2020/2021年冬季大范圍低溫寒潮過程中一種典型的平流層—對流層耦合演變模態

虞越越 李亞飛 任榮彩 2, 崔正飛

1 南京信息工程大學大氣科學學院/氣象災害教育部重點實驗室(KLME)/氣象與環境聯合研究中心(ILCEC)/氣象災害預報預警與評估省部共建協同創新中心(CIC–FEMD), 南京 210044

2 中國科學院大氣物理研究所, 北京 100029

3 天津市氣象災害防御技術中心, 天津 300074

1 引言

隨著探測手段的進步和觀測資料的豐富，許多科學家開始注意到，平流層不僅被動地接受對流層行星尺度擾動上傳的影響（Matsuno, 1970;Limpasuvan et al., 2004, 2005; Polvani and Waugh,2004）， 而且平流層的一些變化可通過與對流層的相互作用過程對季節內尺度的對流層環流和天氣變化產生重要影響（黃榮輝等, 2018）。最受關注的當屬平流層極渦異常信號的“向下傳播”。Baldwin and Dunkerton（1999） 和Baldwin and Dunkerton（2001） 發現在季節內尺度上， 較強的平 流 層 北 半 球 環 狀 模（Northern Annular Mode,NAM）異常信號可以向下傳播到地面， 表現為同位相的北極濤動（Arctic Oscillation, AO）。而與表征弱極渦的NAM 負位相對應的AO負位相又往往伴隨大氣環流經向性和波活動的加強，有利于大范圍寒潮低溫的發生（e.g., Balling and Lawson, 1982;Thompson and Wallace, 1998, 2001; Moritz et al.,2002; 陳文和康麗華, 2006）。因此，弱極渦或平流層 爆 發 性 增 溫（Stratospheric Sudden Warming,SSW）事 件（Craig and Hering, 1959; Finger and Teweles, 1964; 鄧淑梅和陳月娟, 2006） 發生前后1～2個月往往伴隨著中緯度大范圍極端低溫事件的發生（Thompson et al., 2002; 胡永云, 2006; 顧雷等, 2008; 陳文和魏科, 2009; 向純怡等, 2009; 李琳等, 2010; Kolstad et al., 2010; 楊光等, 2012; 陳文等,2013; Chen et al., 2015; Yu et al., 2015b; Zhou et al.,2020）。平流層極渦的形狀、位置可進一步影響寒潮或極端低溫發生的時間和區域，比如：在極渦偏心型SSW事件前/后2～3周，美國東南部偏暖/偏冷，歐亞偏冷/偏暖；而在極渦分裂型SSW事件前后1個月內，兩個大陸同時偏冷的概率顯著增加（Mitchell et al., 2013; Kidston et al., 2015; Lehtonen and Karpechko, 2016）；平流層極渦向歐亞大陸、北美大陸和大西洋偏移的事件分別使歐亞、北美和格陵蘭異常偏冷，極渦偏向歐亞大陸時往往伴隨AO負位相持續時間偏長、強度偏大（Huang et al.,2018; Lu et al., 2021）。這一系列研究將NAM和AO這兩個環狀模態的天氣指示意義提上了一個新高度，平流層—對流層耦合過程的存在為平流層信號在冬季中、短期預測中的應用提供了可能。

關于平流層向下影響對流層的機制，主要有波流 相 互 作 用 理 論（Matsuno, 1970; Kuroda and Kodera, 1999）、波 折 射 理 論（Limpasuvan et al.,2004; Haynes, 2005）、非 局 地 位 勢 渦 度 響 應（Hartley et al., 1998; Ambaum and Hoskins, 2002;Black, 2002）以及等熵大氣經向質量環流冷暖支耦合理論（Johnson, 1989; Cai and Ren, 2007; Ren and Cai, 2008; Yu et al., 2014, 2015a, 2015b, 2015c,2018a; Cai et al., 2016; Yu and Ren, 2019）。波流相互作用理論（Charney and Drazin, 1961; Kuroda and Kodera, 1999; Shindell et al., 1999; Hartmann, 2000）認為只有較大尺度的行星波在基流速度略大于波相速度的條件下才能上傳至平流層。對流層波動上傳影響平流層基流后，平流層西風基流的減弱可反過來影響對流層波動的垂直傳播，使得波動可以上傳到的臨界高度逐漸降低，形成緯向風、位勢高度等環流異常從平流層到對流層的向下傳播特征。波折射理論強調了平流層環流“波折射性”對行星波傳播的調控作用，認為對流層羅斯貝波通量的上傳，可將對流層AO/NAM的變化信號傳遞給平流層，但該波動通量會受到平流層低層基流的折射性質影響 而 改 變 方 向（Hartmann, 2000; Limpasuvan and Hartmann, 2000），形成行星波上傳進入平流層的向赤道和向極地傳播的兩支波導，以及在平流層高層反射向對流層的波動傳播路徑（Perlwitz and Harnik, 2003）。非局地位勢渦度響應機制（Hartley et al., 1998; Ambaum and Hoskins, 2002; Black, 2002）是指平流層低層的位勢渦度異常可激發瞬時經向環流，從而引起對流層溫度、風場等的同步變化。

近些年，等熵大氣經向質量環流理論為平流層—對流層動力耦合及其天氣氣候效應相關的物理過程和機制研究提供了新思路和新視角。等熵大氣經向質量環流是以位溫（或熵）作為垂直坐標用于研究大氣環流分布的理論框架（Johnson, 1989; Cai and Shin, 2014）。在等熵面上定義的經向質量環流可以更直接、更客觀地量化各緯度帶內的冷暖空氣輸送。極赤地區的非絕熱冷卻和加熱與西風帶大氣斜壓波的存在，決定了等熵大氣經向質量環流呈現為半球尺度的單圈環流，由熱帶地區的上升支、高層由赤道向極地的暖支、中高緯度地區的下沉支以及低層由極區向赤道的冷支組成。高層暖支表征低緯度暖空氣向極輸送的強度，主導著平流層NAM和平流層極渦的強度變化（Yu et al., 2018a），而低層冷支則表征了極區冷空氣向南輸送或冷空氣南侵的強度及其路徑，從而與中緯度的寒潮爆發和極端低溫的發生緊密相關（Iwasaki and Mochizuki,2012; Iwasaki et al., 2014; Yu et al., 2015a, 2015b;Liu and Chen, 2021; Liu et al., 2021）。

