平流层极涡异常特征、成因及其对对流层气候影响的多维度剖析

平流层极涡异常特征、成因及其对对流层气候影响的多维度剖析一、引言1.1研究背景与意义地球大气从下往上主要分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层，其中平流层是地球大气的重要组成部分，从对流层顶向上延伸至大约50-55千米高度。平流层大气运动主要以水平方向为主，且其温度结构与对流层不同，在平流层内，随着高度增加温度升高。在平流层中，存在着一个重要的环流系统——平流层极涡。平流层极涡是在高纬度地区平流层中出现的一种大规模气旋性环流系统，它在极地地区的大气环流和气候系统中扮演着举足轻重的角色。在冬季，极涡更为强盛，其中心气压较低，周围环绕着强烈的西风气流，形成一个巨大的“冷涡”。它的存在对维持极地地区的低温环境至关重要，并且与极地地区的天气、气候以及生态系统密切相关。例如，极涡的强弱和位置变化会影响极地地区的气温、降水等气象要素，进而影响极地地区的生态系统平衡，如影响极地动植物的生存环境和迁徙模式等。近年来，平流层极涡的异常变化频繁发生，引起了科学界和公众的广泛关注。如在2019-2020年冬季，北极平流层极涡出现了异常弱化和持续时间延长的现象。这种异常变化不仅对极地地区的天气和气候产生了直接影响，还可能通过大气环流的遥相关作用对全球气候和环境产生深远影响。在2008年1月，中国南方地区遭受了严重的雨雪冰冻灾害，研究发现此次灾害与平流层极涡的异常变化密切相关。当平流层极涡异常时，其对极地冷空气的“束缚”作用改变，导致冷空气的扩散路径和范围发生变化，进而影响到中低纬度地区的天气和气候。此外，平流层极涡的异常还可能对全球生态系统、农业生产、水资源分布等产生连锁反应。在生态系统方面，可能改变物种的分布范围和生存状况；在农业生产上，可能导致农作物生长环境改变，影响产量；在水资源分布上，可能引发降水模式的改变，导致部分地区干旱或洪涝灾害加剧。对流层是地球大气的最底层，也是人类活动最为密集的区域。气候变化、天气灾害、航空飞行等都与对流层的状态密切相关。而平流层极涡作为平流层中重要的环流系统，其异常变化是否会对对流层环境产生影响，以及如何产生影响，成为当前大气科学领域亟待解决的重要科学问题。研究平流层极涡异常及其对对流层的影响具有重要的科学意义和实际应用价值。在科学意义方面，有助于深入理解平流层与对流层之间的相互作用机制，完善地球大气环流理论。平流层和对流层之间并非孤立存在，而是通过各种物理过程相互联系、相互影响。研究极涡异常对对流层的影响，可以揭示这两个圈层之间能量、动量和物质的交换过程，填补大气科学在这方面的理论空白。同时，也有助于深化对气候变化机制的认识。气候变化是一个复杂的过程，涉及多个圈层和多种因素的相互作用。平流层极涡的异常变化可能是气候变化的一个重要驱动因素，通过研究其对对流层的影响，可以更好地理解气候变化的复杂性和多样性。在实际应用价值方面，对天气预报和气候预测具有重要的指导意义。准确预测平流层极涡的异常变化及其对对流层的影响，能够提高天气预报的准确性和时效。例如，在冬季，当预测到平流层极涡将出现异常减弱时，可以提前预警可能出现的寒潮、暴雪等极端天气，为人们的生产生活提供及时的防范建议。对于气候预测而言，了解平流层极涡异常与对流层气候变化的关系，有助于更准确地预测未来气候的变化趋势，为制定应对气候变化的政策和措施提供科学依据。此外，在航空航天领域，平流层极涡的异常变化可能影响飞机的飞行安全和轨道运行。当极涡异常导致平流层气流不稳定时，可能会对飞机的飞行姿态和飞行性能产生影响。