南极平流层臭氧恢复前后南半球夏季环流趋势的对比

《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：Contrasting austral summer Southern Hemisphere circulation trends before and after the recovery of Antarctic stratospheric ozone

　　

南极平流层臭氧消耗驱动了20世纪末南半球（Southern Hemisphere, SH）夏季环流的显著变化，而自21世纪初以来的臭氧恢复伴随着这些趋势的减缓。该研究利用ERA5和JRA-55资料，研究了这些趋势转变的空间特征和统计稳健性。结果表明，臭氧恢复与中低层平流层增暖相关，伴随着对流层环流异常的减弱。这种减弱在空间上不均匀，在南太平洋最为显著。为了量化南半球夏季环流的变化，研究人员分析了五个指标：南半球环状模（Southern Annular Mode, SAM）、西风急流位置、西风急流强度、哈德莱环流（Hadley Cell, HC）边缘和HC强度。前四个指标自臭氧恢复开始以来增强趋势减缓，尽管其统计显著性不同。最显著的变化出现在SAM指数，从2.03 hPa (10 yr)^?1变为1.27 hPa (10 yr)^?1，以97.3%的置信水平通过了Chow检验。相比之下，HC边缘移动显示最大的趋势减小但显著性最弱。此外，在2000–2023年期间，滚动趋势在零附近波动，对极端值变得不敏感，表明减弱环流异常的稳健性增加。

**论文解读：南极平流层臭氧恢复前后南半球夏季环流趋势的对比**

### 研究背景与问题
南半球（SH）夏季环流是全球气候系统的关键组成部分，其结构特征包括强而稳定的中纬度西风带、高度纬向的气压带以及主导高纬度变率的南半球环状模（SAM）。这些环流模式通过控制全球质量和动量输运，深刻影响着南极海冰分布、南大洋通风与碳吸收以及区域降水和温度。20世纪末，观测到南半球夏季环流发生显著变化，表现为SAM增强、西风急流向极地移动和强度增大、哈德莱环流（HC）南缘南扩。尽管温室气体（GHG）浓度增加有所贡献，但大量证据表明，南极平流层臭氧损耗是驱动这些夏季环流趋势的主导因素。然而，自21世纪初以来，伴随《蒙特利尔议定书》及其修订导致的臭氧消耗物质减少，南极平流层臭氧开始恢复。平流层温度上升，模型预测臭氧恢复与持续上升的GHG将对对流层气候产生相反影响。观测和分析资料显示，约2000年以来，此前显著的夏季环流趋势已减弱、停滞或部分逆转。尽管已有研究指出截至2017年的趋势暂停，但这一暂停是否延续至最近十年尚不清楚。为此，本研究将分析时段扩展至2023年，比先前研究多出六个关键年份，以降低趋势估计的不确定性，更稳健地评估减弱趋势的持续性。论文发表在《Atmospheric and Oceanic Science Letters》。

### 主要技术方法
研究人员使用两个全球大气再分析资料：欧洲中期天气预报中心的ERA5（空间分辨率0.25°×0.25°）和日本气象厅的JRA-55（1.25°×1.25°），时段覆盖1980–2023年。采用Theil–Sen方法计算长期趋势，Mann–Kendall检验判断趋势显著性，通过Chow检验（Chow test）评估两个时期（臭氧消耗期1980–2000年与恢复期2001–2023年）之间的趋势变化是否显著。为了量化SAM对趋势的贡献，通过线性回归计算了SAM一致分量（SAM-congruent component）。此外，采用滚动趋势分析和类似Jackknife的敏感性分析（随机剔除一年后重新计算趋势），检验结果的稳健性。

### 研究结果

#### 温度趋势对比
通过分析ERA5和JRA-55再分析资料的南半球夏季纬向平均温度趋势，发现两个资料一致。臭氧消耗期，南半球中高纬度平流层和高纬度对流层出现显著降温；臭氧恢复期，这些趋势显著逆转，尤其在90°–60°S（300–70 hPa）、60°–40°S（100–30 hPa）和50°–70°S（1000–700 hPa）区域。高纬度低平流层转为增暖（通过Chow检验置信水平90%），高纬度对流层降温减弱，40°–60°S出现明显增暖。趋势差异场（恢复期减消耗期）进一步确认了中高纬平流层和对流层的显著正温度趋势差异。

