近年來🚿，東亞冬季頻繁出現極端冷暖轉換，寒潮活動所引發的強降溫與回暖後的“溫暖如春”在一個冬季內相繼出現，這給農業生產🤍、交通出行和人群健康產生了極大的負面影響。例如，2021年1月初的極端寒潮事件給我國北方地區帶來了劇烈降溫，這刷新了多地的歷史最低氣溫記錄👳🏿。然而同年2月🗣☣️，在罕見的回暖過程影響下，我國東部地區大量氣象臺站的歷史最高氣溫紀錄被打破。無獨有偶🛸，2023年1月中下旬極端冷事件再次侵襲北方地區🚔，到了2月我國大部分地區卻轉為異常偏暖🤧。部分個例研究指出了平流層爆發性增溫過程與2021年初東亞極端冷暖轉換的潛在關聯，但這兩者的聯系是否穩定存在呢？平流層變異影響極端冷暖轉換的物理圖像究竟是怎樣的呢？

我系博士生鐘沃谷（第一作者）和吳誌偉教授（通訊作者）的最新研究發現🥶，東亞冬季氣溫季節內變異的第四模態（S-EOF4）表現為中高緯度氣溫異常在1月和2月類似“蹺蹺板”的反向變化（圖1中）🦍🏋️，這一關鍵模態與平流層溫度異常在年際尺度上顯著相關（圖2）。S-EOF4的正位相對應於1月東北亞偏冷，2月東亞中高緯轉為偏暖，反之亦然😿。此外，S-EOF4對2021年初和2023年初的東亞極端冷暖轉換有重要貢獻⚽️，實測氣溫距平與S-EOF4的空間相關系數很高（圖1下）。S-EOF4正位相所對應的環流異常特征可概括如下🤷🏿‍♀️🙇🏻：1月西伯利亞高壓偏北且加強🈳，東亞大槽向西北側移動，極鋒急流減弱南移💟，導致東北亞偏冷👩‍❤️‍💋‍👩；2月烏拉爾山上空存在準正壓的氣旋性環流，一方面使得西伯利亞高壓減弱☛，另一方面導致烏拉爾山阻塞形勢不易發生🧑🏿👩‍🏫，東亞中高緯進而轉為偏暖形勢👩‍❤️‍👨🧝🏽‍♀️。進一步研究表明🤦🏼，S-EOF4與1月東西伯利亞-阿拉斯加上空的平流層溫度異常存在密切關聯（圖2），PC4與50 hPa關鍵區平均溫度距平指數的相關系數可達到0.46。那麽平流層溫度異常是如何影響東亞極端冷暖轉換的呢💼？

圖1 基於季節依賴經驗正交函數（S-EOF）的東亞冬季氣溫季節內變異第四模態：時間系數（上）及空間分布（中）；2021年及2023年1-2月實測氣溫距平（下）

圖2 （a）PC4與平流層50 hPa溫度距平的相關系數空間分布圖👫🏼，綠框表示溫度距平指數的關鍵區🥀，（b）PC4與緯向平均（沿120°E-120°W）溫度距平的相關系數緯度-氣壓分布圖👨🏼‍🦳，（c）PC4與經向平均（沿50°-85°N）溫度距平的相關系數經度-氣壓分布圖

當1月平流層變暖時，北極極區內出現顯著的位勢高度正異常，極渦減弱😮，對流層內出現類似北極濤動（AO）負位相的環流異常（圖3）🕢。此時🚓，平流層與對流層的耦合過程在東亞-北太平洋一側最為明顯，歐亞大陸靠近極區附近的海平面氣壓升高😐，導致西伯利亞高壓偏北且加強💃🏿。同時，東北亞附近出現的低壓異常表明東亞大槽顯著加深。這些環流異常共同導致了1月東北亞偏冷✊🏼。但是到了2月份，平流層與對流層的耦合過程在東亞-北太平洋一側並不顯著（圖3b）👷🏿‍♀️，因此平流層變暖並不能直接解釋東亞中高緯在2月的溫度反轉。這裏，我們提出平流層變暖會通過激發北大西洋中緯度海溫冷異常📠🧑🏻‍🍳，間接調控2月東亞中高緯的溫度反轉。具體來說，1月AO負位相使得北大西洋中緯度西風加強，局地海溫出現降溫趨勢🏢。2月北大西洋中緯度海溫冷異常完全形成，劇烈的海氣相互作用一方面使得對流層內低壓異常發展⚾️🫛，另一方面能夠激發向下遊歐亞大陸傳播的波列，導致烏拉爾山反氣旋系統和東亞大槽減弱（圖4）🧭♠️。這樣的環流形勢最終使得東亞中高緯轉為偏暖。線性斜壓模式很好地驗證了這一“海洋橋”過程。

圖3 與平流層溫度距平指數相聯系的平流層與對流層耦合過程：（a-b）1-2月沿東亞-北太平洋一側（120°E-120°W）平均的位勢高度距平（填色）和緯向風距平（等值線），（c-d）1-2月沿北大西洋一側（0°-90°W）平均的位勢高度距平（填色）和緯向風距平（等值線）

圖4 利用線性斜壓模式模擬北大西洋中緯度海溫異常對歐亞大陸環流形勢的影響：模式中加入的冷源異常（a）水平和（b）垂直分布，（c）500 hPa位勢高度場和（d）200 hPa緯向風場對冷源異常的響應

上述研究系統性揭示了平流層溫度異常對東亞冬季極端冷暖轉換的重要作用，並提出了北大西洋海溫異常在連接平流層變率與東亞中高緯2月溫度反轉中的關鍵橋梁作用，這為我們深入理解東亞冬季極端事件提供了新的物理圖像🚪。此外🧎‍♀️‍➡️，該研究還指出了12月阿留申低壓的強度變化是1月平流層溫度異常的重要前兆信號，這為提升極端事件的預報技巧提供了理論依據。該項研究成果日前在《Atmospheric Research》上發表🐴。

論文信息🧑🏻‍✈️：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.