因此，研究平流层极涡异常对保障航空航天活动的安全也具有重要意义。1.2国内外研究现状国外对平流层极涡的研究起步较早。早在20世纪初，就有学者开始关注极区大气环流现象，但当时受观测技术和理论水平的限制，研究较为初步。随着气象观测技术的发展，尤其是卫星遥感和气象再分析资料的应用，使得对平流层极涡的研究更加深入和全面。上世纪70年代，国外学者通过对大量观测数据的分析，明确了平流层极涡的基本结构和季节性变化特征，发现极涡在冬季强盛，夏季减弱，且其强度和位置存在年际变化。在平流层极涡异常方面，国外学者开展了众多研究。例如，通过分析长期的气象数据，研究极涡异常事件的发生频率、持续时间和空间分布特征。研究发现，北极平流层极涡在某些年份会出现异常减弱或增强的现象。在2009-2010年冬季，北极平流层极涡异常偏弱，导致极地冷空气更容易向南扩散。国外学者还运用数值模拟方法，探究极涡异常的形成机制。研究表明，行星波活动、臭氧损耗、海冰变化等因素都可能对平流层极涡的异常产生影响。当行星波向上传播并与极涡相互作用时，可能会导致极涡的不稳定和异常变化；平流层臭氧的减少会改变大气的加热率，进而影响极涡的强度和稳定性；北极海冰的减少会通过改变下垫面的热力状况，对极涡产生间接影响。关于平流层极涡异常对对流层的影响，国外研究取得了一系列重要成果。研究发现，平流层极涡异常可以通过大气环流的遥相关作用，对对流层的天气和气候产生显著影响。通过分析大量的气象数据和数值模拟结果，揭示了平流层极涡异常与对流层中高纬度地区气温、降水、环流等变化之间的关系。当北极平流层极涡异常减弱时，会导致极地冷空气向南爆发，使得中高纬度地区出现寒潮、暴雪等极端天气事件；极涡异常还可能影响对流层中的大气环流模式，如北大西洋涛动（NAO）、北极涛动（AO）等，进而影响全球气候。国内对平流层极涡的研究相对起步较晚，但近年来发展迅速。早期主要是对国外研究成果的引进和学习，随着我国气象观测技术的自主研发和应用，以及数值模拟能力的提升，国内学者开始开展具有自主特色的研究。利用我国自主研发的风云系列气象卫星资料，结合地面观测数据，对平流层极涡进行更精准的监测和分析。在平流层极涡异常研究方面，国内学者通过对历史气象数据的挖掘，分析了我国冬季平流层极涡异常的特征及其与大气环流的关系。研究发现，我国冬季平流层极涡异常与欧亚大陆的大气环流异常密切相关。当极涡异常偏强且位置偏西时，会导致欧亚大陆中高纬度地区的冷空气活动频繁，影响我国北方地区的天气。国内学者还关注了平流层极涡异常的短期变化特征，通过对逐日气象数据的分析，研究极涡异常在短时间内的演变过程及其对我国天气的影响。对于平流层极涡异常对对流层的影响，国内研究主要集中在对我国天气和气候的影响方面。通过合成分析、相关分析等方法，研究极涡异常对我国不同地区气温、降水、极端天气事件等的影响。有研究表明，当平流层极涡异常时，会导致我国南方地区冬季气温异常偏低，降水偏多，增加了南方地区冬季发生雨雪冰冻灾害的风险；极涡异常还可能影响我国夏季的降水分布，导致部分地区出现干旱或洪涝灾害。国内学者也开始运用数值模拟方法，深入研究平流层极涡异常影响对流层的物理机制。尽管国内外在平流层极涡异常及其对对流层影响的研究方面取得了丰硕成果，但仍存在一些不足之处。在极涡异常的形成机制研究中，虽然已经认识到多种因素的作用，但对于各因素之间的相互作用和协同影响，还缺乏深入的理解。行星波活动、臭氧损耗、海冰变化等因素如何在不同时间尺度和空间尺度上相互作用，共同导致极涡异常，还需要进一步的研究。在极涡异常对对流层影响的研究中，虽然已经发现了一些遥相关关系，但对于其物理过程和内在机制的认识还不够清晰。