欧亚中高纬度春季温度与臭氧的年代际反相协变性

《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：Interdecadal antiphase covariability between temperature and ozone over the mid–high latitudes of Eurasia in spring

　　

欧亚中高纬度春季臭氧-温度耦合对区域气候和生态系统具有重要意义，但其年代际演变及驱动机制仍不清楚。对1980–2022年多套再分析数据集（ERA5、JRA-55、EAC4）的分析表明，3–4月欧亚中高纬度地表温度与对流层臭氧柱（TCO）之间存在显著的年代际反相协变性。这种协变性与贝加尔湖高压（BH）的变化密切相关。BH减弱会引发对流层中层气旋性异常，引导极地寒冷且富含臭氧的空气向南输送，从而同时产生地表冷却和臭氧增强；而BH增强则形成相反的空间型。约一半的第六次耦合模式比较计划（CMIP6）模式能够再现这一反相关关系。若干模式-情景组合表明，在SSP1–2.6和SSP2–4.5情景下，这种由动力驱动的臭氧-温度反相协变性预计将在21世纪持续。这些发现突显了区域环流在耦合大气成分与气候中的核心作用，为模拟和预估欧亚大陆环境风险提供了重要参考。

欧亚中高纬度春季温度与臭氧年代际反相协变性的动力机制与未来预估

欧亚大陆作为全球最大的陆地，承载约70%的全球人口和关键粮食生产体系，其气候变化对区域生态系统、农业、水资源和人类健康具有深远影响。北亚–中亚地处极地与中纬度气候系统交汇地带，是冷空气南侵、行星波传播和大气成分输送的关键通道，其气候与大气化学成分的耦合变异对局地和下游环境风险具有重要意义。温度和臭氧是影响欧亚气候与环境的两大核心因子：温度异常通过改变热力条件、积雪融化、冻融循环和植被物候影响生态系统与人类活动；臭氧既是重要空气污染物，又是具有辐射强迫效应的温室气体，影响植被生产力、人体健康和气候系统。春季作为冬夏之间的过渡季节，既受到前期积雪、海冰和大尺度环流异常的调制，又是对流层臭氧柱（TCO）的峰值期，因而成为连接冬季和夏季气候异常、塑造后续季节环境条件的关键窗口。然而，以往研究多聚焦于欧洲、东亚和北美的夏季热浪与近地面臭氧污染，对于春季北亚–中亚地区地表温度（T_2m）与TCO是否存在年代际反相协变及其动力机制，认识仍然有限。为此，研究人员整合多套再分析资料和多模式模拟，围绕三个科学问题展开研究：一是刻画这种年代际反相协变性的观测特征并阐明其控制机制；二是评估第六次耦合模式比较计划（CMIP6）模式对该耦合现象的再现能力；三是探讨其在未来气候变化情景下的潜在演变。相关成果发表于《Atmospheric and Oceanic Science Letters》。

研究使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代再分析资料ERA5（1980–2022年，水平分辨率0.25°×0.25°），以及日本气象厅55年再分析资料JRA-55（1980–2022年）和ECMWF第四代全球大气成分再分析资料EAC4（2003–2022年）。TCO通过对1000–200 hPa气压层臭氧质量混合比进行垂直积分并转换为多布森单位（DU）得到。为突出年代际信号，对每个日历月去除线性趋势，并采用5年滑动平均；基于去趋势和滑动平均后的3–4月区域平均时间序列，定义低温-高臭氧型位相（1984–1989年、2002–2013年）与高温-低臭氧型位相（1992–1997年、2017–2021年）进行合成分析。贝加尔湖高压指数（BHI）定义为500 hPa位势高度在40°–55°N、90°–120°E区域平均的标准化月距平。CMIP6方面，选取10个化学-气候模式进行历史模拟评估，并筛选表现最好的模式用于SSP1–2.6、SSP2–4.5、SSP3–7.0和SSP5–8.5情景的未来预估。

基于三个再分析资料的相关分析显示，欧亚中高纬度（40°–70°N，60°–120°E）3–4月TCO与T_2m普遍呈负相关，最显著负相关中心的相关系数在-0.7至-0.3之间。ERA5区域平均相关达-0.68，JRA-55和EAC4也呈现类似反相变化，表明该负耦合信号在不同再分析产品间具有很强的稳健性。

合成分析显示，相对于高温-低臭氧位相，低温-高臭氧位相中北极和欧亚北部TCO增强约+7 DU，同时欧亚北部出现约2–3°C的地表降温。伴随的环流异常表现为以贝加尔湖为中心的中高纬度负位势高度异常，500 hPa和700 hPa出现气旋性环流和偏北风异常。850 hPa温度通量和200–1000 hPa臭氧通量均显示高纬度冷而富臭氧空气向南输送。500 hPa位势高度纬向偏差在欧亚中高纬度呈东西向偶极型，过渡带位于贝加尔湖附近。BHI与T_2m显著正相关（r=0.81，p<0.01），与TCO显著负相关，表明贝加尔湖高压（BH）的强度是调控春季臭氧-温度反相协变的关键环流因子。

对10个CMIP6化学-气候模式在1980–2014年的评估表明，ERA5中目标区域中位数相关系数接近-0.5，且大面积格点显著负相关。BCC-ESM1、EC-Earth3-AerChem、GFDL-ESM4、MIROC-ES2H和UKESM1-0-LL五个模式较好再现了负相关；而CESM2、GISS-E2-1-H、MRI-ESM2-0、NorESM2-MM等表现不佳，BCC-CSM2-MR仅捕捉到有限且统计较弱的负耦合。

基于表现最好的三个模式（GFDL-ESM4、MIROC-ES2H、UKESM1-0-LL）在2015–2100年四种SSP情景下的预估，大多数模式-情景组合显示格点相关以负值为主。GFDL-ESM4在所有四个