等熵大氣經向質量環流向極暖支和向赤道冷支之間的耦合變化，反映了平流層—對流層動力耦合的 過 程（Cai and Ren, 2006, 2007; Ren and Cai,2006, 2007, 2008; Yu and Ren, 2019）。伴隨平流層極渦振蕩或NAM事件的向下影響以及異常信號的系統性經向傳播，可由等熵大氣經向質量環流向極暖支和向赤道冷支之間的先后同位相變化來解釋。例如，SSW發生前的大氣行星波活動及經向交換加強，首先表現為經向質量環流暖支的自上而下逐層異常加強，反映在環流異常場上即為動力和熱力異常信號的同時向下和系統性向極傳播（Cai and Ren, 2006, 2007; Ren and Cai, 2006, 2007, 2008）;由于質量環流暖支逐層加強及其所造成的SSW發生時的平流層極區逐層異常增暖，往往領先于對流層質量環流向赤道冷支的異常加強，高層的暖異常因而與對流層極區的冷異常相對應，即呈垂直反位相變化。換言之，大多數情況下平流層向下傳播的暖異常信號實際并不能下傳到對流層（Ren and Cai, 2007）。Yu and Ren（2019） 的研究進一步指出，大氣經向質量環流高層向極地暖支和低層向赤道冷支之間的不同的耦合變化，決定了平流層—對流層環流動力耦合的特征。當平流層暖支與對流層冷暖支呈同位相變化時，對流層溫度異常信號則滯后于平流層信號而呈向下傳播特征，反之亦然。等熵大氣經向質量環流平流層向極暖支和對流層低層向赤道冷支之間的耦合關系存在多個主導演變模態，決定了平流層向下影響的不確定性（Yu and Ren,2019）。此外，平流層NAM與地面AO之間的同位相關系也可用等熵大氣質量環流理論解釋。對質量與溫度異常的定量分析表明，在AO負位相的冬季，等熵大氣經向質量環流往往異常偏強，早冬高層暖支將更多的暖空氣向極區輸送，導致平流層出現異常暖高壓（NAM負位相），平流層暖支的加強略早于低層向赤道冷支，使得整層氣柱質量盈余，低層極區也出現高壓（AO負位相），形成極區看似 “正壓”的結構（Cai and Ren, 2007; Yu et al.,2014）。總之，大氣經向質量環流高低層支之間的耦合變化，決定了平流層與對流層的動力耦合特征，關注大氣質量環流的異常變化，是理解平流層向下影響對流層寒潮低溫的重要途徑。

2020/2021年冬季，發生了一次偏心型強SSW事件，持續時間較長，且在其發生前后伴有多次破紀錄的寒潮低溫事件在東亞和北美發生。本文擬圍繞該典型個例，通過分析等熵大氣質量以及經向質量環流的變化特征、考查相關的動力過程，厘清以下三個問題：（1）此次強SSW事件前后中高緯度大范圍地面溫度的異常演變特征是怎樣的？（2）等熵大氣經向質量環流平流層向極暖支和對流層向赤道冷支的耦合模態如何？（3）平流層極渦異常是如何通過等熵大氣質量異常與中高緯度大范圍地面溫度建立緊密聯系的？

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用歐洲中期預報中心提供的ERA5逐小時再分析資料集，時間從1979年1月1日至2021年2月28日。水平分辨率為1.5°×1.5°，垂直方向共有32層，分別從1000 hPa到10 hPa。文中使用的要素場包括：地面溫度場、地面風場和三維位勢高度場、溫度場、風場。本文首先對24小時逐時數據進行日平均處理得到逐日要素原始場；再將1月1日至12月31日每天的要素原始場進行多年平均（1980～2020年），得到氣候平均場；最后從要素原始場中去除氣候平均場，得到各要素的距平場。

2.2 方法

2.2.1 冷面積指數

為表征不同地區整體的冷暖情況，本文使用Cai（2003） 和Yu et al.（2015a）定義的冷面積指數，即某區域2 m溫度距平（SAT′）低于?0.5倍局地標準差（LSD）的格點數占該區域所有格點數的百分比。表達式如下所示：

2.2.2 等熵層內的大氣質量和經向質量通量

參照Pauluis et al.（2008, 2010, 2011） 和Yu et al.（2014, 2015a, 2015b, 2015c）計算等熵大氣經向質量環流的方法，首先利用σ坐標系將各氣象要素插值到從σ=1（地表）到σ=0（大氣層頂）等分為200份的等σ面上，兩個相鄰等σ面之間的單位面積空氣質量（δmσ）可表示為

其中，δσ=1/200；Ps是逐日地面氣壓；g是重力加速度（9.8 m s?2）。其 次，取16個標準等熵 面（Θn=250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K、315 K、330 K、350 K、370 K、400 K、450 K、550 K、650 K、850 K、1200 K）。將相鄰等σ面間位溫落在兩個等熵面Θn和Θn+1中的空氣塊質量或經向質量通量累加，可得到某個格點上等熵面Θn和Θn+1之間等熵層內的空氣質量與經向質量通量，記在該層的下等熵面Θn上，公式如下：

其中，t是時間；v(λ,φ,σ,t) 是經向速度；當Θn≤θ＜Θn+1時，Y(θ,Θn,Θn+1)=1，否則Y(θ,Θn,Θn+1)=0。 由于逐日地面最低位溫可能低于260 K，大氣層頂位溫可能高于1200 K，本文計算了低于260 K、高于1200 K的等熵空氣質量與經向質量通量，分別記在250 K等熵面和1200 K等熵面上：

其中，H（x）是赫維賽德函數。

緯圈積分的等熵大氣質量（M）、經向質量通量（MF）計算公式如下：

其中，Aφ為格點面積，其表達式如下：

式中，R為地球半徑（取6378 km）；?λ、?φ表示兩格點之間的經、緯度差；nx為緯向格點數。

在北半球各個緯度，大氣低層總有MF負值，表示有凈的向南冷空氣質量輸送，被稱為向赤道冷支（CB），與寒潮低溫緊密相關（Cai and Shin,2014; Yu et al., 2014, 2015a, 2015b, 2015c）；而 在對流層高層和平流層總有MF正值，表示凈的向北暖空氣質量輸送，被稱為向極地暖支（WB），是引起高層極渦振蕩變化的主導因素（Yu et al.,2018a）。向赤道冷支與向極地暖支的分界等熵面Θn(t)，則定義為從Θn等熵面處向下積分的質量流函數的負極值所在層。經計算，對于冬季逐日資料來說，冷暖支分界面的變化范圍維持在270～290 K之間。而Iwasaki and Mochizuki（2012） 和Iwasaki et al.（2014）將低于280 K的空氣質量定義為冷空氣質量；Cai and Shin（2014）給出的冬季平均狀態下60°N左右的冷暖支分界面是280 K；Cai et al.（2016）、Yu et al.（2018a, 2018b, 2018c）用400 K以上的經向質量通量表征與SSW緊密相關的平流層中上層環流強度。結合計算結果與前人工作，本文關注60°N的大氣經向質量環流，用280 K以下、280 K～315 K、400 K以上三個等熵層內的總經向質量通量表征冷支、對流層暖支、平流層暖支的強度。進一步采用傅立葉變換方法，將經向風速分解，取代原始風速場代入公式（4）～（6），計算可得大氣經向質量環流各分支強度的1波和2波分量。

