JC: 如何预测亚洲和北美大陆冬季气温的协同变化?
发布时间: 2023-01-10

全球变暖趋势仍在持续,亚洲和北美大陆却多次遭遇极端严寒的冬季。已有大量研究分别讨论了这两个大陆的天气气候事件,但近来的观测事实表明,亚洲和北美大陆的冬季平均气温、极端天气事件之间都存在协同变化特征。北半球中纬度这种跨大陆的气候异常引起了国内外学者的广泛关注。一些研究指出,这种现象可能与亚洲-白令海-北美(ABNA)遥相关型有关,然而其背后的物理机制尚不明确。如何准确预测亚洲和北美大陆的冬季气候异常仍是气候研究亟待解决的重要科学问题。

我系博士生钟沃谷(第一作者)吴志伟教授(通讯作者)的最新研究发现,ABNA遥相关型在对流层内表现为从亚洲北部至白令海,再延伸至北美大陆东部的一条纬向波列,并与平流层极涡异常存在一定的联系(图1a&b)。ABNA遥相关型能够导致亚洲和北美大陆冬季气温同位相变化,东西伯利亚至阿拉斯加地区气温则反位相变化(图1c),这种影响独立于其他一些重要的大气环流模态,如太平洋-北美(PNA)遥相关、北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和北太平洋涛动(NPO)等。

1 冬季ABNA遥相关型的基本特征:(a500 hPa位势高度场上的空间分布、(b)垂直结构、(c)与之相联系的冬季气温异常分布


进一步的研究表明,冬季ABNA遥相关型的形成与前期11欧亚积雪偶极子(ESCDP)和海洋性大陆海温异常(MCSST密切相关(图2)。当前期ESCDP表现为东北亚积雪偏多、欧洲积雪偏少时,对流层内上传的行星波加强,向极的热量输送增加,白令海上空出现显著的位势高度正异常,平流层极涡减弱且呈现出偏心结构。平流层极涡的强度和位置变化能够持续到冬季,并通过位涡调整等过程下传至对流层内,进而导致ABNA遥相关型的形成。当前期MCSST偏暖时,热带地区出现对流异常,并在冬季向东移动,表现为热带西太平洋降水异常(TWPP)。TWPP引起的热力异常能够直接激发向极传播的Rossby波列,进一步加强ABNA遥相关型。线性斜压模式很好地再现了上述物理机制。

2 前期ESCDPMCSST影响冬季ABNA遥相关型的示意图。(a)图中欧亚大陆上的绿色(棕色)填色表示11月积雪偏多(偏少),ESCDP通过加强上传的行星波使得平流层极涡减弱且出现偏心;海洋性大陆上的黄色填色表示11月暖海温异常,MCSST能够引起热带对流异常。(b)图中红色实线(蓝色虚线)表示正(负)位势高度距平,红色(蓝色)填色表示冬季气温暖(冷)异常;平流层极涡的异常信号能够持续到冬季,并下传至对流层,激发正位相的ABNA;热带对流异常在冬季向东移动,并激发向极传播的Rossby波,使得ABNA的正位相进一步加强。


最后,利用前期ESCDPMCSST指数建立的经验预报模型准确预测了冬季ABNA指数,经过10年交叉验证,后报试验的相关系数达到了0.70(图3a)。此外,该模型能够有效预测亚洲和北美大陆冬季气温的协同变化,有助于提升北半球中纬度冬季气温的预报技巧(图3b)。

3 a)基于ESCDP指数、MCSST指数、ESCDPMCSST指数建立的经验预报模型预测冬季ABNA指数(后报试验,已经过10年交叉验证);(b)基于ESCDPMCSST指数建立的经验预报模型对北半球冬季气温的预测方差贡献


上述研究揭示了冬季ABNA遥相关型及与之相伴随的极涡变化是连接前期欧亚积雪和北半球冬季气候异常的关键“桥梁”。目前大部分研究认为欧亚积雪通过影响极涡强度或AO位相变化调控北半球冬季气候,本研究强调了极涡偏心结构及ABNA遥相关的重要作用,这一创新性的观点得到了审稿人的高度评价。此外,本研究指出了西太平洋暖池区,特别是海洋性大陆的热力异常可以通过激发ABNA遥相关型调控北半球中纬度地区的气候异常,这一物理过程区别于热带中东太平洋海温异常对PNA遥相关的影响,为我们深入认识热带影响中高纬的物理机制提供了新的思路。最重要的是,加强对冬季ABNA指数及相关前期异常信号的监测能够有效提升北半球中纬度地区的气候预测水平。该项研究成果日前在《Journal of Climate》上发表。

论文信息:Zhong Wogu, Wu Zhiwei* (2023). Interannual variability of the wintertime Asian-Bering-North American teleconnection linked to Eurasian snow cover and Maritime Continent sea surface temperature. Journal of Climate, DOI: 10.1175/JCLI-D-22-0367.1.



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