#### 纬向风趋势对比
根据热成风平衡原理，温度趋势差异与纬向风趋势变化一致。臭氧消耗期，南半球中高纬度平流层西风显著增强，最强增位于约50–70°S，且增强信号向下延伸至对流层。臭氧恢复期，中纬度平流层西风增强趋势减弱，中纬度对流层低层（700–1000 hPa）西风增强趋势也减缓。趋势差异场显示，中纬度平流层西风增强趋势的减弱最为明显，且在45°–60°S纬带内呈现显著的负趋势差异，结构垂直连贯。

#### 对流层中低层环流的空间特征
为研究趋势变化的水平结构，分析1000–700 hPa位势高度和纬向风趋势及其SAM一致分量。臭氧消耗期，高纬度位势高度显著负趋势，中纬度正趋势，匹配SAM正位相；SAM一致分量解释大部分中高纬度变化。臭氧恢复期，中高纬度位势高度趋势明显减弱。趋势差异场显示中纬度正趋势和高纬度负趋势均显著减缓，且SAM一致差异场与趋势差异场高度相关（30°S以南）。对于纬向风，臭氧消耗期南半球中高纬度西风（尤其南太平洋和南美洲南部，180°–60°W）显著增强；恢复期这些区域增强趋势明显减弱，差异场显示60°S附近南太平洋西风增强趋势的减弱幅度最大，反映显著的纬向不对称性。SAM一致分量解释了大部分纬向风趋势变化。

#### 环流指数趋势分析
为量化五个关键环流指数（SAMI、西风急流位置、西风急流强度、HC南缘、HC强度）的趋势变化，进行统计比较。臭氧消耗期各指数呈现强劲正趋势：SAMI增加2.03 hPa (10 yr)^?1（99.9%置信）、急流向极地移动1.43° (10 yr)^?1（99.8%置信）、HC南缘南扩0.22° (10 yr)^?1。臭氧恢复期这些趋势显著下降：SAMI降至1.27 hPa (10 yr)^?1、急流移动0.83° (10 yr)^?1、急流强度0.38 m s^?1 (10 yr)^?1、HC南缘仅0.02° (10 yr)^?1。Chow检验显示SAMI趋势变化最为显著（置信水平97.3%），急流位置次之（85.8%），而HC南缘趋势变化幅度最大但显著性最弱（低于30%）。HC强度从消耗期的非显著变化转为恢复期的负趋势（?0.25，88.7%置信）。滚动趋势分析（2000至2010–2023年）显示SAMI和急流趋势在零附近波动，且置信区间收窄，表明减弱趋势的持久性和对年际变率的稳健性增加。Jackknife分析进一步确认了两个时期趋势分布的显著分离，佐证了减弱趋势的稳健性。

### 讨论与结论
研究表明，臭氧恢复期平流层环流异常减弱，对流层相应变化，但这种减弱在空间上不均匀：南太平洋的位势高度和纬向风趋势仍比同纬度其他区域强。类似的不对称性在SAM相关趋势中也很明显，这可能与行星波动力学和阿蒙森海低压的变率有关。通过分析五个环流指数，发现SAMI趋势变化最为稳健（通过Chow检验97.3%置信），而HC南缘趋势变化幅度最大但显著性最弱，可能因HC位于热带、受内部大气过程和海气耦合变率调制更强。从2000年至2023年，滚动趋势趋于零且对极端值不敏感，显示减弱环流异常的稳健性增强。在臭氧消耗期，南极臭氧损失与GHG上升的协同效应驱动了南半球环流的强劲异常趋势，对区域气候产生影响，如西南澳大利亚干旱加剧、南极海冰加速减少等。臭氧恢复预计将推动西风急流赤道向移动（SAM负位相），而GHG增加则倾向于极地向移动（SAM正位相），上述观测到的环流趋势减弱与结构变化可能标志着南半球气候背景态的重要转变，值得继续研究这些竞争性驱动因子如何影响未来数十年的区域气候。研究结论可概括为：南极平流层臭氧恢复与南半球夏季环流趋势减弱密切相关，其中SAM指数趋势变化最为稳健，环流减弱具有空间非均匀性，且随着恢复期延长，减弱趋势的稳健性增强。