2.2.3 行星波振幅和傾斜度計算

參照Zhang et al.（2013） 的研究，行星波振幅（WA）的計算公式如下：

其中，p表示氣壓；z表示位勢高度場；是緯向平均算子。WA正距平表征位勢高度場的緯向非對稱性偏高或波動振幅偏大，而負距平則表征位勢高度場的緯向對稱性偏高或波動振幅偏小。

參照Cai et al.（2014）的方法，計算行星波西傾角度（WT）指數的公式如下：

其中，z和T分別代表位勢高度場、溫度場，rz,T代表位勢高度和溫度場在經度上超前/滯后j?λ的相關系數，其表達式如下：

公式(10)中的K(φ,p,t)表示位勢高度場的有效波數，其表達式為

式中，rz,z是高度場在經度上超前/滯后j?λ的自相關系數。行星波西傾角度為正/負值時表示行星波向西/東傾斜，波動斜壓性偏強/弱，有利于行星波向上/下傳播。60°N 附近西傾角度指數的冬季氣候平均為正值，這意味著中高緯度地區冬季天氣氣候主要受結構呈垂直向西傾斜的斜壓不穩定波動控制。

3 2020/2021年 冬 季SSW爆 發 前 后平流層環流與地面溫度的演變特征

在2020/2021年冬季，北極發生了一次持續時間較長的強SSW事件。為了探究其環流特征，圖1給出了2020年12月至2021年1月平流層10 hPa極區平均溫度場和極夜急流核心緯度帶緯向平均緯向風隨時間的演變以及2020年12月26日、2021年1月5日和 15日10 hPa位勢高度及其距平的水平分布。由圖1a可以看出，繞極緯向風與極區溫度之間呈明顯的反相關關系，相關系數高達?0.814。從12月24日開始，10 hPa極區快速升溫，于次年1月4日達到峰值，較24日而言，溫度增幅達50 K。同時，10 hPa緯向西風自12月24日起迅速減弱，并在1月5日轉為東風，東風持續到1月20日。若以10 hPa繞極東風自出現到結束作為SSW持續階段（在圖1d中用紫色陰影標出），此次SSW事件自1月5日始，至1月20日止，持續16天，相比往年偏長。從位勢高度場的變化可知，前期（12月26日）有高壓中心從白令海峽侵入極區，使得極渦中心向大西洋和歐洲偏移（圖1b），隨著高壓中心進一步侵入極區，1月5日低壓中心一分為二（圖1c），分別位于歐洲和北美上空，隨后主要負位勢高度異常中心移至歐亞大陸北部地區上空，正位勢高度異常中心偏向北美（圖1d）。本次SSW期間的極渦形態結構表現為“兩極”分布的位勢高度場，繞極東風主要位于歐亞一側，屬于典型的偏心型增溫事件（Charlton and Polvani,2007）。關于本次SSW具體特征，前人工作（Lee,2021; Lu et al., 2021; Zhang Y X, et al., 2022）已作詳細描述。

圖1 （a）2020/2021年冬季10 hPa 60°N緯向平均緯向風（單位：m s?1） 和60°N～90°N平均溫度（單位：K）時間序列 [伴隨平流層爆發性增溫（Stratospheric Sudden Warming, SSW）爆發的繞極西風轉為東風時段由紫色陰影標出；二者相關系數標于右上角]；（b）2020年12月26日、(c) 2021年1月5日、(d) 2021年1月15日10 hPa位勢高度（等值線，單位：dagpm）及其距平（填色，單位：dagpm）Fig. 1 (a) Time series of the average zonal wind at 60°N (units: m s?1) and temperature averaged over 60°N–90°N (units: K) at 10 hPa during 2020/2021 winter (the purple shaded box indicates the period when the subpolar westerly became easterly; the correlation is shown in the top-right) and the geopotential height (contours, units: dagpm) and its anomaly (shadings, units: dagpm) at 10 hPa on (b) December 26, 2020, (c) January 5, 2021, and(d) January 15, 2021

繞極60°N緯向風、極區60°N～90°N平均高度場及其距平的高度—時間演變特征（圖2a，b）表明，此次強SSW事件前后存在顯著的平流層—對流層耦合過程。首先，高度場與風場在平流層與對流層環流呈現出相似的異常特征。就繞極緯向風而言，伴隨SSW事件的繞極東風可下延至50 hPa，緯向風負距平從2020年12月底至2021年2月中旬一直持續存在于300 hPa以上的對流層高層和平流層中，對流層中低層也由緯向風負距平所主導（除1月10日、15日、2月5日附近有弱西風異常之外）。同時，極區平均的位勢高度正距平基本與繞極緯向風負距平相對應，二者均有顯著的向下延伸特征，地面北極濤動呈負位相（圖6d）。其次，平流層與對流層環流異常之間存在一定的超前滯后關系，可能與對流層向上和平流層向下的雙向影響過程有關。具體地，在SSW發生前（12月中下旬），對流層的緯向風負距平和極區高度正距平略早于SSW的爆發時間（即1月5日繞極西風轉東風），反映對流層大尺度波動向上傳播從而削弱平流層極渦的過程。而次年1月起，平流層緯向風與位勢高度距平大值時段則略早于對流層大值時段（即1月中下旬至2月上旬），可能對應于平流層弱極渦異常信號的向下影響過程。這種伴隨SSW的平流層極區環流異常相對于對流層大尺度環流具有2～3周的超前性，驗證了陸春暉和丁一匯（2013） 以及Baldwin and Dunkerton（1999, 2001）的結論。但需要注意的是，相比于平流層，對流層繞極緯向風負距平與極區位勢高度正距平的變化明顯偏快，其中1月中下旬至2月上旬的同號異常信號再次加強，這有可能受平流層調控，但不排除對流層自身變率的重要作用。

圖2 （a）60°N平均緯向風（單位：m s?1）、 60°N～90°N極區平均的（b）位勢高度（單位：gpm）和（c）溫度（單位：K）的原始場（等值線）和距平場（填色），以及（d）60°～90°N積分的等熵大氣質量距平（填色，單位：1014 kg）和各層向上積分的質量距平（等值線，單位：1014 kg）的時間—高度剖面。黑色粗橫實線表征最接近于對應緯度冬季氣候平均對流層頂氣壓的等壓面（150 hPa）及等熵面（315 K）；（c）和（d）中的演變廓線分別為 300 hPa以下平均的極區溫度距平以及280 K以下冷空氣的總質量距平（紫色陰影同圖1d，黑色豎虛線為基于對流層溫度及空氣質量距平的時間分段）Fig. 2 The time–height cross sections of the total field (contours) and the anomaly field (shadings) of (a) 60°N zonal average zonal wind (units: m s?1),60°N–90°N mean (b) geopotential height (units: gpm) and (c) temperature (units: K), and (d) the isentropic mass anomaly (shadings, units: 1014 kg) and the accumulated mass anomaly (contours, units: 1014 kg) above each isentropic level integrated over 60°N–90°N. Black thick horizontal lines indicate the pressure levels and isentropic level that are closest to the winter mean tropopause level in the corresponding latitudes; the time series of the polar mean temperature anomaly (TA) averaged over isobaric levels below 300 hPa and the cold air mass anomaly (MA) below 280 K are superimposed in(c)–(d) (the purple shaded box is the same as that in Fig. 1d and the black vertical dashed lines indicate periods divided based on the tropospheric temperature evolution)

