2020/2021年冬季大范圍低溫寒潮過(guò)程中一種典型的平流層—對(duì)流層耦合演變模態(tài)

虞越越 李亞飛 任榮彩 2, 崔正飛

1 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(KLME)/氣象與環(huán)境聯(lián)合研究中心(ILCEC)/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(CIC–FEMD), 南京 210044

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所, 北京 100029

3 天津市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心, 天津 300074

1 引言

隨著探測(cè)手段的進(jìn)步和觀測(cè)資料的豐富，許多科學(xué)家開(kāi)始注意到，平流層不僅被動(dòng)地接受對(duì)流層行星尺度擾動(dòng)上傳的影響（Matsuno, 1970;Limpasuvan et al., 2004, 2005; Polvani and Waugh,2004）， 而且平流層的一些變化可通過(guò)與對(duì)流層的相互作用過(guò)程對(duì)季節(jié)內(nèi)尺度的對(duì)流層環(huán)流和天氣變化產(chǎn)生重要影響（黃榮輝等, 2018）。最受關(guān)注的當(dāng)屬平流層極渦異常信號(hào)的“向下傳播”。Baldwin and Dunkerton（1999） 和Baldwin and Dunkerton（2001） 發(fā)現(xiàn)在季節(jié)內(nèi)尺度上， 較強(qiáng)的平 流 層 北 半 球 環(huán) 狀 模（Northern Annular Mode,NAM）異常信號(hào)可以向下傳播到地面， 表現(xiàn)為同位相的北極濤動(dòng)（Arctic Oscillation, AO）。而與表征弱極渦的NAM 負(fù)位相對(duì)應(yīng)的AO負(fù)位相又往往伴隨大氣環(huán)流經(jīng)向性和波活動(dòng)的加強(qiáng)，有利于大范圍寒潮低溫的發(fā)生（e.g., Balling and Lawson, 1982;Thompson and Wallace, 1998, 2001; Moritz et al.,2002; 陳文和康麗華, 2006）。因此，弱極渦或平流層 爆 發(fā) 性 增 溫（Stratospheric Sudden Warming,SSW）事 件（Craig and Hering, 1959; Finger and Teweles, 1964; 鄧淑梅和陳月娟, 2006） 發(fā)生前后1～2個(gè)月往往伴隨著中緯度大范圍極端低溫事件的發(fā)生（Thompson et al., 2002; 胡永云, 2006; 顧雷等, 2008; 陳文和魏科, 2009; 向純怡等, 2009; 李琳等, 2010; Kolstad et al., 2010; 楊光等, 2012; 陳文等,2013; Chen et al., 2015; Yu et al., 2015b; Zhou et al.,2020）。平流層極渦的形狀、位置可進(jìn)一步影響寒潮或極端低溫發(fā)生的時(shí)間和區(qū)域，比如：在極渦偏心型SSW事件前/后2～3周，美國(guó)東南部偏暖/偏冷，歐亞偏冷/偏暖；而在極渦分裂型SSW事件前后1個(gè)月內(nèi)，兩個(gè)大陸同時(shí)偏冷的概率顯著增加（Mitchell et al., 2013; Kidston et al., 2015; Lehtonen and Karpechko, 2016）；平流層極渦向歐亞大陸、北美大陸和大西洋偏移的事件分別使歐亞、北美和格陵蘭異常偏冷，極渦偏向歐亞大陸時(shí)往往伴隨AO負(fù)位相持續(xù)時(shí)間偏長(zhǎng)、強(qiáng)度偏大（Huang et al.,2018; Lu et al., 2021）。這一系列研究將NAM和AO這兩個(gè)環(huán)狀模態(tài)的天氣指示意義提上了一個(gè)新高度，平流層—對(duì)流層耦合過(guò)程的存在為平流層信號(hào)在冬季中、短期預(yù)測(cè)中的應(yīng)用提供了可能。

關(guān)于平流層向下影響對(duì)流層的機(jī)制，主要有波流 相 互 作 用 理 論（Matsuno, 1970; Kuroda and Kodera, 1999）、波 折 射 理 論（Limpasuvan et al.,2004; Haynes, 2005）、非 局 地 位 勢(shì) 渦 度 響 應(yīng)（Hartley et al., 1998; Ambaum and Hoskins, 2002;Black, 2002）以及等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流冷暖支耦合理論（Johnson, 1989; Cai and Ren, 2007; Ren and Cai, 2008; Yu et al., 2014, 2015a, 2015b, 2015c,2018a; Cai et al., 2016; Yu and Ren, 2019）。波流相互作用理論（Charney and Drazin, 1961; Kuroda and Kodera, 1999; Shindell et al., 1999; Hartmann, 2000）認(rèn)為只有較大尺度的行星波在基流速度略大于波相速度的條件下才能上傳至平流層。對(duì)流層波動(dòng)上傳影響平流層基流后，平流層西風(fēng)基流的減弱可反過(guò)來(lái)影響對(duì)流層波動(dòng)的垂直傳播，使得波動(dòng)可以上傳到的臨界高度逐漸降低，形成緯向風(fēng)、位勢(shì)高度等環(huán)流異常從平流層到對(duì)流層的向下傳播特征。波折射理論強(qiáng)調(diào)了平流層環(huán)流“波折射性”對(duì)行星波傳播的調(diào)控作用，認(rèn)為對(duì)流層羅斯貝波通量的上傳，可將對(duì)流層AO/NAM的變化信號(hào)傳遞給平流層，但該波動(dòng)通量會(huì)受到平流層低層基流的折射性質(zhì)影響 而 改 變 方 向（Hartmann, 2000; Limpasuvan and Hartmann, 2000），形成行星波上傳進(jìn)入平流層的向赤道和向極地傳播的兩支波導(dǎo)，以及在平流層高層反射向?qū)α鲗拥牟▌?dòng)傳播路徑（Perlwitz and Harnik, 2003）。非局地位勢(shì)渦度響應(yīng)機(jī)制（Hartley et al., 1998; Ambaum and Hoskins, 2002; Black, 2002）是指平流層低層的位勢(shì)渦度異?？杉ぐl(fā)瞬時(shí)經(jīng)向環(huán)流，從而引起對(duì)流層溫度、風(fēng)場(chǎng)等的同步變化。

近些年，等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流理論為平流層—對(duì)流層動(dòng)力耦合及其天氣氣候效應(yīng)相關(guān)的物理過(guò)程和機(jī)制研究提供了新思路和新視角。等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流是以位溫（或熵）作為垂直坐標(biāo)用于研究大氣環(huán)流分布的理論框架（Johnson, 1989; Cai and Shin, 2014）。在等熵面上定義的經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流可以更直接、更客觀地量化各緯度帶內(nèi)的冷暖空氣輸送。極赤地區(qū)的非絕熱冷卻和加熱與西風(fēng)帶大氣斜壓波的存在，決定了等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流呈現(xiàn)為半球尺度的單圈環(huán)流，由熱帶地區(qū)的上升支、高層由赤道向極地的暖支、中高緯度地區(qū)的下沉支以及低層由極區(qū)向赤道的冷支組成。高層暖支表征低緯度暖空氣向極輸送的強(qiáng)度，主導(dǎo)著平流層NAM和平流層極渦的強(qiáng)度變化（Yu et al., 2018a），而低層冷支則表征了極區(qū)冷空氣向南輸送或冷空氣南侵的強(qiáng)度及其路徑，從而與中緯度的寒潮爆發(fā)和極端低溫的發(fā)生緊密相關(guān)（Iwasaki and Mochizuki,2012; Iwasaki et al., 2014; Yu et al., 2015a, 2015b;Liu and Chen, 2021; Liu et al., 2021）。

