近日，5123导航杨小怡教授团队以“Impacts of Sudden Stratospheric Warming on Extreme Cold Events in Early 2021: An Ensemble-Based Sensitivity Analysis”为题在Geophysical Research Letters期刊上发表最新研究成果，阐明了平流层爆发性增暖过程中极涡形态转变对2021年1–2月北半球极寒天气的影响，并进一步指出平流层极涡变化特征对次季节尺度寒潮预报的重要意义。
研究背景
平流层爆发性增暖（Sudden Stratospheric Warming, SSW）是指冬季极区平流层内温度突然升高并伴随极涡减弱的异常事件。平流层异常信号的下传往往会导致对流层内北极涛动负相位的响应，从而引发中高纬地区地面温度异常；SSW也因此成为冷空气爆发的重要前兆信号。尽管前人从统计合成的角度针对不同类型SSW对地面气候的影响进行了归纳，SSW事件在具体寒潮过程中的作用仍亟待探究。
2021年年初接连发生在北半球的极端寒潮，给欧亚大陆和北美地区带来了严重的社会经济影响，也是全球变暖背景下北半球冬季气候愈发不稳定的又一力证。那么，在此期间的寒潮过程与平流层极涡的异常有何关联呢？
研究成果
本研究基于季节-次季节尺度集合预报与敏感性分析，揭示了SSW对2021年1–2月发生在西伯利亚地区、加拿大西部和美国中部三次主要寒潮过程（图1a–c）的影响。分析表明，平流层极涡在减弱期间，首先偏移向欧亚大陆一侧，随后回撤至极区并向北美大陆一侧分裂，经历了显著的形态转变过程（图1d）。
图1 2021年1–2月三次寒潮过程与平流层极涡的演变。(a)–(c)：三次寒潮期间地面气温异常（填色；单位：K）和海平面气压异常的平均值（实线为正异常，虚线为负异常；间隔：10 hPa），绿色框表示寒潮发生区域；（d）日平均50-hPa位势高度演变（填色；单位：100位势米），黑色实线表示19,800位势米等值线
集合敏感性分析结果表明，相较于第三次寒潮过程，前两次寒潮过程与平流层极涡的早期（提前1-2周左右）变化特征关联更为密切（图2）。平流层极涡在1月上旬愈发延展、且在西伯利亚地区有明显的位势增强，这将有助于约2周后位于西伯利亚的第一次寒潮爆发。随着极涡形态的演变，发生在加拿大西部的第二次寒潮，则与极涡从偏移转向分裂过程中向极区的回撤有关。研究进一步定量诊断了平流层前期预报的关键区域，该区域内位势的预报误差与引发寒潮的对流层天气尺度环流预报技巧呈现显著相关。上述研究结果首次明确了SSW事件中平流层极涡“偏移–分裂”的形态转变对极寒天气发展的具体影响，定量揭示了准确预报平流层极涡演变特征对次季节尺度寒潮预测的改善作用。
集合敏感性分析结果表明，相较于第三次寒潮过程，前两次寒潮过程与平流层极涡的早期（提前1-2周左右）变化特征关联更为密切（图2）。平流层极涡在1月上旬愈发延展、且在西伯利亚地区有明显的位势增强，这将有助于约2周后位于西伯利亚的第一次寒潮爆发。随着极涡形态的演变，发生在加拿大西部的第二次寒潮，则与极涡从偏移转向分裂过程中向极区的回撤有关。研究进一步定量诊断了平流层前期预报的关键区域，该区域内位势的预报误差与引发寒潮的对流层天气尺度环流预报技巧呈现显著相关。上述研究结果首次明确了SSW事件中平流层极涡“偏移–分裂”的形态转变对极寒天气发展的具体影响，定量揭示了准确预报平流层极涡演变特征对次季节尺度寒潮预测的改善作用。
图2 基于集合预报的寒潮强度与平流层极涡的相关性分布。（a）第一次寒潮过程（C1）区域平均地面气温与50-hPa位势高度的相关系数分布（填色）；黑色实线为集合平均的50-hPa位势高度，表征极涡位置；蓝色实线为集合敏感性分析得到的高相关区域。（b）与（a）相似但为第二次寒潮过程（C2）相关结果。
研究团队
本文通讯作者为5123导航杨小怡教授，第一作者为MEL杰出博士后张慕容，合作者还包括厦门市海峡气象开放重点实验室副研究员黄亦鹏。该研究受国家重点研发计划项目（2019YFA0606702）、国家自然科学基金项目（42176222, 41905049）、中国博士后科学基金（2021M7027）以及MEL杰出博士后基金项目资助。
论文来源：
Zhang, M., Yang, X.-Y.*, & Huang, Y. (2022). Impacts of sudden stratospheric warming on extreme cold events in early 2021: An ensemble-based sensitivity analysis. Geophysical Research Letters, 49, e2021GL096840.
论文链接：
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021GL096840
供稿：杨小怡教授团队
