美国大陆寒潮爆发与平流层变化的关联机制及冬季极端天气预测新视角

本推荐聚焦全球变暖下北美极端寒冷事件频发的未解之谜。研究人员通过整合平流层多层级数据，首次揭示两种关键SPV（Stratospheric Polar Vortex）变化模式：P2（上层涡旋西移）驱动西北部US寒潮，P3（上层涡旋减弱东移）触发中部-东部US极端冰雪，证实波反射（wave reflection）机制的核心作用。该研究突破性地将雪灾纳入评估（rAWSSI指数），并关联ENSO（El Ni?o–Southern Oscillation）相位转变，为亚季节天气预报和气候变化适应提供科学支撑。

　　

在全球变暖背景下，北半球冬季气温普遍上升，但美国大陆（CONUS）的极端寒冷事件却持续频发——如2021年得州寒潮引发能源危机，凸显科学界对深层机制的认知空白。传统理论强调平流层突然增温（SSWs）的作用，但近年事件如2013/2014年寒潮与之无关，暗示其他平流层过程的影响。更棘手的是，这些寒潮的地理分布和强度变化莫测，西北部（NWUS）与中部-东部（CEUS）的冷异常模式差异缺乏系统解释，且雪灾预测能力不足，制约应急响应。为破解这一难题，研究人员利用再分析数据和统计方法，首次从平流层多层级耦合视角展开研究，成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，填补了寒潮动力机制的关键缺口。

为厘清平流层变化与CONUS寒潮的关联，研究采用MERRA-2再分析数据集（1980-2021年1-2月），覆盖10 hPa和100 hPa等关键层级。核心技术包括：1) K-means聚类分析，整合上下平流层高度异常，识别北极帽（60°-90°N）的SPV变化模式；2) 开发再分析累积冬季严重指数（rAWSSI），量化区域低温、降雪和积雪的综合影响，应用于NWUS和CEUS；3) 热通量（V′T′）和波活动通量（WAF）计算，结合简单反射指数，验证波反射机制；4) 遥相关指数（如ONI、QBO、PDO、AO）统计关联，支撑气候尺度分析。所有数据经纬度加权和主成分降维处理，统计显著性通过自助法（bootstrapping）检验。

Identification of stratospheric variations

通过10 hPa和100 hPa位势高度异常的联合聚类，研究人员识别出5种SPV变化模式（P1-P5）。P1为强耦合极地涡旋，P4/P5对应典型SSWs事件（如涡旋分裂），而P2和P3均为拉伸涡旋但结构迥异：P2上层涡旋西移至加拿大西部，下层涡旋槽区覆盖北美；P3上层涡旋减弱并东移至北大西洋，下层涡旋伴随阿拉斯加脊发展。P3模式与早先研究的反射事件高度重叠（>70%），P2则多发生于反射前兆期。这一分层方法首次揭示平流层非均一性对表面天气的差异化驱动。

Stratospheric variations and CONUS severe winter weather

基于rAWSSI指数，P2和P3模式显著推升CONUS冬季极端风险。P2事件中，NWUS的降雪指数（如积雪深度）达峰值（P<0.05），低温集中于中北部；P3事件则主导CEUS的极