等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流向極暖支和向赤道冷支之間的耦合變化，反映了平流層—對(duì)流層動(dòng)力耦合的 過(guò) 程（Cai and Ren, 2006, 2007; Ren and Cai,2006, 2007, 2008; Yu and Ren, 2019）。伴隨平流層極渦振蕩或NAM事件的向下影響以及異常信號(hào)的系統(tǒng)性經(jīng)向傳播，可由等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流向極暖支和向赤道冷支之間的先后同位相變化來(lái)解釋。例如，SSW發(fā)生前的大氣行星波活動(dòng)及經(jīng)向交換加強(qiáng)，首先表現(xiàn)為經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流暖支的自上而下逐層異常加強(qiáng)，反映在環(huán)流異常場(chǎng)上即為動(dòng)力和熱力異常信號(hào)的同時(shí)向下和系統(tǒng)性向極傳播（Cai and Ren, 2006, 2007; Ren and Cai, 2006, 2007, 2008）;由于質(zhì)量環(huán)流暖支逐層加強(qiáng)及其所造成的SSW發(fā)生時(shí)的平流層極區(qū)逐層異常增暖，往往領(lǐng)先于對(duì)流層質(zhì)量環(huán)流向赤道冷支的異常加強(qiáng)，高層的暖異常因而與對(duì)流層極區(qū)的冷異常相對(duì)應(yīng)，即呈垂直反位相變化。換言之，大多數(shù)情況下平流層向下傳播的暖異常信號(hào)實(shí)際并不能下傳到對(duì)流層（Ren and Cai, 2007）。Yu and Ren（2019） 的研究進(jìn)一步指出，大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流高層向極地暖支和低層向赤道冷支之間的不同的耦合變化，決定了平流層—對(duì)流層環(huán)流動(dòng)力耦合的特征。當(dāng)平流層暖支與對(duì)流層冷暖支呈同位相變化時(shí)，對(duì)流層溫度異常信號(hào)則滯后于平流層信號(hào)而呈向下傳播特征，反之亦然。等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層向極暖支和對(duì)流層低層向赤道冷支之間的耦合關(guān)系存在多個(gè)主導(dǎo)演變模態(tài)，決定了平流層向下影響的不確定性（Yu and Ren,2019）。此外，平流層NAM與地面AO之間的同位相關(guān)系也可用等熵大氣質(zhì)量環(huán)流理論解釋。對(duì)質(zhì)量與溫度異常的定量分析表明，在AO負(fù)位相的冬季，等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流往往異常偏強(qiáng)，早冬高層暖支將更多的暖空氣向極區(qū)輸送，導(dǎo)致平流層出現(xiàn)異常暖高壓（NAM負(fù)位相），平流層暖支的加強(qiáng)略早于低層向赤道冷支，使得整層氣柱質(zhì)量盈余，低層極區(qū)也出現(xiàn)高壓（AO負(fù)位相），形成極區(qū)看似 “正壓”的結(jié)構(gòu)（Cai and Ren, 2007; Yu et al.,2014）?？傊?，大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流高低層支之間的耦合變化，決定了平流層與對(duì)流層的動(dòng)力耦合特征，關(guān)注大氣質(zhì)量環(huán)流的異常變化，是理解平流層向下影響對(duì)流層寒潮低溫的重要途徑。

2020/2021年冬季，發(fā)生了一次偏心型強(qiáng)SSW事件，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且在其發(fā)生前后伴有多次破紀(jì)錄的寒潮低溫事件在東亞和北美發(fā)生。本文擬圍繞該典型個(gè)例，通過(guò)分析等熵大氣質(zhì)量以及經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的變化特征、考查相關(guān)的動(dòng)力過(guò)程，厘清以下三個(gè)問(wèn)題：（1）此次強(qiáng)SSW事件前后中高緯度大范圍地面溫度的異常演變特征是怎樣的？（2）等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層向極暖支和對(duì)流層向赤道冷支的耦合模態(tài)如何？（3）平流層極渦異常是如何通過(guò)等熵大氣質(zhì)量異常與中高緯度大范圍地面溫度建立緊密聯(lián)系的？

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用歐洲中期預(yù)報(bào)中心提供的ERA5逐小時(shí)再分析資料集，時(shí)間從1979年1月1日至2021年2月28日。水平分辨率為1.5°×1.5°，垂直方向共有32層，分別從1000 hPa到10 hPa。文中使用的要素場(chǎng)包括：地面溫度場(chǎng)、地面風(fēng)場(chǎng)和三維位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)。本文首先對(duì)24小時(shí)逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行日平均處理得到逐日要素原始場(chǎng)；再將1月1日至12月31日每天的要素原始場(chǎng)進(jìn)行多年平均（1980～2020年），得到氣候平均場(chǎng)；最后從要素原始場(chǎng)中去除氣候平均場(chǎng)，得到各要素的距平場(chǎng)。

2.2 方法

2.2.1 冷面積指數(shù)

為表征不同地區(qū)整體的冷暖情況，本文使用Cai（2003） 和Yu et al.（2015a）定義的冷面積指數(shù)，即某區(qū)域2 m溫度距平（SAT′）低于?0.5倍局地標(biāo)準(zhǔn)差（LSD）的格點(diǎn)數(shù)占該區(qū)域所有格點(diǎn)數(shù)的百分比。表達(dá)式如下所示：

2.2.2 等熵層內(nèi)的大氣質(zhì)量和經(jīng)向質(zhì)量通量

參照Pauluis et al.（2008, 2010, 2011） 和Yu et al.（2014, 2015a, 2015b, 2015c）計(jì)算等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的方法，首先利用σ坐標(biāo)系將各氣象要素插值到從σ=1（地表）到σ=0（大氣層頂）等分為200份的等σ面上，兩個(gè)相鄰等σ面之間的單位面積空氣質(zhì)量（δmσ）可表示為

其中，δσ=1/200；Ps是逐日地面氣壓；g是重力加速度（9.8 m s?2）。其 次，取16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等熵 面（Θn=250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K、315 K、330 K、350 K、370 K、400 K、450 K、550 K、650 K、850 K、1200 K）。將相鄰等σ面間位溫落在兩個(gè)等熵面Θn和Θn+1中的空氣塊質(zhì)量或經(jīng)向質(zhì)量通量累加，可得到某個(gè)格點(diǎn)上等熵面Θn和Θn+1之間等熵層內(nèi)的空氣質(zhì)量與經(jīng)向質(zhì)量通量，記在該層的下等熵面Θn上，公式如下：

其中，t是時(shí)間；v(λ,φ,σ,t) 是經(jīng)向速度；當(dāng)Θn≤θ＜Θn+1時(shí)，Y(θ,Θn,Θn+1)=1，否則Y(θ,Θn,Θn+1)=0。 由于逐日地面最低位溫可能低于260 K，大氣層頂位溫可能高于1200 K，本文計(jì)算了低于260 K、高于1200 K的等熵空氣質(zhì)量與經(jīng)向質(zhì)量通量，分別記在250 K等熵面和1200 K等熵面上：

其中，H（x）是赫維賽德函數(shù)。

緯圈積分的等熵大氣質(zhì)量（M）、經(jīng)向質(zhì)量通量（MF）計(jì)算公式如下：

其中，Aφ為格點(diǎn)面積，其表達(dá)式如下：

式中，R為地球半徑（取6378 km）；?λ、?φ表示兩格點(diǎn)之間的經(jīng)、緯度差；nx為緯向格點(diǎn)數(shù)。

在北半球各個(gè)緯度，大氣低層總有MF負(fù)值，表示有凈的向南冷空氣質(zhì)量輸送，被稱(chēng)為向赤道冷支（CB），與寒潮低溫緊密相關(guān)（Cai and Shin,2014; Yu et al., 2014, 2015a, 2015b, 2015c）；而 在對(duì)流層高層和平流層總有MF正值，表示凈的向北暖空氣質(zhì)量輸送，被稱(chēng)為向極地暖支（WB），是引起高層極渦振蕩變化的主導(dǎo)因素（Yu et al.,2018a）。向赤道冷支與向極地暖支的分界等熵面Θn(t)，則定義為從Θn等熵面處向下積分的質(zhì)量流函數(shù)的負(fù)極值所在層。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于冬季逐日資料來(lái)說(shuō)，冷暖支分界面的變化范圍維持在270～290 K之間。而Iwasaki and Mochizuki（2012） 和Iwasaki et al.（2014）將低于280 K的空氣質(zhì)量定義為冷空氣質(zhì)量；Cai and Shin（2014）給出的冬季平均狀態(tài)下60°N左右的冷暖支分界面是280 K；Cai et al.（2016）、Yu et al.（2018a, 2018b, 2018c）用400 K以上的經(jīng)向質(zhì)量通量表征與SSW緊密相關(guān)的平流層中上層環(huán)流強(qiáng)度。結(jié)合計(jì)算結(jié)果與前人工作，本文關(guān)注60°N的大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流，用280 K以下、280 K～315 K、400 K以上三個(gè)等熵層內(nèi)的總經(jīng)向質(zhì)量通量表征冷支、對(duì)流層暖支、平流層暖支的強(qiáng)度。進(jìn)一步采用傅立葉變換方法，將經(jīng)向風(fēng)速分解，取代原始風(fēng)速場(chǎng)代入公式（4）～（6），計(jì)算可得大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流各分支強(qiáng)度的1波和2波分量。

2.2.3 行星波振幅和傾斜度計(jì)算

參照Z(yǔ)hang et al.（2013） 的研究，行星波振幅（WA）的計(jì)算公式如下：

其中，p表示氣壓；z表示位勢(shì)高度場(chǎng)；是緯向平均算子。WA正距平表征位勢(shì)高度場(chǎng)的緯向非對(duì)稱(chēng)性偏高或波動(dòng)振幅偏大，而負(fù)距平則表征位勢(shì)高度場(chǎng)的緯向?qū)ΨQ(chēng)性偏高或波動(dòng)振幅偏小。