雖然繞極緯向風與極區平均高度距平場存在看似下傳的特征，但從極區平均的溫度和冷暖空氣質量距平的演變（圖2c，d）來看，平流層極渦異常信號并非從平流層直接下傳到地面。在SSW發生的1月，極區積分的各等熵層空氣質量距平由上到下表現為正（平流層，315 K以上）、負（對流層中高層，290～315 K）、正（對流層低層，280 K以下）的“三明治”垂直結構。在平流層，暖空氣質量正距平信號存在顯著的向下傳播特征，但這種傳播到對流層頂即結束。而極區溫度取決于相對更暖的空氣總質量（即某等熵面以上的空氣質量總和，如圖2d等值線所示）或者等熵面上凸/下凹形變（Cai and Ren, 2007; Yu and Ren, 2019），因 而溫度異常信號可從平流層向下到達對流層高層。如圖2c所示，高層有溫度正距平在1月呈現下傳特征，傳至對流層高層（300 hPa），而以下層次有弱的溫度負距平，呈現“高低層相反”的極區溫度距平垂直結構。這種等熵大氣質量在垂直方向上的“三明治”結構及其與溫度的關系在SSW事件前期和后期也有清楚體現，可歸納為平流層暖空氣質量的負距平對應于極區平流層溫度偏低；對流層中高層暖空氣質量的正距平和低層冷空氣質量的負距平，對應于對流層中低層極區溫度偏高。這種極區溫度“高低層反相”、大氣等熵面質量“三明治”的垂直結構特征在極渦振蕩過程中十分常見，表明平流層異常信號并不直接下傳，而可能是大氣經向質量環流向極地暖支和冷支耦合變化的結果（Cai and Ren, 2007; Yu and Ren, 2019）。

由于本次強SSW事件前后包含了平流層與對流層雙向影響的復雜過程，且平流層與對流層環流的階段特征不同，需要分別確定關鍵研究時段。平流層關鍵階段可重點關注SSW發生時段，而對流層關鍵階段則根據300 hPa以下層次的極區平均溫度和對流層內（315 K以下）等熵質量距平的演變特征進行劃分（圖2c，d），分別為前期（12月21至1月14日）、中期（1月15日至2月9日）、后期（2月10至2月28日）。

本次SSW事件前期和后期的極區低層偏暖與中緯度大范圍寒潮低溫事件緊密相關。由三個階段平均的中高緯20°N～90°N地面2 m溫度距平水平分布（圖3）可知，在前期（圖3a），伴隨在巴倫支海—喀拉海及其北部極地地區的顯著正溫度距平，亞洲大陸和西歐地區基本處于負溫度距平的控制之下，0°C等溫線南至30°N，對應于發生在東亞地區2020年12月29～31日和2021年1月6～8日的2次連續“霸王級”寒潮，均達到極端低溫標準（Dai et al., 2022; Zhang X D et al., 2022）。這一中高緯地面溫度的異常分布也被稱為“暖北極—冷歐亞”模態（Zhang et al., 2021）。而此時北美大陸以正溫度距平為主，歐亞地區以負溫度距平為主，即地面溫度呈一波型分布。在中期（圖3b），歐亞大陸中緯度地區開始回暖，而次極地（60°N～75°N）溫度負距平加大，北美地區的溫度負距平控制了包括阿拉斯加在內的西海岸北部地區。后期（圖3c），伴隨北冰洋地區顯著的溫度正距平，北美大陸的溫度負距平沿落基山脈長驅直下，席卷了除東海岸之外的北美洲大部分地區，加拿大和美國出現了百年一遇的超級降溫和極端低溫事件，與此同時的極區和歐亞中緯度地區則以溫度正距平為主，呈現出“暖北極—冷北美”模態。三個階段平均的280 K以下累積冷空氣質量距平場（圖3等值線）與地面溫度距平場存在顯著負相關，再次驗證了冷空氣質量增多/減少可直接導致近地溫度的降低/升高。

圖3 2020/2021年SSW事件各階段平均的20°N～90°N地面2 m溫度距平（填色，單位：°C，紫色等值線為0°C線）和低于280 K的冷空氣質量距平（等值線，單位：1012 kg，藍/紅色表示正/負距平）的水平分布：(a) 12月21至1月14日、 (b) 1月15至2月9日、(c) 2月10至2月28日Fig. 3 Horizontal distribution of the 2-m temperature anomaly (shadings, units: °C, purple isoline is the 0°C line) and cold air mass anomaly vertically integrated below 280 K (contours, units: 1012 kg, blue/red contours indicate positive/negative values) averaged over each period of the SSW event in 2020/2021 winter: (a) December 21–January 14; (b) January 15–February 9; (c) February 10–February 28

為了更加清楚地呈現大陸尺度低溫事件的時間演變特征，圖4分別給出了中緯度、高緯度地區大陸所有經度范圍、歐洲范圍、亞洲范圍和北美范圍內冷、暖面積指數的5天滑動平均時間序列。由圖4a可知，在此次SSW事件前后，北半球整個中緯度地區的冷面積指數CM并無顯著高于氣候態的時段，高緯度暖面積指數WH與中緯度的冷面積指數CM反相變化特征除前期之外也不明顯。這是因為伴隨此次SSW事件的地面溫度距平具有顯著的區域性特征：亞洲中緯度地區的冷面積指數CM在前期偏高，從12月23日開始顯著上升，在12月31日達到峰值80%，從1月7日開始回落，與之對應的是同樣顯著升高的同經度范圍內高緯度地區暖面積指數WH（圖4c）；北美中緯度冷面積指數CM則在前期偏低，中后期顯著上升，在2月16日達到峰值60%，22日回落至氣候態水平，高緯度地區暖面積指數WH的變化與之基本一致（圖4d）；歐洲中緯度地區的冷面積指數CM分別在1月中旬、2月中旬有短暫高于氣候態的情況發生（圖4b），但持續時間和極值遠小于亞洲和北美地區。

圖4 2020/2021年冬季（a）北半球大陸地區、（b）歐洲、（c）亞洲和（d）北美經度范圍內的中緯度冷、暖面積指數（CM、WM）和高緯度冷、暖面積指數（CH、WH）的時間序列。指數均做了5天滑動平均處理。 黑色橫虛線為相應各指數的氣候平均值；黑色豎虛線同圖2c；紫色陰影同圖1aFig. 4 Time series of the 5-day running mean midlatitude cold- and warm-area index (CM and WM) and high-latitude cold- and warm-area index(CH and WH) within the longitude range of (a) Northern Hemisphere continent, (b) Europe, (c) Asia, and (d) North America in 2020/2021 winter.Black dashed horizontal lines indicate the climatological mean values of corresponding indices; black dashed vertical lines are as in Fig. 2c and the purple box is as in Fig. 1a

