成为唯一优势流型（图1b, c）。

非线性叉式关系的存在表明，6-7月（1月）乌拉尔山地区月平均环流的年际变率本质上是大气运动在三种（两种）准平衡态之间转换。正、负异常事件等概率出现意味着单个事件的可预测性很低。不过，大量正、负异常事件所具有的统计规律可以作为一种统计约束关系，或许可用于校正数值预报模式和人工智能预报模式的系统误差。

上述研究成果最近发表在《Geophysical Research Letters》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、张人禾院士和兰州大学黄建平院士。

论文信息：

Li, D. D., Zhang, R. H., Huang, J. P. (2024). Interannual Ural atmospheric variability under slow-varying soil moisture and snow cover: Three quasi-equilibrium states. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL112109.https://doi.org/10.1029/2024GL112109