參照Cai et al.（2014）的方法，計(jì)算行星波西傾角度（WT）指數(shù)的公式如下：

其中，z和T分別代表位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，rz,T代表位勢(shì)高度和溫度場(chǎng)在經(jīng)度上超前/滯后j?λ的相關(guān)系數(shù)，其表達(dá)式如下：

公式(10)中的K(φ,p,t)表示位勢(shì)高度場(chǎng)的有效波數(shù)，其表達(dá)式為

式中，rz,z是高度場(chǎng)在經(jīng)度上超前/滯后j?λ的自相關(guān)系數(shù)。行星波西傾角度為正/負(fù)值時(shí)表示行星波向西/東傾斜，波動(dòng)斜壓性偏強(qiáng)/弱，有利于行星波向上/下傳播。60°N 附近西傾角度指數(shù)的冬季氣候平均為正值，這意味著中高緯度地區(qū)冬季天氣氣候主要受結(jié)構(gòu)呈垂直向西傾斜的斜壓不穩(wěn)定波動(dòng)控制。

3 2020/2021年 冬 季SSW爆 發(fā) 前 后平流層環(huán)流與地面溫度的演變特征

在2020/2021年冬季，北極發(fā)生了一次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的強(qiáng)SSW事件。為了探究其環(huán)流特征，圖1給出了2020年12月至2021年1月平流層10 hPa極區(qū)平均溫度場(chǎng)和極夜急流核心緯度帶緯向平均緯向風(fēng)隨時(shí)間的演變以及2020年12月26日、2021年1月5日和 15日10 hPa位勢(shì)高度及其距平的水平分布。由圖1a可以看出，繞極緯向風(fēng)與極區(qū)溫度之間呈明顯的反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)?0.814。從12月24日開(kāi)始，10 hPa極區(qū)快速升溫，于次年1月4日達(dá)到峰值，較24日而言，溫度增幅達(dá)50 K。同時(shí)，10 hPa緯向西風(fēng)自12月24日起迅速減弱，并在1月5日轉(zhuǎn)為東風(fēng)，東風(fēng)持續(xù)到1月20日。若以10 hPa繞極東風(fēng)自出現(xiàn)到結(jié)束作為SSW持續(xù)階段（在圖1d中用紫色陰影標(biāo)出），此次SSW事件自1月5日始，至1月20日止，持續(xù)16天，相比往年偏長(zhǎng)。從位勢(shì)高度場(chǎng)的變化可知，前期（12月26日）有高壓中心從白令海峽侵入極區(qū)，使得極渦中心向大西洋和歐洲偏移（圖1b），隨著高壓中心進(jìn)一步侵入極區(qū)，1月5日低壓中心一分為二（圖1c），分別位于歐洲和北美上空，隨后主要負(fù)位勢(shì)高度異常中心移至歐亞大陸北部地區(qū)上空，正位勢(shì)高度異常中心偏向北美（圖1d）。本次SSW期間的極渦形態(tài)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“兩極”分布的位勢(shì)高度場(chǎng)，繞極東風(fēng)主要位于歐亞一側(cè)，屬于典型的偏心型增溫事件（Charlton and Polvani,2007）。關(guān)于本次SSW具體特征，前人工作（Lee,2021; Lu et al., 2021; Zhang Y X, et al., 2022）已作詳細(xì)描述。

圖1 （a）2020/2021年冬季10 hPa 60°N緯向平均緯向風(fēng)（單位：m s?1） 和60°N～90°N平均溫度（單位：K）時(shí)間序列 [伴隨平流層爆發(fā)性增溫（Stratospheric Sudden Warming, SSW）爆發(fā)的繞極西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)時(shí)段由紫色陰影標(biāo)出；二者相關(guān)系數(shù)標(biāo)于右上角]；（b）2020年12月26日、(c) 2021年1月5日、(d) 2021年1月15日10 hPa位勢(shì)高度（等值線，單位：dagpm）及其距平（填色，單位：dagpm）Fig. 1 (a) Time series of the average zonal wind at 60°N (units: m s?1) and temperature averaged over 60°N–90°N (units: K) at 10 hPa during 2020/2021 winter (the purple shaded box indicates the period when the subpolar westerly became easterly; the correlation is shown in the top-right) and the geopotential height (contours, units: dagpm) and its anomaly (shadings, units: dagpm) at 10 hPa on (b) December 26, 2020, (c) January 5, 2021, and(d) January 15, 2021

繞極60°N緯向風(fēng)、極區(qū)60°N～90°N平均高度場(chǎng)及其距平的高度—時(shí)間演變特征（圖2a，b）表明，此次強(qiáng)SSW事件前后存在顯著的平流層—對(duì)流層耦合過(guò)程。首先，高度場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)在平流層與對(duì)流層環(huán)流呈現(xiàn)出相似的異常特征。就繞極緯向風(fēng)而言，伴隨SSW事件的繞極東風(fēng)可下延至50 hPa，緯向風(fēng)負(fù)距平從2020年12月底至2021年2月中旬一直持續(xù)存在于300 hPa以上的對(duì)流層高層和平流層中，對(duì)流層中低層也由緯向風(fēng)負(fù)距平所主導(dǎo)（除1月10日、15日、2月5日附近有弱西風(fēng)異常之外）。同時(shí)，極區(qū)平均的位勢(shì)高度正距平基本與繞極緯向風(fēng)負(fù)距平相對(duì)應(yīng)，二者均有顯著的向下延伸特征，地面北極濤動(dòng)呈負(fù)位相（圖6d）。其次，平流層與對(duì)流層環(huán)流異常之間存在一定的超前滯后關(guān)系，可能與對(duì)流層向上和平流層向下的雙向影響過(guò)程有關(guān)。具體地，在SSW發(fā)生前（12月中下旬），對(duì)流層的緯向風(fēng)負(fù)距平和極區(qū)高度正距平略早于SSW的爆發(fā)時(shí)間（即1月5日繞極西風(fēng)轉(zhuǎn)東風(fēng)），反映對(duì)流層大尺度波動(dòng)向上傳播從而削弱平流層極渦的過(guò)程。而次年1月起，平流層緯向風(fēng)與位勢(shì)高度距平大值時(shí)段則略早于對(duì)流層大值時(shí)段（即1月中下旬至2月上旬），可能對(duì)應(yīng)于平流層弱極渦異常信號(hào)的向下影響過(guò)程。這種伴隨SSW的平流層極區(qū)環(huán)流異常相對(duì)于對(duì)流層大尺度環(huán)流具有2～3周的超前性，驗(yàn)證了陸春暉和丁一匯（2013） 以及Baldwin and Dunkerton（1999, 2001）的結(jié)論。但需要注意的是，相比于平流層，對(duì)流層繞極緯向風(fēng)負(fù)距平與極區(qū)位勢(shì)高度正距平的變化明顯偏快，其中1月中下旬至2月上旬的同號(hào)異常信號(hào)再次加強(qiáng)，這有可能受平流層調(diào)控，但不排除對(duì)流層自身變率的重要作用。

圖2 （a）60°N平均緯向風(fēng)（單位：m s?1）、 60°N～90°N極區(qū)平均的（b）位勢(shì)高度（單位：gpm）和（c）溫度（單位：K）的原始場(chǎng)（等值線）和距平場(chǎng)（填色），以及（d）60°～90°N積分的等熵大氣質(zhì)量距平（填色，單位：1014 kg）和各層向上積分的質(zhì)量距平（等值線，單位：1014 kg）的時(shí)間—高度剖面。黑色粗橫實(shí)線表征最接近于對(duì)應(yīng)緯度冬季氣候平均對(duì)流層頂氣壓的等壓面（150 hPa）及等熵面（315 K）；（c）和（d）中的演變廓線分別為 300 hPa以下平均的極區(qū)溫度距平以及280 K以下冷空氣的總質(zhì)量距平（紫色陰影同圖1d，黑色豎虛線為基于對(duì)流層溫度及空氣質(zhì)量距平的時(shí)間分段）Fig. 2 The time–height cross sections of the total field (contours) and the anomaly field (shadings) of (a) 60°N zonal average zonal wind (units: m s?1),60°N–90°N mean (b) geopotential height (units: gpm) and (c) temperature (units: K), and (d) the isentropic mass anomaly (shadings, units: 1014 kg) and the accumulated mass anomaly (contours, units: 1014 kg) above each isentropic level integrated over 60°N–90°N. Black thick horizontal lines indicate the pressure levels and isentropic level that are closest to the winter mean tropopause level in the corresponding latitudes; the time series of the polar mean temperature anomaly (TA) averaged over isobaric levels below 300 hPa and the cold air mass anomaly (MA) below 280 K are superimposed in(c)–(d) (the purple shaded box is the same as that in Fig. 1d and the black vertical dashed lines indicate periods divided based on the tropospheric temperature evolution)