平流层极涡异常信号如何通过大气环流向下传播并影响对流层的天气和气候，还需要更多的观测和数值模拟研究来揭示。目前的研究多集中在北半球，对于南半球平流层极涡异常及其对对流层的影响研究相对较少，这限制了对全球尺度大气环流和气候变化的全面理解。本文将在前人研究的基础上，综合运用多种观测资料和数值模拟方法，深入研究平流层极涡异常的特征、形成机制及其对对流层的影响。通过分析不同时间尺度和空间尺度上的气象数据，全面揭示极涡异常的变化规律；运用高分辨率的数值模式，模拟极涡异常对对流层的影响过程，深入探究其物理机制；同时，将研究范围拓展到南半球，对比分析南北半球平流层极涡异常及其对对流层影响的差异，以期为完善地球大气环流理论和提高天气预报、气候预测能力提供更坚实的科学依据。1.3研究方法与创新点为深入探究平流层极涡异常及其对对流层的影响，本研究将综合运用多种研究方法，确保研究的全面性和深入性。在数据分析方面，本研究将收集多种气象观测资料，包括卫星遥感数据、地面气象站观测数据以及气象再分析资料等。如利用风云系列气象卫星获取平流层极涡的高分辨率图像，通过对这些图像的分析，了解极涡的形态、范围和强度变化；收集地面气象站的气温、降水、气压等观测数据，用于分析对流层气象要素的变化；运用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析资料，该资料具有高时空分辨率和广泛的变量覆盖范围，能够提供全球范围内平流层和对流层的大气状态信息，为研究平流层极涡异常与对流层变化之间的关系提供全面的数据支持。对这些数据进行统计分析，运用相关分析、合成分析等方法，研究平流层极涡异常事件的发生频率、持续时间、空间分布特征及其与对流层环流、气候变化的联系。通过计算平流层极涡强度指数与对流层中高纬度地区气温、降水等气象要素的相关系数，揭示它们之间的相关性；对平流层极涡异常年份和正常年份的对流层环流形势进行合成分析，对比两者的差异，找出平流层极涡异常影响对流层的关键环流特征。数值模拟是本研究的重要方法之一。利用高分辨率的数值模式，如全大气层环流模式（WACCM），该模式能够准确模拟平流层和对流层的大气环流和物理过程。通过设置不同的初始条件和参数，模拟平流层极涡异常对对流层环流的影响过程。在模拟过程中，重点关注极涡异常信号如何通过大气环流向下传播，以及对对流层中气温、降水、环流等要素的影响。将数值模拟结果与观测数据进行对比验证，评估模拟结果的准确性，进一步完善数值模式。如果模拟结果与观测数据在极涡异常对对流层气温的影响趋势上存在差异，通过调整模式中的物理参数，如行星波传播参数、大气辐射参数等，使模拟结果更接近实际观测。本研究的创新点主要体现在以下几个方面。在研究视角上，将研究范围拓展到南半球，对比分析南北半球平流层极涡异常及其对对流层影响的差异。以往的研究多集中在北半球，对南半球的关注较少。而南北半球的海陆分布、地形地貌等存在明显差异，这些差异可能导致平流层极涡的形成、发展和变化特征不同，以及对对流层的影响机制也存在差异。通过对比研究，可以更全面地理解平流层极涡异常及其对对流层影响的全球尺度规律，为全球气候变化研究提供新的视角。在研究方法的综合运用上，本研究将多种先进的数据分析方法和高分辨率数值模拟技术有机结合。不仅利用传统的统计分析方法研究平流层极涡异常与对流层变化的相关性，还运用数值模拟方法深入探究其物理机制。通过数据同化技术，将卫星遥感数据、地面观测数据等融入数值模式中，提高模拟的准确性和可靠性。这种多方法融合的研究方式能够充分发挥各种方法的优势，更深入地揭示平流层极涡异常及其对对流层影响的复杂过程和内在机制。