2024年南极平流层增温期间行星波对臭氧异常的强迫作用

《Remote Sensing》：Planetary Wave Forcing of Ozone Anomalies During 2024 Antarctic Stratospheric Warming

　　

平流层突发增温（Sudden Stratospheric Warmings，SSW）是极地平流层罕见且剧烈的动力极端事件，在南极地区的记录远少于北极。2024年7–8月，南极发生了一对连续仲冬SSW事件，其特征是极地涡旋严重变形和平流层温度急剧上升。本研究利用MERRA-2/ERA5再分析资料和MSR-2总臭氧柱数据，诊断了行星波1（wave 1）和行星波2（wave 2）的行星波强迫及其相关的臭氧变化。异常增强的南半球对流层行星波向上传播驱动了2024年SSW事件。行星波1触发了7月第一次增温峰值，而增强的行星波2主导了8月初第二次强烈的涡旋扰动。这些波向西输送动量，削弱了极夜急流并使涡旋失稳。臭氧的重新分布与增强的行星波活动所驱动的Brewer–Dobson环流（BDC）增强推断一致，提高了极区臭氧水平并提供了额外的平流层热量。波–臭氧耦合表现出明显的选择性：行星波1与0–50°S（低至中纬度）的负总臭氧柱异常相关联，而行星波2与60–70°S极地环状区的正总臭氧柱异常呈正相关。增温峰值过后，行星波活动的衰减逐渐恢复了极地涡旋和平流层热力结构。本研究为罕见的南极SSW事件提供了关键的观测证据，并推进了对全球变暖背景下平流层–对流层耦合及极地臭氧动力学的理解。

论文解读：2024年南极平流层增温期间行星波对臭氧异常的强迫作用

一、研究背景与科学问题

平流层是对流层与中间层之间的关键耦合层，对全球大尺度大气环流和多时间尺度气候变率具有深刻调控作用。平流层突发增温（Sudden Stratospheric Warming，SSW）是极地平流层最剧烈的动力极端事件，表现为极区温度在数日内快速上升数至数十开尔文，并伴随平流层极地涡旋（Stratospheric Polar Vortex，SPV）的显著减弱、变形甚至崩溃。按照世界气象组织（WMO）标准，主增温事件（major SSW）定义为60°N/S、10 hPa高度上纬向平均纬向风由西风转为东风；而弱增温事件（minor SSW）则是纬向风显著减弱但未反转。

SSW的发生存在显著的半球不对称性。北半球SSW频繁发生，弱增温约每1–2年一次，主增温每2–4年一次。相比之下，南极SSW极为罕见，其原因包括南极大陆近乎纬向对称、经向海陆热力对比弱以及南半球中纬度行星波的地形强迫有限。自1979年卫星时代以来，南极仅记录到一次典型的强SSW事件（2002年9月），该事件伴随涡旋完全分裂和纬向风反转。1988年和2019年分别记录了两次弱SSW事件，均未出现完全的纬向风反转。以往研究证实，南极冬季持续强劲的极夜急流抑制了行星波的向上传播，在动力上阻碍了冬季SSW的形成。

2024年7–8月，南极经历了两次连续的冬季SSW事件，即SW07（7月6–13日）和SW08（7月21日–8月5日）。这两次事件均被归类为弱SSW，因为60°S、10 hPa的纬向平均纬向风虽显著减弱（从约74 m s^?1降至约57 m s^?1，降幅约23%），但始终维持西风。该事件创下了卫星观测以来最早的冬季SSW记录，并对极地涡旋和臭氧分布产生了深远扰动。已有研究系统诊断了对流层阻塞–行星波级联触发SW07的机制，并阐明了SW07产生的向下传播负南环状模（Southern Annular Mode，SAM）信号为SW08提供了预条件环流。然而，此前研究尚未通过相关分析和谱分解方法定量识别多尺度行星波变化与臭氧时空再分布之间的内在联系。鉴于南极冬季SSW的极端稀缺性及其对极地臭氧平衡和中高纬度气候遥相关的深远影响，对2024年事件进行针对性的动力诊断具有重要的理论和观测意义。

二、研究内容与主要结论

本研究以2024年两次连续南极弱SSW事件为研究对象，系统诊断了行星波1（wave 1）和行星波2（wave 2）的时间、纬度和垂直演变，量化了它们对极地涡旋衰减的调制作用，并进一步讨论了行星波强迫与平流层臭氧输送和再分布在整个增温生命周期中的动力耦合。研究得出以下主要结论：