雖然繞極緯向風(fēng)與極區(qū)平均高度距平場(chǎng)存在看似下傳的特征，但從極區(qū)平均的溫度和冷暖空氣質(zhì)量距平的演變（圖2c，d）來(lái)看，平流層極渦異常信號(hào)并非從平流層直接下傳到地面。在SSW發(fā)生的1月，極區(qū)積分的各等熵層空氣質(zhì)量距平由上到下表現(xiàn)為正（平流層，315 K以上）、負(fù)（對(duì)流層中高層，290～315 K）、正（對(duì)流層低層，280 K以下）的“三明治”垂直結(jié)構(gòu)。在平流層，暖空氣質(zhì)量正距平信號(hào)存在顯著的向下傳播特征，但這種傳播到對(duì)流層頂即結(jié)束。而極區(qū)溫度取決于相對(duì)更暖的空氣總質(zhì)量（即某等熵面以上的空氣質(zhì)量總和，如圖2d等值線所示）或者等熵面上凸/下凹形變（Cai and Ren, 2007; Yu and Ren, 2019），因 而溫度異常信號(hào)可從平流層向下到達(dá)對(duì)流層高層。如圖2c所示，高層有溫度正距平在1月呈現(xiàn)下傳特征，傳至對(duì)流層高層（300 hPa），而以下層次有弱的溫度負(fù)距平，呈現(xiàn)“高低層相反”的極區(qū)溫度距平垂直結(jié)構(gòu)。這種等熵大氣質(zhì)量在垂直方向上的“三明治”結(jié)構(gòu)及其與溫度的關(guān)系在SSW事件前期和后期也有清楚體現(xiàn)，可歸納為平流層暖空氣質(zhì)量的負(fù)距平對(duì)應(yīng)于極區(qū)平流層溫度偏低；對(duì)流層中高層暖空氣質(zhì)量的正距平和低層冷空氣質(zhì)量的負(fù)距平，對(duì)應(yīng)于對(duì)流層中低層極區(qū)溫度偏高。這種極區(qū)溫度“高低層反相”、大氣等熵面質(zhì)量“三明治”的垂直結(jié)構(gòu)特征在極渦振蕩過(guò)程中十分常見(jiàn)，表明平流層異常信號(hào)并不直接下傳，而可能是大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流向極地暖支和冷支耦合變化的結(jié)果（Cai and Ren, 2007; Yu and Ren, 2019）。

由于本次強(qiáng)SSW事件前后包含了平流層與對(duì)流層雙向影響的復(fù)雜過(guò)程，且平流層與對(duì)流層環(huán)流的階段特征不同，需要分別確定關(guān)鍵研究時(shí)段。平流層關(guān)鍵階段可重點(diǎn)關(guān)注SSW發(fā)生時(shí)段，而對(duì)流層關(guān)鍵階段則根據(jù)300 hPa以下層次的極區(qū)平均溫度和對(duì)流層內(nèi)（315 K以下）等熵質(zhì)量距平的演變特征進(jìn)行劃分（圖2c，d），分別為前期（12月21至1月14日）、中期（1月15日至2月9日）、后期（2月10至2月28日）。

本次SSW事件前期和后期的極區(qū)低層偏暖與中緯度大范圍寒潮低溫事件緊密相關(guān)。由三個(gè)階段平均的中高緯20°N～90°N地面2 m溫度距平水平分布（圖3）可知，在前期（圖3a），伴隨在巴倫支?！＜捌浔辈繕O地地區(qū)的顯著正溫度距平，亞洲大陸和西歐地區(qū)基本處于負(fù)溫度距平的控制之下，0°C等溫線南至30°N，對(duì)應(yīng)于發(fā)生在東亞地區(qū)2020年12月29～31日和2021年1月6～8日的2次連續(xù)“霸王級(jí)”寒潮，均達(dá)到極端低溫標(biāo)準(zhǔn)（Dai et al., 2022; Zhang X D et al., 2022）。這一中高緯地面溫度的異常分布也被稱(chēng)為“暖北極—冷歐亞”模態(tài)（Zhang et al., 2021）。而此時(shí)北美大陸以正溫度距平為主，歐亞地區(qū)以負(fù)溫度距平為主，即地面溫度呈一波型分布。在中期（圖3b），歐亞大陸中緯度地區(qū)開(kāi)始回暖，而次極地（60°N～75°N）溫度負(fù)距平加大，北美地區(qū)的溫度負(fù)距平控制了包括阿拉斯加在內(nèi)的西海岸北部地區(qū)。后期（圖3c），伴隨北冰洋地區(qū)顯著的溫度正距平，北美大陸的溫度負(fù)距平沿落基山脈長(zhǎng)驅(qū)直下，席卷了除東海岸之外的北美洲大部分地區(qū)，加拿大和美國(guó)出現(xiàn)了百年一遇的超級(jí)降溫和極端低溫事件，與此同時(shí)的極區(qū)和歐亞中緯度地區(qū)則以溫度正距平為主，呈現(xiàn)出“暖北極—冷北美”模態(tài)。三個(gè)階段平均的280 K以下累積冷空氣質(zhì)量距平場(chǎng)（圖3等值線）與地面溫度距平場(chǎng)存在顯著負(fù)相關(guān)，再次驗(yàn)證了冷空氣質(zhì)量增多/減少可直接導(dǎo)致近地溫度的降低/升高。

圖3 2020/2021年SSW事件各階段平均的20°N～90°N地面2 m溫度距平（填色，單位：°C，紫色等值線為0°C線）和低于280 K的冷空氣質(zhì)量距平（等值線，單位：1012 kg，藍(lán)/紅色表示正/負(fù)距平）的水平分布：(a) 12月21至1月14日、 (b) 1月15至2月9日、(c) 2月10至2月28日Fig. 3 Horizontal distribution of the 2-m temperature anomaly (shadings, units: °C, purple isoline is the 0°C line) and cold air mass anomaly vertically integrated below 280 K (contours, units: 1012 kg, blue/red contours indicate positive/negative values) averaged over each period of the SSW event in 2020/2021 winter: (a) December 21–January 14; (b) January 15–February 9; (c) February 10–February 28

為了更加清楚地呈現(xiàn)大陸尺度低溫事件的時(shí)間演變特征，圖4分別給出了中緯度、高緯度地區(qū)大陸所有經(jīng)度范圍、歐洲范圍、亞洲范圍和北美范圍內(nèi)冷、暖面積指數(shù)的5天滑動(dòng)平均時(shí)間序列。由圖4a可知，在此次SSW事件前后，北半球整個(gè)中緯度地區(qū)的冷面積指數(shù)CM并無(wú)顯著高于氣候態(tài)的時(shí)段，高緯度暖面積指數(shù)WH與中緯度的冷面積指數(shù)CM反相變化特征除前期之外也不明顯。這是因?yàn)榘殡S此次SSW事件的地面溫度距平具有顯著的區(qū)域性特征：亞洲中緯度地區(qū)的冷面積指數(shù)CM在前期偏高，從12月23日開(kāi)始顯著上升，在12月31日達(dá)到峰值80%，從1月7日開(kāi)始回落，與之對(duì)應(yīng)的是同樣顯著升高的同經(jīng)度范圍內(nèi)高緯度地區(qū)暖面積指數(shù)WH（圖4c）；北美中緯度冷面積指數(shù)CM則在前期偏低，中后期顯著上升，在2月16日達(dá)到峰值60%，22日回落至氣候態(tài)水平，高緯度地區(qū)暖面積指數(shù)WH的變化與之基本一致（圖4d）；歐洲中緯度地區(qū)的冷面積指數(shù)CM分別在1月中旬、2月中旬有短暫高于氣候態(tài)的情況發(fā)生（圖4b），但持續(xù)時(shí)間和極值遠(yuǎn)小于亞洲和北美地區(qū)。

圖4 2020/2021年冬季（a）北半球大陸地區(qū)、（b）歐洲、（c）亞洲和（d）北美經(jīng)度范圍內(nèi)的中緯度冷、暖面積指數(shù)（CM、WM）和高緯度冷、暖面積指數(shù)（CH、WH）的時(shí)間序列。指數(shù)均做了5天滑動(dòng)平均處理。 黑色橫虛線為相應(yīng)各指數(shù)的氣候平均值；黑色豎虛線同圖2c；紫色陰影同圖1aFig. 4 Time series of the 5-day running mean midlatitude cold- and warm-area index (CM and WM) and high-latitude cold- and warm-area index(CH and WH) within the longitude range of (a) Northern Hemisphere continent, (b) Europe, (c) Asia, and (d) North America in 2020/2021 winter.Black dashed horizontal lines indicate the climatological mean values of corresponding indices; black dashed vertical lines are as in Fig. 2c and the purple box is as in Fig. 1a