本研究还将关注平流层极涡异常对对流层影响的短期和长期变化特征。以往研究多侧重于分析某一特定时期或某类异常事件的影响，对不同时间尺度上的变化特征研究不够全面。本研究将通过分析不同时间尺度的气象数据，如逐日、逐月、逐年数据等，全面揭示平流层极涡异常对对流层影响在短期（如几周到几个月）和长期（如几十年）时间尺度上的变化规律。在短期变化研究中，关注极涡异常事件发生后，对流层天气系统的快速响应和演变过程；在长期变化研究中，探讨极涡异常对对流层气候变化趋势的影响，为气候变化预测提供更丰富的信息。二、平流层极涡概述2.1平流层极涡的定义与特征平流层极涡是盘踞在冬半球平流层热带外地区的极地涡旋系统，是一种大尺度的、持续的气旋性环流，位于对流层中上部到平流层之间。以北半球为例，在冬半年，由于太阳直射南半球，平流层温度分布呈现南暖北冷的态势，热带外平流层盛行纬向西风，进而围绕极区形成强大的涡旋，即平流层极涡。在平流层极涡的边缘，存在着绕极西风急流，也就是极夜西风急流，其风速最强可达100米/秒。这种绕极环流就像一道“屏障”，将极区内部的强冷空气与中低纬度相对较暖的空气隔离开来。从空间分布来看，平流层极涡主要出现在极地地区的平流层中。在北半球，由于下垫面分布不均匀，极涡中心位置通常并不在北极点附近，而是有偏向北美大陆或欧亚大陆的倾向。这种偏心现象使得北美大陆和欧亚大陆的部分地区在冬季受到极涡冷空气的影响更大，气候更加偏冷。在2020-2021年冬季，北极平流层极涡中心就明显偏向欧亚大陆，导致该地区冬季出现了极端寒冷的天气。与北半球不同，南半球的海洋面积广阔，下垫面相对均匀，南极平流层极涡结构相对更为稳定，较少出现明显的偏心现象。但在某些特殊情况下，如受到强烈的行星波活动影响时，南极平流层极涡也会出现异常变化，导致南极地区的天气和气候发生改变。平流层极涡的强度并非一成不变，而是存在着明显的季节变化和年际变化。季节变化方面，平流层极涡一般在秋季左右开始建立，随着冬季的来临，极涡逐渐加强。在冬季，极涡最为强盛，这是因为冬季极地与中纬度的温度梯度最大，有利于极涡的维持和发展。到了春季，极涡开始逐渐崩溃，崩溃时伴随着极区的快速增暖，这标志着平流层环流从冬季型转为夏季型。在夏季，极区的平流层大气由于极昼的辐射加热而成为暖中心，此时平流层极区盛行绕极的反气旋性气流，极涡消失。年际变化上，平流层极涡的强度受到多种因素的影响，如行星波活动、臭氧损耗、海冰变化、准两年振荡（QBO）、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和太阳循环等。当行星波向上传播并与极涡相互作用时，如果行星波携带的能量较强，可能会破坏极涡的稳定性，导致极涡减弱。在某些年份，强烈的行星波活动使得北极平流层极涡出现异常减弱，进而影响北半球的天气和气候。平流层臭氧的减少会改变大气的加热率，使得极涡的强度和稳定性受到影响。因为臭氧能够吸收太阳辐射，臭氧减少会导致大气加热不均匀，从而影响极涡的形成和维持。北极海冰的变化也与平流层极涡强度密切相关。北极海冰减少会改变下垫面的热力状况，使得极地地区的热量平衡发生改变，进而对平流层极涡产生间接影响。研究表明，当北极海冰面积减少时，平流层极涡强度有减弱的趋势。准两年振荡是指在近赤道地区的平流层中，存在的东西风带准两年周期的交替变化现象。这种振荡会对平流层极涡强度产生调制作用。当准两年振荡处于特定位相时，会影响行星波的传播和能量分配，从而间接影响平流层极涡的强度。厄尔尼诺-南方涛动也与平流层极涡强度存在关联。一般认为，在暖ENSO的当年冬季，平流层极涡异常偏弱；而在冷ENSO的当年冬季，平流层极涡异常偏强。