第一，2024年南极冬季经历了两次连续弱SSW事件，是卫星时代记录到的最早冬季增温事件。10 hPa高度60°S处纬向平均纬向风最大降幅约23%（从7月13日的约74 m s^?1降至8月5日的约57 m s^?1），极区温度异常在7月13日和8月5日两个峰值分别比1979–2024年气候平均值高约15 K和17 K。这些事件由异常增强的对流层行星波向上传播驱动，向西沉积动量并系统性削弱了极夜急流。

第二，行星波1和行星波2对极地涡旋施加了分阶段、功能不同的强迫。行星波1主导了7月中旬的第一次增温峰值，其振幅最大值垂直连贯地跨越20–50 km，在约40 km高度处峰值位势高度振幅超过1750 m。行星波2的增强集中在7月下旬至8月上旬的25–35 km层，与第二次更强烈的涡旋扰动阶段密切相关。多数据集分析表明，行星波1和行星波2活动的顺序增强与2024年南极SSW的两阶段演变密切相关。

第三，行星波活动与平流层臭氧再分布之间存在清晰的波型和纬度选择性耦合。行星波1与0–50°S低至中纬度带的负总臭氧柱（Total Ozone Column，TOC）异常呈显著负相关，反映了增温初期贫臭氧空气的赤道向输出。相比之下，行星波2与60–70°S极地环状区的TOC呈强正相关，与富臭氧空气的极向输送一致。这两条路径的纬度重叠有限，表明南极SSW期间平流层臭氧分布具有部分可分离的相关结构。分段线性趋势分析确认了约7月13日的动力转变，此后60°S的TOC趋势由负（?0.27 DU day^?1）转为正（+0.26 DU day^?1），与增温峰值期吻合。

第四，波强迫的臭氧异常表现出渐进的经向重组，正异常从50–60°S向赤道方向迁移至40–50°S，负异常向极地方向推进至70–80°S，这与受扰动的Brewer–Dobson环流（Brewer–Dobson Circulation，BDC）和增强的行星波驱动的跨极地涡旋边缘经向混合一致。

三、主要技术方法

本研究使用了四类数据集：MERRA-2再分析资料、ERA5再分析资料、Aura MLS（Microwave Limb Sounder）卫星观测以及MSR-2（Multi-Sensor Reanalysis version 2）总臭氧产品。MERRA-2和ERA5提供覆盖对流层和平流层的高分辨率大气动力参数（包括温度、纬向风、经向风和位势高度），用于分析行星波传播和极地涡旋变化。Aura MLS位势高度数据仅用于波振幅诊断。日总臭氧柱数据来自MSR-2数据集，由荷兰皇家气象研究所（KNMI）生产，通过哥白尼气候变化服务（C3S）分发，水平分辨率0.5°×0.5°，覆盖1970年至今。MSR-2通过将15个卫星仪器的偏差校正总臭氧反演与WOUDC地面Brewer和Dobson观测同化到由ECMWF ERA-Interim再分析气象场驱动的TMDAM化学输运模型中构建。气候平均期：MERRA-2和ERA5为1979–2024年（46年），MSR-2总臭氧柱为2005–2024年。行星波提取采用沿经度方向的离散傅里叶变换（DFT），将位势高度场分解为波数空间，分别提取波数1和波数2的振幅及空间结构。此外还计算了波数分辨的Eliassen–Palm（EP）通量及其散度以检验波动的向上传播和动量沉积。

四、结果分析

4.1 纬向平均温度和纬向风

基于MERRA-2再分析资料，10 hPa高度60–90°S纬向平均温度从2024年7月初约194 K上升至7月13日第一个峰值约210 K，随后略有下降，再上升至8月5日第二个峰值约217 K。整个观测期间日温度值持续高于气候平均值且大多超出95%置信区间，表明2024年SSW相关增温的异常性质。60°S、10 hPa纬向平均纬向风从6月初约50 m s^?1增强至7月下旬约88 m s^?1的局地最大值，随后急剧下降至8月5日约57 m s^?1，之后迅速反弹至8月中旬约93 m s^?1，反映极地涡旋的快速恢复。ERA5资料显示，SSW发展期间西风急流在中纬度减弱并向极地收缩，8月5日纬向环流在1 hPa和10 hPa均发展出两个瓣状结构，表明涡旋伸长和变形而非完全分裂。纬向风异常的垂直差异反映了南极SSW的典型动力特征：扰动首先出现在上平流层，随后逐渐下传，异常强度随高度降低而明显减弱。