綜上，位于此次SSW事件前期和后期的兩個(gè)極區(qū)地面異常偏暖時(shí)段，分別對(duì)應(yīng)著12月底至1月初連續(xù)2次亞洲寒潮爆發(fā)和2月中旬北美寒潮爆發(fā)。這種地面溫度時(shí)空演變特征可以說(shuō)是偏心型SSW事件或一波主導(dǎo)的弱極渦事件伴隨的經(jīng)典天氣 氣 候 特 征（Mitchell et al., 2013; Kidston et al.,2015; Lehtonen and Karpechko, 2016; Yu et al.,2018b, 2018c）。但與往年不同的是，此次SSW過(guò)程中，亞洲寒潮和北美寒潮的爆發(fā)時(shí)間間隔近2個(gè)月，較往年偏心型SSW事件對(duì)應(yīng)的寒潮爆發(fā)時(shí)間間隔偏長(zhǎng)。這可能與本次強(qiáng)SSW事件持續(xù)時(shí)間異常偏長(zhǎng)有關(guān)，因?yàn)槿粢許SW事件的開(kāi)始日期和結(jié)束日期計(jì)算，則在本次SSW事件繞極緯向風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)前的1～2周發(fā)生亞洲寒潮，在SSW事件繞極緯向風(fēng)恢復(fù)為西風(fēng)后的2～3周北美寒潮爆發(fā)，這與往年結(jié)果是一致的。

4 SSW爆發(fā)前后等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流異常變化特征

上述SSW伴隨的極區(qū)平流層增暖與“暖極地—冷中緯大陸”地面溫度異常模態(tài)，均與60°N等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的異常變化緊密相關(guān)。因此，本節(jié)將考查此次SSW事件爆發(fā)前后質(zhì)量環(huán)流的絕熱經(jīng)向分量異常變化，揭示環(huán)流的平流層暖支和對(duì)流層冷暖支的耦合模態(tài)演變，探究其調(diào)控冷暖空氣質(zhì)量，進(jìn)而影響平流層極渦和中緯度大范圍低溫的可能機(jī)制。

北半球冬季緯圈積分的等熵大氣質(zhì)量經(jīng)向通量的氣候態(tài)特征如圖5a所示，向極地暖支與向赤道冷支清晰可見(jiàn)。由SSW事件前后平流層向極地暖支強(qiáng)度的時(shí)間演變（圖5b）可知：在SSW爆發(fā)前2周，平流層向極地暖支持續(xù)偏強(qiáng)。平流層持續(xù)偏強(qiáng)的中緯度暖空氣向極地輸送，使得平流層極區(qū)暖空氣總質(zhì)量正距平和中緯度暖空氣質(zhì)量負(fù)距平在落后約半個(gè)月時(shí)達(dá)到極大值，導(dǎo)致極區(qū)顯著增溫、氣壓和溫度在中高緯度間呈蹺蹺板式變化、西風(fēng)減弱，最終導(dǎo)致SSW爆發(fā)。在SSW爆發(fā)后，平流層向極地暖支仍維持正距平，且在1月8日附近有顯著峰值，對(duì)應(yīng)于其1～2天后的10 hPa緯向平均緯向風(fēng)場(chǎng)的第二次顯著下降（圖1a）。這次SSW爆發(fā)后平流層向極地暖支的二次加強(qiáng)可能是因?yàn)椋舜蜸SW事件爆發(fā)后歐亞地區(qū)轉(zhuǎn)為東風(fēng)的同時(shí)北美地區(qū)仍長(zhǎng)期維持西風(fēng)，使得對(duì)流層行星波仍有上傳窗口，波動(dòng)驅(qū)動(dòng)的向極地質(zhì)量輸送加強(qiáng)，進(jìn)一步減弱極渦（Yu et al., 2022），這可能是導(dǎo)致本次SSW持續(xù)時(shí)間偏長(zhǎng)的原因。1月15日，平流層暖支中的MF開(kāi)始轉(zhuǎn)為以負(fù)距平為主，導(dǎo)致極區(qū)暖空氣質(zhì)量的持續(xù)減少，極渦逐漸恢復(fù)。 因此，持續(xù)偏強(qiáng)的平流層暖支是SSW事件爆發(fā)的重要?jiǎng)恿υ颉?/p>

圖5 （a）冬季（12～2月）氣候平均各緯度圈積分的經(jīng)向大氣質(zhì)量通量（MF，單位: 109 kg s?1）以及2020/2021年冬季大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的（b）平流層向極地暖支（WB_ST，400 K以上）、（c）對(duì)流層向極地暖支（WB_TR，280～315 K）、（d）對(duì)流層向赤道冷支（CB，280 K以下） 內(nèi)的60°N MF距平（柱狀，單位：109 kg s?1）和中緯度、高緯度地區(qū)等熵大氣質(zhì)量距平（MM和HM，曲線，單位：1015 kg）時(shí)間序列。圖（b）–（d）中的黑色豎虛線同圖2c，紫色陰影同圖1a，指數(shù)均做了5天滑動(dòng)平均處理，圖 (b)/(d) 中的紅/藍(lán)色“+”表示W(wǎng)B_ST/CB異常偏強(qiáng)，“–”表示W(wǎng)B_ST/CB異常偏弱Fig. 5 (a) The winter (December–February) climatological mean zonally integrated meridional mass flux (MF, units: 109 kg s?1) at each latitude and isentrope; the time series of the 5-day running mean 60°N MF anomaly (bars, units: 109 kg s?1) and the isentropic mass anomaly (MM and HM, curves,units: 1015 kg) within (b) the stratospheric poleward warm air branch (WB_ST, above 400 K) and (c) the tropospheric poleward warm air branch(WB_TR, 280～315 K), (d) the tropospheric equatorward cold air branch (CB, below 280 K) of the isentropic meridional mass circulation in 2020/2021 winter. The purple box in panels (b)–(d) represents the easterly period with SSW, and the 5-day running mean has been applied to all indices. In panels (b) and (d), red/blue “+” indicates that WB_ST/ CB is anomalously strong, while “?” indicates that the WB_ST/CB is anomalously weak

對(duì)流層中高層的向極暖支與對(duì)流層低層的向赤道冷支基本同步變化，呈現(xiàn)三個(gè)階段的特征，略微超前但分別對(duì)應(yīng)于地面溫度距平的三個(gè)階段，這說(shuō)明等熵大氣質(zhì)量環(huán)流向赤道冷支加強(qiáng)/減弱是暖極地—冷中緯/冷極地—暖中緯地面溫度異常分布型的本 質(zhì)原因（Yu et al., 2015a, 2015b）。具體地，12月下旬至1月13日，亦即SSW事件前期和爆發(fā)后10天內(nèi)，對(duì)流層向極地暖支和向赤道冷支持續(xù)偏強(qiáng)，與平流層向極地暖支同位相耦合（此處的“耦合”表示質(zhì)量環(huán)流各支強(qiáng)度異常的同期配置）。對(duì)流層冷暖支極值出現(xiàn)在12月28日、12月31日，另一個(gè)極值出現(xiàn)在12月中旬，使得中緯度地區(qū)冷空氣質(zhì)量正距平逐步上升，地面溫度降低，對(duì)應(yīng)于發(fā)生在東亞的1次寒潮和2次極端低溫事件。此后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)流層冷暖支與平流層向極地暖支呈反位相變化關(guān)系：1月14～23日，平流層向極地暖支依然偏強(qiáng)，但對(duì)流層冷暖支異常偏弱；2月1～26日，亦即SSW事件爆發(fā)1～2個(gè)月，此時(shí)平流層向極地暖支已異常偏弱，但對(duì)流層冷暖支再次偏強(qiáng)，導(dǎo)致中緯度冷空氣質(zhì)量增多，對(duì)應(yīng)于在極渦恢復(fù)期爆發(fā)的北美寒潮低溫事件。由于大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流異常引起的是大氣質(zhì)量和溫度的日傾向變化，是溫度的超前指示因子。因此，基于大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的平流層—對(duì)流層支耦合/非耦合配置而劃分的三個(gè)特征階段，在時(shí)間上要略超前于基于冷暖空氣質(zhì)量和溫度距平劃分的三個(gè)階段，分別為前期（12月21日至1月13日）、中期（1月14～23日）、后期（2月1～26日）。

以上分析表明，此次SSW事件前后，大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層向極地暖支、對(duì)流層向極地暖支和向赤道冷支的異常變化可通過(guò)調(diào)控冷暖空氣質(zhì)量異常變化，從而成為搭建平流層極渦強(qiáng)度—中緯度寒潮低溫有機(jī)連接的重要途徑。

雖然本節(jié)尚未探討大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流三支出現(xiàn)不同耦合配置的動(dòng)力原因以及平流層在其中所起的作用，但可以看出平流層向極地暖支對(duì)北極濤動(dòng)具有重要的調(diào)控作用。由圖6可知，平流層向極地暖支主導(dǎo)的平流層極區(qū)大氣質(zhì)量異常，與整層氣柱大氣質(zhì)量異常變化基本同位相；而對(duì)流層暖支和冷支帶來(lái)的質(zhì)量異常變化雖然量級(jí)大，但反號(hào)抵消。因此，持續(xù)偏強(qiáng)的平流層暖支通過(guò)增加平流層大氣質(zhì)量對(duì)1～2月北極濤動(dòng)負(fù)位相的維持和加強(qiáng)起著重要貢獻(xiàn)，為大陸尺度寒潮爆發(fā)提供了有利的背景環(huán)流條件。

