平流层极地涡旋变化对中国冬季温度的影响：北大西洋涛动的作用

《Atmospheric Research》：The influence of stratospheric polar vortex shifts on winter temperatures in China: Role of the North Atlantic Oscillation

　　

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  亚洲向极地的平流层极涡（SPV）位移与中国的广泛冬季降温有关，而中国东北部的反应则相反。
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  SPV位移的综合指标显示出与EOF2相反的对流层异常情况，并且对流层和平流层的环流模式有利于冷空气的输送。
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  北大西洋涛动（NAO）相关的波动活动表明可能存在一条调节SPV与中国温度关联的北大西洋-欧亚路径。

引言

平流层极涡（SPV）是极地平流层中的大型低压系统，其特征是强烈且持久的环极风，这些风有效地将冷空气限制在北极地区（Butchart, 2022; Manney et al., 2022; Rao et al., 2022; Schoeberl et al., 1992; Waugh and Polvani, 2010; Waugh et al., 2017）。作为冬季北半球平流层的关键动态特征之一，SPV的变化在平流层与对流层的耦合中起着重要作用，这可以对天气和气候变率产生显著影响，包括地表附近的环流和温度异常（Davini et al., 2014; Domeisen and Butler, 2020; Douville, 2009; Garfinkel et al., 2017; Limpasuvan et al., 2005; Tian et al., 2023）。先前的研究表明，SPV的异常可以持续数周并向下传播到对流层，调节北极涛动/北环状模态、中纬度西风急流的位置和强度、风暴路径以及近地面温度异常（Garfinkel et al., 2013; Lawrence et al., 2020; Runde et al., 2016; Zhang et al., 2024b; Zhang et al., 2025, Zhang et al., 2026; Zhou et al., 2025）。

当极涡较弱或平流层突然变暖时，通常会伴随着欧亚大陆和北美洲的冷空气爆发增加；而当极涡较强时，通常伴随着更均匀的纬向环流和减弱的经向交换（Baldwin et al., 2021; Hu et al., 2018; Huang et al., 2021; Kim and Choi, 2024; Ran et al., 2024）。这些地表反应还受到对流层过程的调节，特别是乌拉尔阻塞高压（Zhang et al., 2024a）。这些发现表明，SPV的变化为中纬度地区冬季气候异常提供了从亚季节到季节的可预测性（Rao et al., 2021; Shan and Fan, 2023）。

大多数现有研究强调了SPV的强度或平流层突然变暖的情况（Kim et al., 2014; Liang et al., 2024; White et al., 2021）。相比之下，人们对SPV的位移及其引起的区域气候影响关注较少。然而，SPV的位置在动力学上非常重要，因为它决定了极夜急流的空间配置、位涡梯度的位置以及平流层异常如何影响对流层环流。因此，向欧亚大陆位移的极涡可能产生的地表反应与向北美洲位移的极涡有显著不同，即使两者的强度相当（Lu et al., 2021; Seviour, 2017; Zhang et al., 2016）。

东亚对高纬度环流的异常特别敏感。东亚槽、西伯利亚高压、欧亚大陆的阻塞活动以及来自极地和亚极地地区的冷空气路径对中国冬季地表温度（SAT）有强烈影响（Cheung et al., 2012; Liu and Zhu, 2020; Zhang and Hu, 2024）。尽管先前的研究表明SPV的异常可以影响东亚的冬季气候（Kolstad et al., 2010; Ran et al., 2024），但SPV向亚洲方向位移的具体作用仍不够清楚。特别是，目前尚不清楚SPV向亚洲方向的位移与中国冬季SAT异常的空间模式之间的关系，以及哪些对流层环流机制可能中介这种联系。

北大西洋涛动（NAO）是北大西洋和欧亚地区冬季大气变率的主要模式之一（Liu et al., 2019; Santolaria-Otín and García-Serrano, 2024; Wang et al., 2017）。通过控制经向压力梯度、西风流动、阻塞频率和行星波活动，NAO可以影响波能量从北大西洋向欧亚大陆和平流层的传播，从而调节平流层环流和SPV的结构（Ambaum and Hoskins, 2002; McKenna and Maycock, 2022; Yao and Luo, 2015）。同时，NAO相关的环流异常也可以通过北大西洋-欧亚远距离联系和亚洲急流波导向东亚传播（Li and Ruan, 2018; Watanabe, 2004）。沿着这条路径，NAO相关的扰动可以改变欧亚大陆的环流模式、冷空气活动和波列传播，最终影响中国和东亚的冬季地表温度和温度极值（Li et al., 2022; Liu et al., 2019; Zuo et al., 2016）。因此，NAO相关的北大西洋-欧亚环流可能提供了连接SPV位移、行星波传播和下游东亚气候异常的动态桥梁或背景路径。

本研究基于观测和再分析数据集，探讨了SPV向亚洲方向位移所带来的地表响应、环流模式和能量变化。论文的结构如下：第2节描述了数据和方法；第3节讨论了中国冬季温度对极地平流层极涡位移的响应；第4节讨论了NAO在极地极涡位移对中国冬季温度影响中的作用；第5节提供了本文的主要结论和讨论。

章节片段

数据和方法

在这项工作中，我们使用了来自中国气候变化研究中心（CRC）的CN05.1数据集提供的1961年至2021年冬季时期的平均日地表温度。同时使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的第五代大气再分析（ERA5），其覆盖的时间段与CN05.1数据集相同，也是1961年至2021年。这些数据集提供了0.25°×0.25°网格上的月平均再分析数据和日统计数据。

SPV与中国冬季降温之间的相关性

图2显示了正SPV位移年份和负SPV位移年份之间冬季SAT异常的综合差异。在DJF平均尺度上（图2a），向亚洲方向的SPV位移通常与中国大部分地区的负SAT异常相关。降温中心主要位于中国北部、黄淮地区、长江中下游以及中国西北部的一些地区，而中国东北部和青藏高原南部则表现出相反的趋势。

NAO相关环流作为SPV与中国冬季温度联系的潜在桥梁

如Baldwin和Dunkerton（2001）所展示的，平流层环流异常可以向下传播到对流层，并改变地表环流模式的持续时间和概率，尽管这种变化存在时间延迟，并且与同时发生对流层变率相互作用。因此，我们检验了SPV位移指数与几个主要气候指数之间的相关性，作为统计关联的证据，而不是将其分解为

结论和讨论

研究表明，向亚洲方向的SPV位移与中国大部分地区的广泛冬季降温有关，而中国东北部和青藏高原南部则表现出较弱或局部相反的反应。EOF2捕捉到了这种区域差异，并与SPV位移显著相关。相应的环流异常从平流层延伸到对流层，呈现出欧亚-北太平洋脊-槽的模式，异常的北风或西北风

CRediT作者贡献声明

Ke Ma：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，调查，数据管理，概念化。Quanliang Chen：监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，正式分析。Xin Zhou：监督，项目管理，调查，资金获取。Yingying Zhong：监督，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响到本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U2442210、42275059）和四川省自然科学基金（项目编号：2024NSFTD0017）的共同支持。

Ke Ma|Quanliang Chen|Xin Zhou|Yingying Zhong