近年来北极出现了罕见的臭氧损耗事件，给人口密集的北半球中高纬地区带来了健康威胁，对天气气候也产生显著影响。已有研究指出，除了化学过程之外，平流层强极涡还可通过动力过程与北极臭氧损耗事件之间建立联系。前人研究多关注平流层极涡强度对北极臭氧损耗的影响，然而通过回顾1979年以来的3次北极臭氧损耗事件发现，中等偏强极涡的持续性是比同期强极涡更为典型的特征。因此，平流层极涡变化的时间尺度也可能对臭氧损耗起着重要作用。

我院中层大气研究团队虞越越教授、硕士研究生吴宇峰、兰州大学张健恺教授等人基于CEEMDAN信号处理方法，将冬季表征平流层极涡强度的北半球环状模（NAM）指数分解为低频分量（NAM_L，>4个月）和高频分量（NAM_H，<2个月），主要结果如下：

（1） NAM_L的冬季演变模态对于3月北极臭氧含量至关重要。表征冬季11~3月极涡持续偏强模态（NAM_L-EOF 1）和11~1月/2~3月偏弱/偏强模态（NAM_L-EOF 2）与北极臭氧含量负异常存在紧密联系，尤其是持续偏强模态。表征3月强极涡的NAM_H演变模态（NAM_H-EOF 1）反而与臭氧含量没有显著联系，这表明极涡在3月短暂偏强不足以引起臭氧含量的显著变化；而表征前冬弱极涡的NAM_H演变模态（NAM_H-EOF 2）以及平流层爆发性增温事件，由于与冬季持续偏强极涡（NAM_L-EOF 1）的动力联系，可作为北极臭氧损耗的前兆信号之一。

（2） 两种NAM_L演变模态受到海温和海冰外强迫因子的调控。NAM_L-EOF 1正位相往往与1月中部型厄尔尼诺事件、1~2月北太平洋海温暖异常和北大西洋经向振荡（AMO）负位相、11月巴伦支海-喀拉海和2~3月巴芬湾高海冰异常有关；而NAM_L-EOF 2正位相则对应于1月拉尼娜事件、12~3月巴伦支海-喀拉海高海冰异常和12~2月巴芬湾低海冰异常。

图1. NAM_L的（a）PC 1和（b）PC 2，NAM_H的（c）PC 1和（d）PC 2与3月北极区域平均臭氧浓度的散点分布。数字表示对应年份，其中臭氧浓度小于或大于1 SD的年份分别用蓝色和红色标明。黑线和蓝线（红线）分别表示对所有冬季和臭氧含量小于（大于）气候态（418DU）的回归结果。实线（虚线）表示通过（未通过）95%的显著性检验

图2. NAM_L的（a）PC 1和（b）PC 2以及NAM_H的（c）PC 2与各月平均指数9~3月的相关系数分布。月平均指数包括：Niño3指数，Niño3.4指数，Niño4指数，PDO指数，NPGO指数，AMO指数，以及B-K海域SIE指数和巴芬湾SIE指数。海冰指数均去除了线性趋势。打点区域表示超过95%的显著性检验

相关研究成果发表在《Environmental Research Letters》。

论文信息：

Yu, YY*, YF Wu, JK Zhang, et al. 2024: Connections between Low- and High- Frequency Variabilities of Stratospheric Northern Annular Mode and Arctic Ozone Depletion. Environ. Res. Lett., 19, 044040. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ad2c24