圖6 2020/2021年冬季（a）高緯度、（b）中緯度地區(qū)各層質(zhì)量距平（單位：1016 kg）以及（c，d）整層氣柱內(nèi)的總質(zhì)量距平（曲線，單位：1015 kg）和北極濤動(dòng)（AO）指數(shù)（柱狀）的5天滑動(dòng)平均時(shí)間序列。對(duì)流層冷支內(nèi)的質(zhì)量距平往往與對(duì)流層暖支內(nèi)的質(zhì)量距平變化相反，故繪制的是反號(hào)后的量值Fig. 6 The time series of the 5-day running mean mass anomaly in (a) high latitudes, (b) midlatitudes, integrated within three branches of atmospheric meridional mass circulation (units: 1016 kg), and the total column mass anomaly in (c) high latitudes and (d) midlatitudes (curve, units: 1015 kg) in 2020/2021 winter. The Arctic Oscillation index is overlaid in panels (c)–(d). The mass anomaly in tropospheric CB is often opposite to that in WB_TR;hence, the sign of the former has been reversed

5 SSW爆發(fā)前后的行星波活動(dòng)異常及其與等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流異常的關(guān)系

本節(jié)將進(jìn)一步探究為何本次強(qiáng)SSW事件中，等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的三支會(huì)呈現(xiàn)如上所述的耦合演變模態(tài)。根據(jù)大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流理論（Johnson, 1989），中緯度地區(qū)斜壓不穩(wěn)定的羅斯貝波活動(dòng)是熱帶外經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流形成和維持的主要原因。如圖7所示，斜壓不穩(wěn)定波動(dòng)往往伴隨溫度場(chǎng)落后于高度場(chǎng)的溫壓配置（圖7a）。在高度槽的后部，溫度槽（冷）使等熵面上凸，更多/少空氣質(zhì)量位于低/高層；而在高度槽的前部，溫度脊（暖）使得等熵面下凹，使更多/少的空氣質(zhì)量位于高/低層。在高層，槽前南風(fēng)引起的向極質(zhì)量輸送大于槽后北風(fēng)引起的向赤道質(zhì)量輸送，從而形成凈的向極地質(zhì)量輸送（向極地暖支）；而在低層，槽前南風(fēng)向極地的質(zhì)量輸送則小于槽后北風(fēng)引起的向赤道質(zhì)量輸送，從而形成凈的向赤道質(zhì)量輸送（向赤道冷支）。因此，某等熵面上的波動(dòng)振幅越大、西傾越明顯，該等熵面以上的層次將有更多的向極地輸送的大氣質(zhì)量，同時(shí)該等熵面以下將有更多的向赤道輸送的大氣質(zhì)量。以下將考查本次SSW事件前后平流層與對(duì)流層波動(dòng)振幅和西傾角的異常變化，探究其對(duì)等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流三支耦合變化的作用，從而理解SSW事件與寒潮低溫的內(nèi)在聯(lián)系。

圖7 斜壓不穩(wěn)定波動(dòng)對(duì)應(yīng)的位勢(shì)高度、位勢(shì)溫度以及經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)及其引起大氣經(jīng)向質(zhì)量輸送機(jī)制。此處為由低層等熵面θe、中層等熵面θm以及高層等熵面θu組成的兩層模型。其中（a）為經(jīng)度－緯度剖面，(b) 為與其對(duì)應(yīng)的經(jīng)度－垂直剖面，經(jīng)向準(zhǔn)地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg符號(hào)在圖中標(biāo)出，斜直虛線分隔槽與脊Fig. 7 Schematic diagram of the geopotential height, potential temperature, and meridional wind field corresponding to the baroclinically amplifying waves, driving an isentropic meridional mass transport. This is a two-layer model composed of low-, mid-, and high-level isentropic surfaces. Panel (a)shows the longitude–latitude cross-section, and (b) shows the corresponding longitude–vertical cross section. The quasi–geostrophic meridional wind is marked, and the oblique straight dotted line separates the trough and the ridge

60°N波動(dòng)振幅的時(shí)間演變（圖8b，d）顯示，波動(dòng)振幅距平的變化尺度相對(duì)較慢，與大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層暖支變化基本一致，但與對(duì)流層冷暖支的變化并不十分一致（圖5b–d）。在50 hPa以上，波動(dòng)振幅在強(qiáng)SSW事件發(fā)生前偏大，在其發(fā)生后偏小，從1月初開(kāi)始也展現(xiàn)出逐漸向下傳播的特征，但傳到對(duì)流層頂附近（150～200 hPa）時(shí)傳播停止。對(duì)流層內(nèi)，12月下旬到1月上旬，對(duì)流層中低層有波動(dòng)振幅正距平，有利于向赤道冷支的加強(qiáng)。但1月8日之后，波動(dòng)振幅持續(xù)偏小，說(shuō)明波動(dòng)振幅在2月份向赤道冷支的加強(qiáng)變化中并不起主導(dǎo)作用。

反映波動(dòng)斜壓性的60°N波動(dòng)西傾角距平（圖8a，c）則呈現(xiàn)出清晰的三階段特征，其三個(gè)階段的時(shí)間與基于等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層—對(duì)流層支異常變化劃分的三個(gè)特征階段基本一致，略微超前幾天。結(jié)果表明，波動(dòng)西傾角距平是上述等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流在本次SSW事件前后三種耦合模態(tài)的主要驅(qū)動(dòng)因子。以下將結(jié)合表征波動(dòng)上傳環(huán)流條件的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)緯向平均位渦梯度（圖9），具體考查每個(gè)階段關(guān)鍵層上表征波動(dòng)斜壓性的波動(dòng)西傾角距平與等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流三支耦合演變模態(tài)的聯(lián)系：

12月24日至1月9日期間，對(duì)流層頂（150 hPa附近）和對(duì)流層中低層（700 hPa附近）均被波動(dòng)西傾角的正距平所占據(jù)，對(duì)流層低層西傾角峰值在12月下旬，略微超前于對(duì)流層頂峰值出現(xiàn)的時(shí)間（1月5～6日），說(shuō)明波動(dòng)斜壓性首先在對(duì)流層低層發(fā)展，由于當(dāng)時(shí)有利的波動(dòng)上傳條件即從對(duì)流層到平流層基本一致的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)緯向平均位渦梯度正距平（圖9），波動(dòng)斜壓性也逐漸在平流層低層發(fā)展（圖8a，c）。此種西傾角異常配置對(duì)大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流三支的影響如圖10a所示。在對(duì)流層頂附近的波動(dòng)異常西傾可以加強(qiáng)其上層次（即平流層）內(nèi)向極地的暖空氣輸送，從而加強(qiáng)平流層向極暖支；同時(shí)可以加強(qiáng)其下層次（即對(duì)流層高層）內(nèi)向赤道的空氣輸送，從而對(duì)對(duì)流層向極暖支具有一定的減弱作用。而對(duì)流層中低層波動(dòng)的異常西傾，則有利于加強(qiáng)其上層次（即對(duì)流層中高層）內(nèi)向極地的暖空氣輸送以及其下層次 (即對(duì)流層低層) 內(nèi)向赤道的冷空氣輸送，對(duì)對(duì)流層暖支和冷支具有加強(qiáng)作用。值得注意的是，雖然對(duì)流層頂和對(duì)流層中低層的波動(dòng)西傾正異常對(duì)對(duì)流層向極暖支的作用是相反的，但因?yàn)榭諝赓|(zhì)量集中在低層，所以對(duì)流層中低層波動(dòng)西傾角的加強(qiáng)作用占主導(dǎo)。綜上，在這一階段，對(duì)流層頂和對(duì)流層中低層一致的西傾角正距平本質(zhì)上是對(duì)流層斜壓波的發(fā)展和上傳，驅(qū)動(dòng)了平流層暖支和對(duì)流層冷暖支的同位相加強(qiáng)（圖9b），進(jìn)而使得低層寒潮頻發(fā)的同時(shí)平流層極渦持續(xù)削弱。

圖8 （a）60°N波動(dòng)西傾角距平 [等值線，單位：(°)] 和（b）波動(dòng)振幅距平（等值線，單位：km）的氣壓—時(shí)間剖面及其（c，d）關(guān)鍵層的時(shí)間序列。圖（a，b）中等值線為5天滑動(dòng)平均場(chǎng)，填色為31天滑動(dòng)平均；圖（c）中紅色/藍(lán)色“+”表示與平流層暖支/對(duì)流層冷支相關(guān)的150 hPa/700 hPa波動(dòng)西傾角異常偏大，“?”表示波動(dòng)西傾角異常偏小Fig. 8 The pressure–time diagram of the 5-day running mean of (a) 60°N wave westward tilt angle anomaly [contours, units: (°)], (b) wave amplitude anomaly (contours, units: km), and their 31-day running means (shadings), and (c, d) the time series of their daily values at key isobaric levels.Red/blue “+” in panel (c) indicates that the wave westward tilt at 150/700 hPa related to WB_ST/CB is anomalously large, while “?” indicates that the westward tilt is anomalously small

