《SCIENCE ADVANCES》：Increases in Northern Hemisphere winter circulation waviness over 1989 to 2011 driven by decadal oceanic variability
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大尺度环流波状度（waviness）塑造了逐日天气与极端事件。1989至2011年间，北半球中纬度冬季波状度显著增强，与北极快速增暖及冷空气爆发事件更频繁同时出现。虽有假说认为北极放大（Arctic amplification, AA）通过削弱急流导致该趋势，
大尺度环流波状度（waviness）塑造了逐日天气与极端事件。1989至2011年间，北半球中纬度冬季波状度显著增强，与北极快速增暖及冷空气爆发事件更频繁同时出现。虽有假说认为北极放大（Arctic amplification, AA）通过削弱急流导致该趋势，但后续研究未能支持这一机制，其成因仍未解决。本研究利用大集合模拟、统计分析与动力学诊断表明，海表温度（sea surface temperature, SST）与海冰变率可解释观测增幅的约一半（48.7%至63.3%）。大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO）的正相位转变是主要驱动因子，其增强了欧亚大陆北部、西北太平洋与北大西洋的波状度。同期太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation, IPO）的负相位转变部分抵消了AMO在西北太平洋驱动的异常。预估结果表明，内部变率将超过模式差异，成为近期不确定性的主要来源。这些结果细化了近期冬季波状度变化的归因，并识别出与AMO相联系的、可用于中纬度极端事件长期变化预测的可预报性来源。
研究背景与问题：近几十年来北极增暖速度快于全球平均，即北极放大（AA）。与AA同期，北半球行星尺度波在冷季出现波状度增强，尤以20世纪90年代初至2010年前后为显著，并伴随中纬度欧亚大陆冬季变冷，即所谓"暖北极—冷大陆"型，引发AA与波状度增强是否存在因果联系的争论。Francis和Vavrus提出AA削弱经向温度梯度、减慢西风急流、增大波幅的假说，该框架意味着观测到的短期波状度增加可能主要由人为强迫驱动。然而观测分析显示波状度趋势对所选时段与诊断指标高度敏感；以 prescribed 北极海冰损失进行的模拟试验一般只产生很弱甚至不存在的波状度响应，常被内部变率淹没，个别结果甚至指示波状度减弱；且尽管AA持续，模式预估未来增暖下波状度呈弱下降。因此多数研究认为1990年代初至2010年前后的短期波状度增加不太可能由AA驱动，而更符合内部变率。若AA不能解释该趋势，其驱动因子为何，即为本研究要解决的问题。
研究内容与结论：研究人员利用多模式大集合模拟、统计分析以及基于有限振幅局地波活动（finite-amplitude local wave activity, LWA）的动力学理论，表明1989至2011年波状度增强趋势不太可能源于人为强迫，而与以往研究一致，反映的是内部变率，其中AMO由负相位向正相位的转变发挥了重要且显著的作用。该机制凸显了观测到的年代际波状度变率具有部分可预报性。在未来情景下，模式仅预估波状度发生 modest 变化，响应幅度与符号因模式而异，不确定性由内部变率而非模式结构差异主导。通过将AMO识别为内部变率的重要来源，研究结果为降低未来增暖下环流波状度响应及中纬度极端天气的不确定性提供了途径。
关键技术与方法：观测分析基于ERA5、MERRA-2、JRA-55、ERA-Interim与CFSR五套再分析资料，统一插值至2°×2°网格，分析1989至2011年冷季（12月至2月）40°N至80°N的LWA趋势，SST取自HadISST。使用CESM2（50成员）、EC-Earth3（50）、MPI-ESM1-2-LR（50）、IPSL-CM6A-LR（33）、NorCPM1（30）与MIROC6（10）六个初始条件大集合，历史时段后接SSP370强迫；并分析五个AMIP型集合（由观测SST与海冰驱动）及CESM1、IPSL-CM6A-LR两个10成员大西洋Pacemaker试验。方法包括最大协方差分析（MCA）、基于观测趋势型的指纹分析、AMO/IPO回归、准地转位涡（QGPV）LWA收支诊断，以及按观测AMO对模拟LWA进行统计调整。
研究结果：