4.2 行星波1和行星波2

MERRA-2时间序列显示，2024年6–8月期间行星波1和行星波2振幅呈现显著差异演变。6月初波1振幅已处于中等偏高水平（6月1日923 m），波2相对较弱（6月1日268 m）。波1在6月中旬短暂峰值（6月6日1175 m）后下降，随后急剧上升至7月14日1454 m。波2在7月上半月保持中等水平，7月下旬出现明显二次增强，8月初显著加强并在8月5日前后达到峰值。这些峰值显著高于气候平均值且超出95%置信区间，表明SSW峰值期行星波活动的异常增强。ERA5纬度–时间剖面确认最强波强迫集中在50–80°S中高纬度，靠近60°S气候极地涡旋边缘。波1在7月14日出现单一显著振幅最大值（60–70°S超过1400 m），对应第一次增温峰值；波2在8月5日出现显著增强（峰值约1500 m），对应第二次增温阶段。波3振幅在整个期间保持较弱，在2024年南极SSW中作用可忽略。Aura MLS高度–时间剖面显示，波1在7月中旬出现垂直连贯的最大值，跨越约20–50 km，约40 km处峰值振幅超过1750 m；波2在7月下旬至8月上旬出现延迟但垂直广泛的增强，跨越约20–45 km，25–35 km层最大振幅约1400 m。与历史事件对比显示，SSW24是唯一在单季内具有两次明显增温脉冲的事件，由波1（7月14日峰值约1454 m）向波2（8月5日峰值约1511 m）的顺序切换驱动。

4.3 总臭氧柱

MSR-2数据显示，7月中旬后TOC出现显著纬度分异。60°S处TOC急剧上升至高于气候平均值，8月中旬峰值约355 DU，表明显著臭氧富集；70°S处TOC在8月初出现瞬态峰值（约305 DU），随后急剧下降至9月初约230 DU；80°S处TOC在7月中旬后持续下降，9月初达到约210 DU，远低于气候基线。这形成了极向臭氧响应梯度：外极地涡旋区（60°S）臭氧积累，内涡旋核心（80°S）持续臭氧消耗，70°S为中间过渡行为。分段线性趋势分析显示，7月13日前三个纬度均为负TOC异常且趋势一致向下（60–70°S为?0.27至?0.28 DU day^?1，80°S为?0.25 DU day^?1）；7月14日后60°S和70°S趋势急剧反转，转为正趋势（+0.26和+0.23 DU day^?1），而80°S保持减弱的负趋势（?0.19 DU day^?1）。纬度–时间剖面显示，SSW前臭氧异常在60°S赤道方向为负、60°S极地方向为正；8月5日后格局反转，正异常向赤道方向迁移（从50–60°S至40–50°S），负异常向极地方向推进（至70–80°S）。纬向臭氧波1在60–70°S于7月中旬和8月下旬出现两个显著振幅峰值（约80–100 DU），臭氧波2在8月初同纬度达到尖锐峰值（约70 DU）。七天平均臭氧扰动分布显示，6月初为单极型结构，6月底至7月初转为双极型，7月底至8月初呈多极分布（与波2主导一致），8月下旬呈涡旋状波列结构。交叉纬度Pearson相关分析表明，60–70°S的波1振幅与0–50°S的纬向平均TOC异常呈负相关（相关系数?0.6至?0.4）；0–65°S的波2振幅与60–70°S带的TOC异常呈强正相关（R≥0.6）。两波相关区域仅轻微重叠，表明两波与臭氧耦合的相关结构大部分可分离。

五、讨论与结论

讨论部分指出，2024年事件挑战了南极冬季SSW被持续极夜急流抑制的经典观点。两次连续增温发生在仲冬而非以往事件（1988、2002、2019）的晚冬或春季，引发了对气候变化下南半球SSW有利条件是否正在演变的思考。研究还指出，波1和波2在2024年SSW中时间交错、功能不同的作用对北半球主SSW中波1主导、波2次要的经典认识提出了补充，表明在南半球波2的相对贡献可能对达到涡旋扰动阈值具有不成比例的重要性。研究局限性包括：单一季节的再分析和卫星数据限制了基于相关的臭氧归因的统计稳健性；未进行余差平均（transformed Eulerian-mean）环流诊断以直接量化BDC响应；未评估准两年振荡（QBO）和厄尔尼诺–南方涛动（ENSO）对2024年事件的潜在调制作用；臭氧分析聚焦于总柱量，未分离动力与化学贡献。

研究结论可归纳为：2024年南极冬季见证了卫星时代最早记录的两次连续弱SSW事件；行星波1和行星波2施加了分阶段、功能不同的涡旋强迫；行星波活动与臭氧再分布之间存在清晰的波型和纬度选择性耦合；波强迫的臭氧异常表现出渐进的经向重组。这些结果证明2024年南极SSW为研究极端行星波强迫条件下的平流层–对流层动力耦合和波–臭氧相互作用提供了独特的天然实验室，对理解南极臭氧变率、平流层可预报性以及气候变化下动力极端事件对臭氧洞发展的潜在调制具有重要意义。