寒潮是北半球冬季最为重要的极端天气事件之一，气象部门对寒潮发生时间和地点的精准预报是减灾防灾决策部署的重要参考依据，对保障人民群众生命财产安全至关重要。以往的研究多表明，在北极平流层极涡减弱条件下或平流层爆发性增温发生时，北半球多数地区的寒潮可能存在频发、重发倾向，但也有研究指出仅有5%的大陆寒潮事件发生在平流层爆发性增温事件前后两周内，且即使在平流层极涡偏强期间，也可能发生北半球大陆寒潮事件。这些研究结果一方面证明了平流层极涡异常作为寒潮预报因子的重要性，另一方面也表明平流层极涡异常与寒潮的对应关系极其复杂，这可能与在平流层极涡振荡变化的不同阶段地面温度有明显的转变有关。

针对这一问题，我院中层大气团队虞越越教授及研究生余雪婷、杨煦慧等，与中国科学院大气物理研究所任荣彩研究员、天津市气象局李亚飞博士开展了合作研究，以50hPa北半球环状模（SNAM）正、负事件的演变过程表征平流层极涡振荡变化，明晰了在SNAM 各个位相阶段，亚洲、欧洲和北美寒潮的发生概率、发生位置、温度分布型，并揭示了其中的平流层-对流层相互作用过程及机理，成果发表在《Climate Dynamics》。该研究得到了以下三点主要结论：

（1） 在SNAM事件的正负相位期间，均可发生大陆性寒潮（图1）。当SNAM指数下降（即：平流层极涡减弱）时，寒潮倾向于发生在亚洲，地表温度异常呈“中纬度冷-高纬度暖”的经向偶极子型分布（图2c）；而当SNAM指数上升（即：平流层极涡增强）时，寒潮则倾向于发生在北美洲和欧洲，地表温度异常呈经向均匀型分布(图2b，图2c反位相)。

（2） SNAM减弱主要受等熵经向质量环流中异常偏强的平流层向极暖支（WB-ST）控制，而大陆性寒潮总是与等熵经向质量环流中异常偏强的向赤道冷支(CB)相伴发生。大多数SNAM相位表现为平流层-对流层环流耦合，即异常偏强的平流层向极暖空气输送对应于偏强的向赤道冷空气输送（图3）。波动在驱动和调控等熵大气经向质量输送中起主导作用，而亚洲次极地地区异常加强/减弱的向上波通量，主导控制着从中对流层到低平流层均有波通量的辐合/辐散，波动振幅从对流层到平流层一致加大/减小。这是亚洲寒潮在平流层极涡减弱阶段更为频发的主要原因。

（3） 在其余SNAM相位，随着持续异常偏弱的平流层向极暖空气输送（对应平流层极涡开始恢复或加强阶段），向赤道冷空气输送却可短暂地在北美和欧洲路径上加强，使得北美和欧洲寒潮更为频发。这主要与变化更快的波动斜压性异常、波通量向北美洲或欧洲的反射过程有关(图3)。

论文信息：

Yu, YY, RC Ren*, YF Li, XT Yu, XH Yang, BW Liu, M Sun. 2024:  Continental cold-air-outbreaks under the varying stratosphere-troposphere coupling regimes during stratospheric Northern Annular Mode events. Clim Dynam, https://doi.org/10.1007/s00382-024-07275-2

图1. 基于EOF分析的欧亚大陆、北美大陆区域主要寒潮分布型

图2.构建所选冬季正、负SNAM事件41个相位后，基于相位合成的各类寒潮分布型所对应的时间系数。上方横坐标轴为SNAM事件的相位，下方横坐标轴为相对于SNAM事件峰值日期的平均滞后天数

图3. 耦合和非耦合情形下环流与中高纬度地区地面温度异常的关系和机理示意图。SNAM指数降低阶段（左）和增加阶段（右）（a）波特性（包括振幅和西倾角度）和波传播变量（包括Plumb波活动通量和E-P通量散度）以及（b）在等熵经向质量环流各分支的异常特征。