綜上，位于此次SSW事件前期和后期的兩個極區地面異常偏暖時段，分別對應著12月底至1月初連續2次亞洲寒潮爆發和2月中旬北美寒潮爆發。這種地面溫度時空演變特征可以說是偏心型SSW事件或一波主導的弱極渦事件伴隨的經典天氣 氣 候 特 征（Mitchell et al., 2013; Kidston et al.,2015; Lehtonen and Karpechko, 2016; Yu et al.,2018b, 2018c）。但與往年不同的是，此次SSW過程中，亞洲寒潮和北美寒潮的爆發時間間隔近2個月，較往年偏心型SSW事件對應的寒潮爆發時間間隔偏長。這可能與本次強SSW事件持續時間異常偏長有關，因為若以SSW事件的開始日期和結束日期計算，則在本次SSW事件繞極緯向風轉為東風前的1～2周發生亞洲寒潮，在SSW事件繞極緯向風恢復為西風后的2～3周北美寒潮爆發，這與往年結果是一致的。

4 SSW爆發前后等熵大氣經向質量環流異常變化特征

上述SSW伴隨的極區平流層增暖與“暖極地—冷中緯大陸”地面溫度異常模態，均與60°N等熵大氣經向質量環流的異常變化緊密相關。因此，本節將考查此次SSW事件爆發前后質量環流的絕熱經向分量異常變化，揭示環流的平流層暖支和對流層冷暖支的耦合模態演變，探究其調控冷暖空氣質量，進而影響平流層極渦和中緯度大范圍低溫的可能機制。

北半球冬季緯圈積分的等熵大氣質量經向通量的氣候態特征如圖5a所示，向極地暖支與向赤道冷支清晰可見。由SSW事件前后平流層向極地暖支強度的時間演變（圖5b）可知：在SSW爆發前2周，平流層向極地暖支持續偏強。平流層持續偏強的中緯度暖空氣向極地輸送，使得平流層極區暖空氣總質量正距平和中緯度暖空氣質量負距平在落后約半個月時達到極大值，導致極區顯著增溫、氣壓和溫度在中高緯度間呈蹺蹺板式變化、西風減弱，最終導致SSW爆發。在SSW爆發后，平流層向極地暖支仍維持正距平，且在1月8日附近有顯著峰值，對應于其1～2天后的10 hPa緯向平均緯向風場的第二次顯著下降（圖1a）。這次SSW爆發后平流層向極地暖支的二次加強可能是因為，此次SSW事件爆發后歐亞地區轉為東風的同時北美地區仍長期維持西風，使得對流層行星波仍有上傳窗口，波動驅動的向極地質量輸送加強，進一步減弱極渦（Yu et al., 2022），這可能是導致本次SSW持續時間偏長的原因。1月15日，平流層暖支中的MF開始轉為以負距平為主，導致極區暖空氣質量的持續減少，極渦逐漸恢復。 因此，持續偏強的平流層暖支是SSW事件爆發的重要動力原因。

圖5 （a）冬季（12～2月）氣候平均各緯度圈積分的經向大氣質量通量（MF，單位: 109 kg s?1）以及2020/2021年冬季大氣經向質量環流的（b）平流層向極地暖支（WB_ST，400 K以上）、（c）對流層向極地暖支（WB_TR，280～315 K）、（d）對流層向赤道冷支（CB，280 K以下） 內的60°N MF距平（柱狀，單位：109 kg s?1）和中緯度、高緯度地區等熵大氣質量距平（MM和HM，曲線，單位：1015 kg）時間序列。圖（b）–（d）中的黑色豎虛線同圖2c，紫色陰影同圖1a，指數均做了5天滑動平均處理，圖 (b)/(d) 中的紅/藍色“+”表示WB_ST/CB異常偏強，“–”表示WB_ST/CB異常偏弱Fig. 5 (a) The winter (December–February) climatological mean zonally integrated meridional mass flux (MF, units: 109 kg s?1) at each latitude and isentrope; the time series of the 5-day running mean 60°N MF anomaly (bars, units: 109 kg s?1) and the isentropic mass anomaly (MM and HM, curves,units: 1015 kg) within (b) the stratospheric poleward warm air branch (WB_ST, above 400 K) and (c) the tropospheric poleward warm air branch(WB_TR, 280～315 K), (d) the tropospheric equatorward cold air branch (CB, below 280 K) of the isentropic meridional mass circulation in 2020/2021 winter. The purple box in panels (b)–(d) represents the easterly period with SSW, and the 5-day running mean has been applied to all indices. In panels (b) and (d), red/blue “+” indicates that WB_ST/ CB is anomalously strong, while “?” indicates that the WB_ST/CB is anomalously weak

對流層中高層的向極暖支與對流層低層的向赤道冷支基本同步變化，呈現三個階段的特征，略微超前但分別對應于地面溫度距平的三個階段，這說明等熵大氣質量環流向赤道冷支加強/減弱是暖極地—冷中緯/冷極地—暖中緯地面溫度異常分布型的本 質原因（Yu et al., 2015a, 2015b）。具體地，12月下旬至1月13日，亦即SSW事件前期和爆發后10天內，對流層向極地暖支和向赤道冷支持續偏強，與平流層向極地暖支同位相耦合（此處的“耦合”表示質量環流各支強度異常的同期配置）。對流層冷暖支極值出現在12月28日、12月31日，另一個極值出現在12月中旬，使得中緯度地區冷空氣質量正距平逐步上升，地面溫度降低，對應于發生在東亞的1次寒潮和2次極端低溫事件。此后較長一段時間內，對流層冷暖支與平流層向極地暖支呈反位相變化關系：1月14～23日，平流層向極地暖支依然偏強，但對流層冷暖支異常偏弱；2月1～26日，亦即SSW事件爆發1～2個月，此時平流層向極地暖支已異常偏弱，但對流層冷暖支再次偏強，導致中緯度冷空氣質量增多，對應于在極渦恢復期爆發的北美寒潮低溫事件。由于大氣經向質量環流異常引起的是大氣質量和溫度的日傾向變化，是溫度的超前指示因子。因此，基于大氣經向質量環流的平流層—對流層支耦合/非耦合配置而劃分的三個特征階段，在時間上要略超前于基于冷暖空氣質量和溫度距平劃分的三個階段，分別為前期（12月21日至1月13日）、中期（1月14～23日）、后期（2月1～26日）。

以上分析表明，此次SSW事件前后，大氣經向質量環流平流層向極地暖支、對流層向極地暖支和向赤道冷支的異常變化可通過調控冷暖空氣質量異常變化，從而成為搭建平流層極渦強度—中緯度寒潮低溫有機連接的重要途徑。

