南半球热带外大气内部变率对北半球天气气候的影响一直是学术界关注的热点和难点。历来以南半球环状模（简称SAM）的变异及其气候效应最受瞩目，它表现在南半球中纬度和高纬度之间的大气质量变化存在一种纬向对称的、半球尺度的 “跷跷板”结构，与平流层极涡系统紧密关联。事实上，在某些特定季节，南半球热带外大气内部变率有可能是对流层极涡和平流层极涡共同作用的结果。如夏末秋初对流层极涡系统与平流层极涡系统在对流层顶均十分强盛，且在45°E-150°E经度带内位置极为接近（图1），为它们的相互作用提供了可能。然而，目前有关两支极涡共同作用所激发的大气响应对北半球气候的调控以及预测意义还很不清晰。

近日，我系常炉予博士生、吴志伟教授和长三角环境气象预报预警中心许建明研究员发现夏末秋初（8-9月）南半球平流层和对流层极涡系统共同作用在调控和预测早冬我国中东部霾污染年际变率主模态（图2）中的重要作用。为了凸显双急流系统共同作用下在两侧所激发的大气响应，研究中引入位涡变量。主要结果如下：当夏末秋初南半球对流层副热带极涡增强而平流层极涡减弱时，表现在45°E-150°E经度带内（两支急流最近的位置）存在“+”、“-”、“+”的位涡三极子异常响应型，并定义位涡三极子指数。与此对应，高空位涡异常信号下方整个对流层位势高度场也表现出显著的正压三极子异常型（图3），其中以两支急流系统之间的负高度异常最为明显，可以造成澳大利亚西南侧海洋海表温度的显著偏低。该关键区海温信号一方面由于海温的记忆属性可一直持续到早冬（“海洋桥”），进而通过影响早冬的Hadley环流致使我国中东部地区上空出现显著的高压异常环流（“大气桥”）。受该不利大气环流型控制，我国中东大部地区的气象条件十分有利于霾污染的发生：（1）异常的下沉运动不利于气溶胶的垂直扩散；（2）偏小的近地面风速条件不利于气溶胶的水平垂直扩散；（3）偏少的降水条件不利于颗粒物的湿沉；（3）异常高压东南外围的西北气流有利于上游北方的污染物向下游地区输送。

可见，夏末秋初南半球平流层和对流层极涡系统共同作用的变化是对早冬我国中东部霾污染年际变率主模态的重要可预报性来源。基于夏末秋初南半球对流层上层热带外位涡三极子指数，建立了物理经验季节预测模型。采用交叉验证（cross-validation）方法发现该模型表现出较高的预测技巧，回报技巧达0.7，可为提早对未来霾污染形势进行精准研判提供重要技术支撑。

该研究于2020年发表在《Climate Dynamics》期刊上。

Chang, L. Y., Z. W. Wu* and J. M. Xu, 2020: Potential impacts of the Southern Hemisphere polar vortices on central-eastern China haze pollution during boreal early winter. Climate Dyn., 55: 771-787.

图1  1980-2015年（a）南半球夏末秋初（8-9月）200 hPa纬向风气候态（黑色箭头表征两支急流系统）和（b）200hPa高空45°E-150°E经度带平均纬向风随季节的变化特征

图2 我国中东部霾污染年际变率第一模态的空间分布特征（a）以及标准化的时间序列（b）

图3  对流层内不同等压面位势高度（阴影）和环流场（箭头）与位涡三极子指数的相关分布图（打点和黑色箭头区域达到95%置信水平）