观测与模拟的LWA趋势：ERA5显示1989至2011年冷季北半球中纬度波状度增强，最强增幅位于北大西洋约40°N以北与欧亚大陆北部，尤其欧亚东北部；显著负趋势主要限于北大西洋约30°N低纬并向东延伸至西欧，其他再分析资料佐证了该结果的稳健性。CESM2大集合等人为强迫单独仅产生弱LWA趋势响应，幅度、符号与空间型因模式而异，CESM2大集合甚至模拟出中纬度波状度轻微下降，且无单个成员重现观测强度；其他集合中观测趋势也接近其模拟分布上尾。AMIP型集合由观测SST与海冰驱动时，产生的LWA趋势明显强于完全耦合集合，并再现北大西洋北部增强与欧亚东北部增强等关键区域特征。以同模式AMIP与耦合集合均值之差量化海洋强迫贡献，CESM2、MIROC6、NorCPM1与IPSL-CM6A-LR分别对应观测趋势的57.3%、63.3%、48.7%与13.8%，多模式平均约56%，表明观测海洋边界变率可解释约一半的波状度增幅。
AMO在驱动观测LWA趋势中的突出作用：MCA显示，多集合平均第一模态为北半球广泛正LWA趋势、最强信号位于北太平洋北部，对应SST型呈类IPO正位相与类AMO正位相结构；第二模态结合类IPO负位相太平洋型与副极地北大西洋增暖，其LWA趋势型紧密再现观测空间结构。指纹分析中正相关与负相关成员的LWA趋势差再现观测空间型，对应SST趋势差呈类IPO负型与类AMO正型。AMO回归的LWA型与观测空间结构高度吻合，表现为欧亚大陆北部与北大西洋扇区波状度显著增强；各集合AMO-LWA敏感度为3.86×106至9.16×106 m2 K?1，约为观测归一化趋势的11.8%至28.1%，多模式平均19.2%。按观测AMO轨迹统计调整后，模拟LWA趋势分布上移，3个成员超过观测幅度。类IPO负位相型则表现为北太平洋与北美西北部强负异常及北大西洋北部较弱负异常，中纬度平均为负，倾向于抑制LWA，从而抵消AMO在西北太平洋的正异常，使观测正趋势主要局限于欧亚东北部。综合表明正AMO相位转变贡献重要且显著，负IPO起次要调制作用，AMIP-CMIP差值估计的56.0%至56.4%净SST驱动贡献可视为AMO贡献的保守下限。
LWA趋势的机制：QGPV框架将LWA倾向分解为纬向平流LWA通量辐合、经向涡动动量通量辐散、低层涡动经向热通量与残差项。北大西洋北部增强的LWA趋势主要由异常纬向平流LWA通量辐合驱动：西风减弱降低了LWA的"携带能力"，削弱气候态辐散并造成局地异常辐合与下游异常辐散。欧亚大陆正LWA趋势由多过程组合造成：欧亚中部以纬向平流通量辐合为主，欧亚南部以低层经向热通量为主，与冷空气爆发增强及北风加强一致；欧亚西部与东部以残差项贡献最大，其中湍流热通量（THF）显著向上增强，可改变近地表温度与低层温度梯度，进而调整背景斜压性并促进斜压涡增长。经向涡动动量通量辐散贡献较小。CESM2大集合中AMO回归的QGPV LWA收支型再现了观测收支的若干关键特征，CESM1与IPSL-CM6A-LR大西洋Pacemaker试验也提供了过程层面的支持。
近期环流波状度受内部变率塑造：2026至2055年三个50成员大集合的预估趋势在空间型与幅度上模式间不一致，北半球中纬度平均仅CESM2大集合产生显著负趋势，另两模式变化很弱且不显著，而成员间离散度远大于集合平均信号，表明内部变率主导近期LWA预估的不确定性。子抽样分析显示，AMO+3成员在三个集合中均一致表现欧亚东北部LWA趋势增强，IPO+3成员则一致表现北太平洋北部正LWA趋势增强，中纬度平均趋势可比集合平均大至少一个量级，说明AMO与IPO未来演变可强烈调制近期中纬度LWA变化。
讨论与结论：研究表明AMO正相位转变对1989至2011年观测波状度趋势有突出贡献。由于近期AMO变率本身可能包含内部生成与外部强迫两部分，该结果并不排除强迫贡献，而是指向AMO相关海洋变率的重要作用，并提示内部变率可能在塑造观测短期波状度趋势中起关键作用。这与Sun等关于夏季环流波状度与热带东太平洋冷却是相联系的研究在思路上一致，二者均表明边界SST变率可重要塑造中纬度环流波状度，AA单独难以完全解释观测变化。模式即使由观测SST与海冰驱动，也常难以重现相当幅度的波状度趋势，可能源于模式低估相关内部变率的幅度与/或空间结构，或低估环流波状度对AMO的敏感性。研究亦指出，北大西洋年代际变率可能部分受大气环流影响，故AMIP结果应理解为观测海洋边界条件能够产生与观测趋势共享关键区域特征的LWA响应，而非AMO相关SST异常到LWA的单向因果确证。研究强调，尽管AA不太可能是所考察年代际波状度增加的主要驱动，但这不意味着AA与北极海冰损失对中纬度天气气候仅有弱影响。研究还指出AMO可作为环流波状度多年代际变化的潜在可预报性来源：鉴于其60至80年周期及过去四十年以正相位为主，若未来数十年AMO转向负相位，可能有利于北半球尤其欧亚大陆环流波状度减弱，从而对冬季极端事件减少产生深远影响。