雖然本節尚未探討大氣經向質量環流三支出現不同耦合配置的動力原因以及平流層在其中所起的作用，但可以看出平流層向極地暖支對北極濤動具有重要的調控作用。由圖6可知，平流層向極地暖支主導的平流層極區大氣質量異常，與整層氣柱大氣質量異常變化基本同位相；而對流層暖支和冷支帶來的質量異常變化雖然量級大，但反號抵消。因此，持續偏強的平流層暖支通過增加平流層大氣質量對1～2月北極濤動負位相的維持和加強起著重要貢獻，為大陸尺度寒潮爆發提供了有利的背景環流條件。

圖6 2020/2021年冬季（a）高緯度、（b）中緯度地區各層質量距平（單位：1016 kg）以及（c，d）整層氣柱內的總質量距平（曲線，單位：1015 kg）和北極濤動（AO）指數（柱狀）的5天滑動平均時間序列。對流層冷支內的質量距平往往與對流層暖支內的質量距平變化相反，故繪制的是反號后的量值Fig. 6 The time series of the 5-day running mean mass anomaly in (a) high latitudes, (b) midlatitudes, integrated within three branches of atmospheric meridional mass circulation (units: 1016 kg), and the total column mass anomaly in (c) high latitudes and (d) midlatitudes (curve, units: 1015 kg) in 2020/2021 winter. The Arctic Oscillation index is overlaid in panels (c)–(d). The mass anomaly in tropospheric CB is often opposite to that in WB_TR;hence, the sign of the former has been reversed

5 SSW爆發前后的行星波活動異常及其與等熵大氣經向質量環流異常的關系

本節將進一步探究為何本次強SSW事件中，等熵大氣經向質量環流的三支會呈現如上所述的耦合演變模態。根據大氣經向質量環流理論（Johnson, 1989），中緯度地區斜壓不穩定的羅斯貝波活動是熱帶外經向質量環流形成和維持的主要原因。如圖7所示，斜壓不穩定波動往往伴隨溫度場落后于高度場的溫壓配置（圖7a）。在高度槽的后部，溫度槽（冷）使等熵面上凸，更多/少空氣質量位于低/高層；而在高度槽的前部，溫度脊（暖）使得等熵面下凹，使更多/少的空氣質量位于高/低層。在高層，槽前南風引起的向極質量輸送大于槽后北風引起的向赤道質量輸送，從而形成凈的向極地質量輸送（向極地暖支）；而在低層，槽前南風向極地的質量輸送則小于槽后北風引起的向赤道質量輸送，從而形成凈的向赤道質量輸送（向赤道冷支）。因此，某等熵面上的波動振幅越大、西傾越明顯，該等熵面以上的層次將有更多的向極地輸送的大氣質量，同時該等熵面以下將有更多的向赤道輸送的大氣質量。以下將考查本次SSW事件前后平流層與對流層波動振幅和西傾角的異常變化，探究其對等熵大氣經向質量環流三支耦合變化的作用，從而理解SSW事件與寒潮低溫的內在聯系。

圖7 斜壓不穩定波動對應的位勢高度、位勢溫度以及經向風場及其引起大氣經向質量輸送機制。此處為由低層等熵面θe、中層等熵面θm以及高層等熵面θu組成的兩層模型。其中（a）為經度－緯度剖面，(b) 為與其對應的經度－垂直剖面，經向準地轉風Vg符號在圖中標出，斜直虛線分隔槽與脊Fig. 7 Schematic diagram of the geopotential height, potential temperature, and meridional wind field corresponding to the baroclinically amplifying waves, driving an isentropic meridional mass transport. This is a two-layer model composed of low-, mid-, and high-level isentropic surfaces. Panel (a)shows the longitude–latitude cross-section, and (b) shows the corresponding longitude–vertical cross section. The quasi–geostrophic meridional wind is marked, and the oblique straight dotted line separates the trough and the ridge

60°N波動振幅的時間演變（圖8b，d）顯示，波動振幅距平的變化尺度相對較慢，與大氣經向質量環流平流層暖支變化基本一致，但與對流層冷暖支的變化并不十分一致（圖5b–d）。在50 hPa以上，波動振幅在強SSW事件發生前偏大，在其發生后偏小，從1月初開始也展現出逐漸向下傳播的特征，但傳到對流層頂附近（150～200 hPa）時傳播停止。對流層內，12月下旬到1月上旬，對流層中低層有波動振幅正距平，有利于向赤道冷支的加強。但1月8日之后，波動振幅持續偏小，說明波動振幅在2月份向赤道冷支的加強變化中并不起主導作用。

反映波動斜壓性的60°N波動西傾角距平（圖8a，c）則呈現出清晰的三階段特征，其三個階段的時間與基于等熵大氣經向質量環流平流層—對流層支異常變化劃分的三個特征階段基本一致，略微超前幾天。結果表明，波動西傾角距平是上述等熵大氣經向質量環流在本次SSW事件前后三種耦合模態的主要驅動因子。以下將結合表征波動上傳環流條件的準地轉緯向平均位渦梯度（圖9），具體考查每個階段關鍵層上表征波動斜壓性的波動西傾角距平與等熵大氣經向質量環流三支耦合演變模態的聯系：

12月24日至1月9日期間，對流層頂（150 hPa附近）和對流層中低層（700 hPa附近）均被波動西傾角的正距平所占據，對流層低層西傾角峰值在12月下旬，略微超前于對流層頂峰值出現的時間（1月5～6日），說明波動斜壓性首先在對流層低層發展，由于當時有利的波動上傳條件即從對流層到平流層基本一致的準地轉緯向平均位渦梯度正距平（圖9），波動斜壓性也逐漸在平流層低層發展（圖8a，c）。此種西傾角異常配置對大氣經向質量環流三支的影響如圖10a所示。在對流層頂附近的波動異常西傾可以加強其上層次（即平流層）內向極地的暖空氣輸送，從而加強平流層向極暖支；同時可以加強其下層次（即對流層高層）內向赤道的空氣輸送，從而對對流層向極暖支具有一定的減弱作用。而對流層中低層波動的異常西傾，則有利于加強其上層次（即對流層中高層）內向極地的暖空氣輸送以及其下層次 (即對流層低層) 內向赤道的冷空氣輸送，對對流層暖支和冷支具有加強作用。值得注意的是，雖然對流層頂和對流層中低層的波動西傾正異常對對流層向極暖支的作用是相反的，但因為空氣質量集中在低層，所以對流層中低層波動西傾角的加強作用占主導。綜上，在這一階段，對流層頂和對流層中低層一致的西傾角正距平本質上是對流層斜壓波的發展和上傳，驅動了平流層暖支和對流層冷暖支的同位相加強（圖9b），進而使得低層寒潮頻發的同時平流層極渦持續削弱。