1月10～22日期間，對(duì)流層中低層（700 hPa附近）的西傾角距平轉(zhuǎn)為負(fù)值（圖8a，c），說(shuō)明此時(shí)對(duì)流層中低層的波動(dòng)斜壓性已偏弱，不利于對(duì)流層冷、暖支的加強(qiáng)，而同期對(duì)流層頂附近仍被上傳的斜壓發(fā)展波動(dòng)（西傾角正距平）所占據(jù)，加強(qiáng)平流層暖支的同時(shí)減弱對(duì)流層暖支。該階段的西傾角配置（圖9f）較好解釋了平流層暖支偏強(qiáng)和對(duì)流層冷、暖支偏弱的反位相變化（圖9g）。

在SSW后期（2月），對(duì)流層中低層又有波動(dòng)西傾角正距平出現(xiàn)，量值與前期相當(dāng)，但此時(shí)受平流層極渦影響的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)緯向平均位渦梯度在平流層呈負(fù)距平（圖9），說(shuō)明在平流層極渦逐漸恢復(fù)過(guò)程中波動(dòng)較難上傳，因而對(duì)流層頂以波動(dòng)西傾角負(fù)距平為主（圖8a，c），即為圖10k的西傾角配置。此時(shí)對(duì)流層頂?shù)牟▌?dòng)西傾角負(fù)距平，可以使得其上層次（即平流層）內(nèi)向極地的暖空氣輸送和其下層次（即對(duì)流層高層）內(nèi)向赤道的空氣輸送均減弱，從而在減弱平流層暖支的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)流層暖支。對(duì)流層暖支的加強(qiáng)，可引起更多暖空氣在極區(qū)堆積，由于質(zhì)量連續(xù)性，即刻加強(qiáng)低層向赤道冷支。此時(shí)若配合取決于對(duì)流層自身變率的對(duì)流層中低層西傾角正距平，則會(huì)出現(xiàn)平流層暖支偏弱、對(duì)流層冷支和暖支顯著偏強(qiáng)的平—對(duì)流層反相耦合模態(tài)（圖10l）。雖然另一個(gè)影響大氣質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)度的波動(dòng)振幅在該階段的對(duì)流層內(nèi)異常偏小（圖8b，d），但對(duì)流層冷支強(qiáng)度卻與12月底至1月初相當(dāng)（圖5d）。這說(shuō)明了伴隨平流層極渦恢復(fù)，對(duì)流層頂波動(dòng)西傾角負(fù)距平或偏弱斜壓性對(duì)對(duì)流層冷暖支的加強(qiáng)起了不可忽視的正貢獻(xiàn)，有利于寒潮低溫事件在此階段的發(fā)生。這也解釋了極端低溫為何容易出現(xiàn)在SSW爆 發(fā) 后 的1～2個(gè) 月 內(nèi)（Thompson and Wallace,1998, 2001）。

圖9 60°N準(zhǔn)地轉(zhuǎn)緯向平均位渦（PV）梯度距平(等值線，單位: 103 s-1）的氣壓—時(shí)間剖面。等值線為5天滑動(dòng)平均場(chǎng)，填色為31天滑動(dòng)平均場(chǎng)；正值/負(fù)值表示該層環(huán)流條件有/不利于波動(dòng)的上傳Fig. 9 Pressure–time cross section of the 5-day running mean fields of 60°N quasi–geostrophic zonal mean potential vorticity (PV) gradient anomaly(contours, units: 103 s?1) and its 31-day running means (shadings). The positive values correspond to the circulation condition, making it easier for the waves to propagate upward, while the negative values tend to be favorable to the wave reflection and/or absorption

圖10 2020/2021年冬季SSW事件前后三個(gè)階段內(nèi)波動(dòng)西傾角以及大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流三支強(qiáng)度異常、極區(qū)等熵大氣質(zhì)量與溫度異常垂直結(jié)構(gòu)的概念圖。[WT、MF'、(dM/dt)'、M'、T'分別表示60°N波動(dòng)西傾角、60°N經(jīng)向質(zhì)量通量距平、極區(qū)等熵質(zhì)量距平的日傾向變化、極區(qū)等熵質(zhì)量距平、極區(qū)溫度距平；第一列組圖中實(shí)線表示本次事件時(shí)段西傾角度，虛線表示冬季氣候態(tài)西傾角，“?” /“⊙”符號(hào)表示西傾角驅(qū)動(dòng)的向極地/赤道質(zhì)量輸送距平; 第二列組圖中向右箭頭表示異常向極地質(zhì)量輸送，向左箭頭表示異常向赤道質(zhì)量輸送; 第三至五列組圖中“+”/“–”表示正/負(fù)距平；針對(duì)極區(qū)等熵質(zhì)量與溫度的三個(gè)階段（右側(cè)）相比于針對(duì)60°N大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流與波動(dòng)特征的三個(gè)階段（左側(cè)）存在一定的滯后，這是因?yàn)榇髿饨?jīng)向質(zhì)量環(huán)流異常即刻引起的是質(zhì)量與溫度的日傾向變化，超前于質(zhì)量與溫度本身]Fig. 10 The conceptual diagram of the variations in the westward tilt angle of waves, the anomalies of the intensity of the three branches of atmospheric meridional mass circulation, and the vertical structure of polar isentropic atmospheric mass and temperature anomalies at three stages around the SSW event in 2020/2021 winter [WT, MF', (DM/DT)', M', and T' respectively represent the wave westward tilt angle at 60°N, the meridional mass flux anomaly at 60°N, a daily tendency of polar isentropic mass anomaly, polar isentropic mass anomaly and polar temperature anomaly; in the first columns, the solid line represents the westward tilt angle during each period, while the dotted line represents the climatological winter mean westward tilt angle, and symbol “?” /“⊙” indicates the poleward/equatorward mass transport anomaly driven by the anomalous westward tilt angle; the right/left arrow in the second column indicates a stronger poleward/equatorward mass transport; “+”/“?” in the third–fifth columns indicates the positive/negative anomaly values; notably, the timing of the three stages (right side) of the isentropic mass and the temperature anomalies in the polar region remain behind that of the three stages (left side) of the meridional mass circulation and the wave properties at 60°N because the anomalous meridional mass circulation immediately generates the daily tendency of mass and temperature anomalies, ahead of the individual mass and temperature anomalies]

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

本文從有機(jī)連接平流層和對(duì)流層、定量解釋冷空氣和暖空氣變化的等熵大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流角度，采用1979～2021年ERA5再分析數(shù)據(jù)集，對(duì)2020/2021年冬季“偏心型”強(qiáng)SSW事件前后中高緯度地區(qū)地面溫度異常（尤其是中緯度大范圍異常低溫）演變特征進(jìn)行了分析，同時(shí)深入探究了平流層—對(duì)流層耦合動(dòng)力過(guò)程在其中的作用，尤其是平流層極渦的向下影響。主要結(jié)論如下：

（1） 寒潮低溫事件以“冷中緯—暖極地”的近地溫度異常分布型為主要特征。此次強(qiáng)SSW事件前后，連續(xù)、多次出現(xiàn)大陸尺度寒潮低溫事件：12月下旬至1月初亞洲出現(xiàn)2次寒潮低溫事件；2月份北美出現(xiàn)1次寒潮低溫事件。其中，亞洲寒潮低溫事件出現(xiàn)在繞極緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)為東風(fēng)前2周內(nèi)；北美寒潮低溫事件則出現(xiàn)在繞極緯向風(fēng)恢復(fù)成西風(fēng)后2～3周。

（2） 平流層極區(qū)溫度異常以及對(duì)流層中緯度近地溫度異常，主要?dú)w因于60°N附近大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流異常帶來(lái)的經(jīng)向冷暖空氣質(zhì)量異常交換。在平流層，當(dāng)大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層向極地暖支異常偏強(qiáng)時(shí)，向極地平流層持續(xù)輸送暖空氣增多，使得平流層極區(qū)暖空氣累積、溫度升高；在對(duì)流層，當(dāng)大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流對(duì)流層向極地暖支和向赤道冷支同時(shí)偏強(qiáng)時(shí)，極地冷空氣向南輸送和中緯度暖空氣向極地輸送均加強(qiáng)，導(dǎo)致以 “冷中緯-暖極地”近地溫度異常分布為主要特征的寒潮低溫事件發(fā)生。