圖8 （a）60°N波動西傾角距平 [等值線，單位：(°)] 和（b）波動振幅距平（等值線，單位：km）的氣壓—時間剖面及其（c，d）關鍵層的時間序列。圖（a，b）中等值線為5天滑動平均場，填色為31天滑動平均；圖（c）中紅色/藍色“+”表示與平流層暖支/對流層冷支相關的150 hPa/700 hPa波動西傾角異常偏大，“?”表示波動西傾角異常偏小Fig. 8 The pressure–time diagram of the 5-day running mean of (a) 60°N wave westward tilt angle anomaly [contours, units: (°)], (b) wave amplitude anomaly (contours, units: km), and their 31-day running means (shadings), and (c, d) the time series of their daily values at key isobaric levels.Red/blue “+” in panel (c) indicates that the wave westward tilt at 150/700 hPa related to WB_ST/CB is anomalously large, while “?” indicates that the westward tilt is anomalously small

1月10～22日期間，對流層中低層（700 hPa附近）的西傾角距平轉為負值（圖8a，c），說明此時對流層中低層的波動斜壓性已偏弱，不利于對流層冷、暖支的加強，而同期對流層頂附近仍被上傳的斜壓發展波動（西傾角正距平）所占據，加強平流層暖支的同時減弱對流層暖支。該階段的西傾角配置（圖9f）較好解釋了平流層暖支偏強和對流層冷、暖支偏弱的反位相變化（圖9g）。

在SSW后期（2月），對流層中低層又有波動西傾角正距平出現，量值與前期相當，但此時受平流層極渦影響的準地轉緯向平均位渦梯度在平流層呈負距平（圖9），說明在平流層極渦逐漸恢復過程中波動較難上傳，因而對流層頂以波動西傾角負距平為主（圖8a，c），即為圖10k的西傾角配置。此時對流層頂的波動西傾角負距平，可以使得其上層次（即平流層）內向極地的暖空氣輸送和其下層次（即對流層高層）內向赤道的空氣輸送均減弱，從而在減弱平流層暖支的同時加強對流層暖支。對流層暖支的加強，可引起更多暖空氣在極區堆積，由于質量連續性，即刻加強低層向赤道冷支。此時若配合取決于對流層自身變率的對流層中低層西傾角正距平，則會出現平流層暖支偏弱、對流層冷支和暖支顯著偏強的平—對流層反相耦合模態（圖10l）。雖然另一個影響大氣質量環流強度的波動振幅在該階段的對流層內異常偏小（圖8b，d），但對流層冷支強度卻與12月底至1月初相當（圖5d）。這說明了伴隨平流層極渦恢復，對流層頂波動西傾角負距平或偏弱斜壓性對對流層冷暖支的加強起了不可忽視的正貢獻，有利于寒潮低溫事件在此階段的發生。這也解釋了極端低溫為何容易出現在SSW爆 發 后 的1～2個 月 內（Thompson and Wallace,1998, 2001）。

圖9 60°N準地轉緯向平均位渦（PV）梯度距平(等值線，單位: 103 s-1）的氣壓—時間剖面。等值線為5天滑動平均場，填色為31天滑動平均場；正值/負值表示該層環流條件有/不利于波動的上傳Fig. 9 Pressure–time cross section of the 5-day running mean fields of 60°N quasi–geostrophic zonal mean potential vorticity (PV) gradient anomaly(contours, units: 103 s?1) and its 31-day running means (shadings). The positive values correspond to the circulation condition, making it easier for the waves to propagate upward, while the negative values tend to be favorable to the wave reflection and/or absorption

圖10 2020/2021年冬季SSW事件前后三個階段內波動西傾角以及大氣經向質量環流三支強度異常、極區等熵大氣質量與溫度異常垂直結構的概念圖。[WT、MF'、(dM/dt)'、M'、T'分別表示60°N波動西傾角、60°N經向質量通量距平、極區等熵質量距平的日傾向變化、極區等熵質量距平、極區溫度距平；第一列組圖中實線表示本次事件時段西傾角度，虛線表示冬季氣候態西傾角，“?” /“⊙”符號表示西傾角驅動的向極地/赤道質量輸送距平; 第二列組圖中向右箭頭表示異常向極地質量輸送，向左箭頭表示異常向赤道質量輸送; 第三至五列組圖中“+”/“–”表示正/負距平；針對極區等熵質量與溫度的三個階段（右側）相比于針對60°N大氣經向質量環流與波動特征的三個階段（左側）存在一定的滯后，這是因為大氣經向質量環流異常即刻引起的是質量與溫度的日傾向變化，超前于質量與溫度本身]Fig. 10 The conceptual diagram of the variations in the westward tilt angle of waves, the anomalies of the intensity of the three branches of atmospheric meridional mass circulation, and the vertical structure of polar isentropic atmospheric mass and temperature anomalies at three stages around the SSW event in 2020/2021 winter [WT, MF', (DM/DT)', M', and T' respectively represent the wave westward tilt angle at 60°N, the meridional mass flux anomaly at 60°N, a daily tendency of polar isentropic mass anomaly, polar isentropic mass anomaly and polar temperature anomaly; in the first columns, the solid line represents the westward tilt angle during each period, while the dotted line represents the climatological winter mean westward tilt angle, and symbol “?” /“⊙” indicates the poleward/equatorward mass transport anomaly driven by the anomalous westward tilt angle; the right/left arrow in the second column indicates a stronger poleward/equatorward mass transport; “+”/“?” in the third–fifth columns indicates the positive/negative anomaly values; notably, the timing of the three stages (right side) of the isentropic mass and the temperature anomalies in the polar region remain behind that of the three stages (left side) of the meridional mass circulation and the wave properties at 60°N because the anomalous meridional mass circulation immediately generates the daily tendency of mass and temperature anomalies, ahead of the individual mass and temperature anomalies]

6 結論與討論

6.1 結論

本文從有機連接平流層和對流層、定量解釋冷空氣和暖空氣變化的等熵大氣經向質量環流角度，采用1979～2021年ERA5再分析數據集，對2020/2021年冬季“偏心型”強SSW事件前后中高緯度地區地面溫度異常（尤其是中緯度大范圍異常低溫）演變特征進行了分析，同時深入探究了平流層—對流層耦合動力過程在其中的作用，尤其是平流層極渦的向下影響。主要結論如下：

（1） 寒潮低溫事件以“冷中緯—暖極地”的近地溫度異常分布型為主要特征。此次強SSW事件前后，連續、多次出現大陸尺度寒潮低溫事件：12月下旬至1月初亞洲出現2次寒潮低溫事件；2月份北美出現1次寒潮低溫事件。其中，亞洲寒潮低溫事件出現在繞極緯向風反轉為東風前2周內；北美寒潮低溫事件則出現在繞極緯向風恢復成西風后2～3周。

（2） 平流層極區溫度異常以及對流層中緯度近地溫度異常，主要歸因于60°N附近大氣經向質量環流異常帶來的經向冷暖空氣質量異常交換。在平流層，當大氣經向質量環流平流層向極地暖支異常偏強時，向極地平流層持續輸送暖空氣增多，使得平流層極區暖空氣累積、溫度升高；在對流層，當大氣經向質量環流對流層向極地暖支和向赤道冷支同時偏強時，極地冷空氣向南輸送和中緯度暖空氣向極地輸送均加強，導致以 “冷中緯-暖極地”近地溫度異常分布為主要特征的寒潮低溫事件發生。

（3） 60°N大氣經向質量環流平流層向極地暖支與對流層冷、暖支的耦合演變模態是理解伴隨SSW事件的地面溫度異常變化的關鍵。伴隨SSW事件前后的平流層極渦異常演變，大氣經向質量環流三支呈現出“三階段”的耦合演變特征，這與波動在對流層頂以及對流層中低層的西傾角或斜壓性密切相關。SSW事件前期，對流層中低層斜壓波的發展及其上傳，使得質量環流三支均加強，使得對流層向赤道冷支異常偏強，亞洲寒潮低溫爆發；同時平流層向極暖支異常持續偏強，極渦快速減弱。SSW事件中期，平流層分支仍偏強，但對流層暖支和冷支轉為偏弱。SSW事件后期，對流層斜壓波無法上傳，平流層暖支異常偏弱，極渦逐漸恢復，但對流層冷、暖支此時異常偏強，使得北美地區發生寒潮低溫。

需要強調的是，雖然對流層本身的波動斜壓性在SSW事件期間是對流層質量環流冷、暖支的重要驅動因子，但不可否認平流層環流異常對對流層的重要作用。首先，由大氣經向質量環流平流層暖支強度主導的平流層質量異常，可以決定地面北極濤動的位相，從而調控環流的經向性和大尺度極區冷空氣的向南爆發。其次，當SSW后期有對流層斜壓波發展時，極渦恢復階段的平流層基流不利于波動上傳，對流層頂和平流層低層的波動西傾角異常偏小，使得其下方（對流層高層）向赤道質量輸送比SSW發生前期弱得多，從而為對流層暖支的增強提供有利條件，而質量連續性又進一步導致對流層冷支同時加強，有利于極地冷空氣的向南爆發（Yu et al., 2015a, 2015b, 2015c）。因此，本文從大氣經向質量環流角度揭示了平流層SSW事件或NAM負事件后1～2個月內容易發生大范圍低溫事件的可能原因，即平流層的向下影響。

6.2 討論

本文所提出的2020/2021年冬季大范圍低溫寒潮過程中的平流層—對流層耦合演變模態是否具有典型性，其對寒潮事件預報有沒有一定的理論和應用價值，值得深入探討。Yu and Ren（2019）統計歸納了北半球平流層環狀模（NAM）正負事件中最為常見的大氣經向質量環流平流層—對流層分支耦合演變型。經對比不難發現，本次SSW事件過程前后，中高緯度地區的溫度異常、大氣經向質量環流三支耦合演變特征及其主要驅動因子——波動西傾角上下配置，與Yu and Ren（2019）提出的NAM負位相事件中極區平流層溫度下傳滯后的平流層—對流層耦合類型（即ST_EOF1+＆WBCB_EOFn–,n=1～4）十分相似，此類事件信息如表1所示。這些以極區平流層溫度下傳滯后為主要特征的弱極渦事件具有重要的預報意義，因為平流層質量環流信號往往可以超前于極區的異常增暖和寒潮低溫事件。

表1 極區平流層溫度下傳滯后的平流層—對流層耦合類型（ST_EOF1+＆WBCB_EOFn– , n=1～4）的北半球環狀模（NAM）負位相事件Table 1 Information of negative Northern Annular Mode(NAM) events belonging to the stratosphere–troposphere coupling type characterized by a downward propagation of polar temperature anomalies from the stratospheric levels(ST_EOF1+＆WBCB_EOFn– , n=1–4)

那么，此類弱極渦事件有無顯著的前兆信號（如: 阻塞高壓、波動來源和波動尺度）？這是需要進一步探究的重要工作。本文針對波動尺度，做了初步研究。從本次SSW事件前后一波和二波波動驅動的大氣經向質量環流分量的演變特征（圖10a，b）來看，在SSW前期和中期平流層向極地暖支偏強主要由一波分量貢獻。一波上傳引起大氣經向質量環流平流層暖支、對流層冷暖支共同加強的主導尺度波動。一波的加強往往伴隨向極暖空氣從東亞進入極區平流層、冷空氣從極地向東亞爆發（Liberato et al., 2007; Martius et al., 2009; Castanheira and Barriopedro, 2010; Kuttippurath and Nikulin, 2012;Yu et al., 2022），有利于偏心型 SSW事件和東亞寒潮低溫的爆發。這種經向質量通量一波分量的加強與秋季海冰的異常偏少以及中緯度東北太平洋的異常偏暖緊密相關（Zhang et al., 2021; Yu et al.,2022）。后期，對流層向赤道冷支的加強則主要由二波分量貢獻（圖10b）。但與此同時，平流層暖支的二波分量偏弱，表明尺度稍小的對流層二波此時似乎無法上傳，無法同時起到加強平流層暖支、減弱對流層暖支的作用。也就是說，平流層作用類似于一個蓋子，將二波波動限制在對流層，使其波動能量集中用于驅動對流層低層的冷暖空氣交換和寒潮爆發。進一步考查以極區平流層溫度下傳滯后為主要特征的NAM負事件超前滯后合成分析結果可知，這類NAM負事件在主導驅動大氣經向質量環流變化的波動尺度方面與本次SSW事件具有一定的共性（圖11a，b vs. 圖11c，d)。將弱極渦峰值日（圖11c，d中的0天）和本次SSW事件東風峰值日2021年1月15日對齊比較可知，在弱極渦峰值日之前，均有一波分量的異常偏強，二波分量有階段性偏強，但其驅動的平流層暖支和冷支內的質量通量二波分量遠小于一波分量；在弱極渦峰值日后15～30天，對流層二波波動加強且不能上傳到平流層，使得冷支內的質量通量二波分量主導冷支的加強。綜上，前期一波加強、后期二波加強的弱極渦事件，往往更易出現如本次SSW事件前后的寒潮低溫特征。其它前兆信號將在未來工作中做針對性研究。

圖11 2020/2021年冬季（a）平流層向極地暖支、（b）對流層向赤道冷支內60°N的經向質量通量距平（柱狀）及其1波分量（實線）、2波分量（虛線）的時間序列（單位：109 kg s-1）。（c）–（d）同（a）–（b），但為1979–2011年冬季極區平流層溫度下傳滯后的平流層—對流層耦合類型的NAM負位相個例峰值超前/滯后合成。距平均做了5天滑動平均處理Fig. 11 The time series of the 5-day running mean 60°N MF anomalies (bars, units: 109 kg s-1) and their wavenumber-1 (solid line) and wavenumber-2 (dashed line) components within (a) WB_ST and (b) CB in 2020/2021 winter. Panels (c)–(d) are the same as (a)–(b) but reflect the lead/lag composite mean MF anomaly from 40 days before to 40 days after the peak dates of the negative Northern Annular Mode events of the stratosphere–troposphere coupling type with a clear lag in the downward propagation of the polar stratospheric temperature anomaly to the lower troposphere in the 1979–2011 winters