（3） 60°N大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層向極地暖支與對(duì)流層冷、暖支的耦合演變模態(tài)是理解伴隨SSW事件的地面溫度異常變化的關(guān)鍵。伴隨SSW事件前后的平流層極渦異常演變，大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流三支呈現(xiàn)出“三階段”的耦合演變特征，這與波動(dòng)在對(duì)流層頂以及對(duì)流層中低層的西傾角或斜壓性密切相關(guān)。SSW事件前期，對(duì)流層中低層斜壓波的發(fā)展及其上傳，使得質(zhì)量環(huán)流三支均加強(qiáng)，使得對(duì)流層向赤道冷支異常偏強(qiáng)，亞洲寒潮低溫爆發(fā)；同時(shí)平流層向極暖支異常持續(xù)偏強(qiáng)，極渦快速減弱。SSW事件中期，平流層分支仍偏強(qiáng)，但對(duì)流層暖支和冷支轉(zhuǎn)為偏弱。SSW事件后期，對(duì)流層斜壓波無(wú)法上傳，平流層暖支異常偏弱，極渦逐漸恢復(fù)，但對(duì)流層冷、暖支此時(shí)異常偏強(qiáng)，使得北美地區(qū)發(fā)生寒潮低溫。

需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然對(duì)流層本身的波動(dòng)斜壓性在SSW事件期間是對(duì)流層質(zhì)量環(huán)流冷、暖支的重要驅(qū)動(dòng)因子，但不可否認(rèn)平流層環(huán)流異常對(duì)對(duì)流層的重要作用。首先，由大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層暖支強(qiáng)度主導(dǎo)的平流層質(zhì)量異常，可以決定地面北極濤動(dòng)的位相，從而調(diào)控環(huán)流的經(jīng)向性和大尺度極區(qū)冷空氣的向南爆發(fā)。其次，當(dāng)SSW后期有對(duì)流層斜壓波發(fā)展時(shí)，極渦恢復(fù)階段的平流層基流不利于波動(dòng)上傳，對(duì)流層頂和平流層低層的波動(dòng)西傾角異常偏小，使得其下方（對(duì)流層高層）向赤道質(zhì)量輸送比SSW發(fā)生前期弱得多，從而為對(duì)流層暖支的增強(qiáng)提供有利條件，而質(zhì)量連續(xù)性又進(jìn)一步導(dǎo)致對(duì)流層冷支同時(shí)加強(qiáng)，有利于極地冷空氣的向南爆發(fā)（Yu et al., 2015a, 2015b, 2015c）。因此，本文從大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流角度揭示了平流層SSW事件或NAM負(fù)事件后1～2個(gè)月內(nèi)容易發(fā)生大范圍低溫事件的可能原因，即平流層的向下影響。

6.2 討論

本文所提出的2020/2021年冬季大范圍低溫寒潮過(guò)程中的平流層—對(duì)流層耦合演變模態(tài)是否具有典型性，其對(duì)寒潮事件預(yù)報(bào)有沒(méi)有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值，值得深入探討。Yu and Ren（2019）統(tǒng)計(jì)歸納了北半球平流層環(huán)狀模（NAM）正負(fù)事件中最為常見(jiàn)的大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層—對(duì)流層分支耦合演變型。經(jīng)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，本次SSW事件過(guò)程前后，中高緯度地區(qū)的溫度異常、大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流三支耦合演變特征及其主要驅(qū)動(dòng)因子——波動(dòng)西傾角上下配置，與Yu and Ren（2019）提出的NAM負(fù)位相事件中極區(qū)平流層溫度下傳滯后的平流層—對(duì)流層耦合類(lèi)型（即ST_EOF1+＆WBCB_EOFn–,n=1～4）十分相似，此類(lèi)事件信息如表1所示。這些以極區(qū)平流層溫度下傳滯后為主要特征的弱極渦事件具有重要的預(yù)報(bào)意義，因?yàn)槠搅鲗淤|(zhì)量環(huán)流信號(hào)往往可以超前于極區(qū)的異常增暖和寒潮低溫事件。

表1 極區(qū)平流層溫度下傳滯后的平流層—對(duì)流層耦合類(lèi)型（ST_EOF1+＆WBCB_EOFn– , n=1～4）的北半球環(huán)狀模（NAM）負(fù)位相事件Table 1 Information of negative Northern Annular Mode(NAM) events belonging to the stratosphere–troposphere coupling type characterized by a downward propagation of polar temperature anomalies from the stratospheric levels(ST_EOF1+＆WBCB_EOFn– , n=1–4)

那么，此類(lèi)弱極渦事件有無(wú)顯著的前兆信號(hào)（如: 阻塞高壓、波動(dòng)來(lái)源和波動(dòng)尺度）？這是需要進(jìn)一步探究的重要工作。本文針對(duì)波動(dòng)尺度，做了初步研究。從本次SSW事件前后一波和二波波動(dòng)驅(qū)動(dòng)的大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流分量的演變特征（圖10a，b）來(lái)看，在SSW前期和中期平流層向極地暖支偏強(qiáng)主要由一波分量貢獻(xiàn)。一波上傳引起大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流平流層暖支、對(duì)流層冷暖支共同加強(qiáng)的主導(dǎo)尺度波動(dòng)。一波的加強(qiáng)往往伴隨向極暖空氣從東亞進(jìn)入極區(qū)平流層、冷空氣從極地向東亞爆發(fā)（Liberato et al., 2007; Martius et al., 2009; Castanheira and Barriopedro, 2010; Kuttippurath and Nikulin, 2012;Yu et al., 2022），有利于偏心型 SSW事件和東亞寒潮低溫的爆發(fā)。這種經(jīng)向質(zhì)量通量一波分量的加強(qiáng)與秋季海冰的異常偏少以及中緯度東北太平洋的異常偏暖緊密相關(guān)（Zhang et al., 2021; Yu et al.,2022）。后期，對(duì)流層向赤道冷支的加強(qiáng)則主要由二波分量貢獻(xiàn)（圖10b）。但與此同時(shí)，平流層暖支的二波分量偏弱，表明尺度稍小的對(duì)流層二波此時(shí)似乎無(wú)法上傳，無(wú)法同時(shí)起到加強(qiáng)平流層暖支、減弱對(duì)流層暖支的作用。也就是說(shuō)，平流層作用類(lèi)似于一個(gè)蓋子，將二波波動(dòng)限制在對(duì)流層，使其波動(dòng)能量集中用于驅(qū)動(dòng)對(duì)流層低層的冷暖空氣交換和寒潮爆發(fā)。進(jìn)一步考查以極區(qū)平流層溫度下傳滯后為主要特征的NAM負(fù)事件超前滯后合成分析結(jié)果可知，這類(lèi)NAM負(fù)事件在主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流變化的波動(dòng)尺度方面與本次SSW事件具有一定的共性（圖11a，b vs. 圖11c，d)。將弱極渦峰值日（圖11c，d中的0天）和本次SSW事件東風(fēng)峰值日2021年1月15日對(duì)齊比較可知，在弱極渦峰值日之前，均有一波分量的異常偏強(qiáng)，二波分量有階段性偏強(qiáng)，但其驅(qū)動(dòng)的平流層暖支和冷支內(nèi)的質(zhì)量通量二波分量遠(yuǎn)小于一波分量；在弱極渦峰值日后15～30天，對(duì)流層二波波動(dòng)加強(qiáng)且不能上傳到平流層，使得冷支內(nèi)的質(zhì)量通量二波分量主導(dǎo)冷支的加強(qiáng)。綜上，前期一波加強(qiáng)、后期二波加強(qiáng)的弱極渦事件，往往更易出現(xiàn)如本次SSW事件前后的寒潮低溫特征。其它前兆信號(hào)將在未來(lái)工作中做針對(duì)性研究。

圖11 2020/2021年冬季（a）平流層向極地暖支、（b）對(duì)流層向赤道冷支內(nèi)60°N的經(jīng)向質(zhì)量通量距平（柱狀）及其1波分量（實(shí)線）、2波分量（虛線）的時(shí)間序列（單位：109 kg s-1）。（c）–（d）同（a）–（b），但為1979–2011年冬季極區(qū)平流層溫度下傳滯后的平流層—對(duì)流層耦合類(lèi)型的NAM負(fù)位相個(gè)例峰值超前/滯后合成。距平均做了5天滑動(dòng)平均處理Fig. 11 The time series of the 5-day running mean 60°N MF anomalies (bars, units: 109 kg s-1) and their wavenumber-1 (solid line) and wavenumber-2 (dashed line) components within (a) WB_ST and (b) CB in 2020/2021 winter. Panels (c)–(d) are the same as (a)–(b) but reflect the lead/lag composite mean MF anomaly from 40 days before to 40 days after the peak dates of the negative Northern Annular Mode events of the stratosphere–troposphere coupling type with a clear lag in the downward propagation of the polar stratospheric temperature anomaly to the lower troposphere in the 1979–2011 winters