这是因为ENSO事件会引起热带地区大气环流和海温的异常变化，这种变化通过大气遥相关作用，影响到平流层极涡的强度。太阳活动的变化，如太阳黑子数的增减、太阳辐射强度的变化等，也会对平流层极涡产生影响。太阳活动的增强会导致太阳辐射能量增加，进而影响地球大气的加热和环流，对平流层极涡强度产生影响。2.2平流层极涡的形成机制平流层极涡的形成是一个复杂的过程，涉及多种热力和动力因素的相互作用，这些因素在不同的时间和空间尺度上对极涡的形成和发展产生影响。从热力因素来看，极区的辐射冷却起着关键作用。在冬季，极区处于极夜状态，太阳辐射极少，地面和大气因长波辐射而迅速冷却。这种强烈的冷却使得极区大气温度急剧下降，形成了一个低温中心。极地地区的大气在低温下收缩，密度增大，导致气压降低，从而在极地高空形成一个低压系统，为极涡的形成提供了热力基础。与极地地区形成鲜明对比的是，中低纬度地区由于太阳辐射相对较多，大气温度较高。这种极地与中低纬度之间显著的温度梯度，使得大气产生从高温度区域向低温度区域的运动趋势。在科里奥利力的作用下，这种运动逐渐转变为围绕极地的气旋性环流，进而促进了平流层极涡的形成。动力因素在平流层极涡的形成过程中也不可或缺，其中行星波的作用尤为重要。行星波是大气长波，其波长通常在数千公里以上，主要包括1-3波。在冬季，行星波在对流层中生成，由于对流层中存在着明显的水平温度梯度和地形起伏，这些因素为行星波的产生提供了条件。山脉的阻挡、海陆热力差异等都会导致大气的波动，从而激发行星波。行星波具有向上传播的特性，当它们从对流层向上传播至平流层时，会与平流层中的纬向气流发生相互作用。这种相互作用会导致纬向气流的动量重新分布，使得纬向风的强度和方向发生改变。在行星波的作用下，平流层中的纬向风在极区附近减弱，而在中低纬度地区增强，从而有利于极涡的形成和维持。当行星波携带的能量较强时，它会对极涡产生强烈的扰动，甚至可能导致极涡的异常变化。大气环流对平流层极涡的形成有着重要的间接影响。在全球大气环流系统中，热带地区的Hadley环流和中高纬度地区的Ferrel环流相互作用，共同影响着大气的运动和热量、动量的传输。Hadley环流将热带地区的暖空气向中高纬度输送，而Ferrel环流则将中高纬度地区的冷空气向低纬度输送。这种热量和动量的交换过程会影响极地与中低纬度之间的温度梯度和气压分布，进而对平流层极涡的形成产生影响。当Hadley环流和Ferrel环流的强度和位置发生变化时，极地与中低纬度之间的温度梯度和气压分布也会相应改变，从而影响平流层极涡的形成和发展。如果Hadley环流异常增强，可能会导致更多的暖空气向中高纬度输送，使得极地与中低纬度之间的温度梯度减小，不利于平流层极涡的形成和维持。太阳辐射作为地球大气能量的主要来源，对平流层极涡的形成也有着重要作用。太阳辐射的强度和分布随季节和纬度而变化。在冬季，太阳直射南半球，北半球高纬度地区接收到的太阳辐射较少，这加剧了极区的冷却，有利于平流层极涡的形成。太阳活动的变化，如太阳黑子数的增减、太阳耀斑的爆发等，会导致太阳辐射的强度和光谱分布发生改变。这些变化会影响地球大气的加热率和化学成分，进而对平流层极涡产生影响。研究表明，在太阳活动高年，太阳辐射增强，平流层中的臭氧生成增加，臭氧吸收太阳辐射的能力增强，使得平流层温度升高，极涡强度可能会发生变化。2.3平流层极涡的正常变化规律平流层极涡的变化具有明显的季节性特征。在北半球，随着秋季的来临，太阳直射点逐渐南移，极区接受的太阳辐射不断减少，大气开始冷却，平流层极涡在此时开始建立。从10月左右开始，极涡逐渐发展壮大，其强度和范围不断增加。进入冬季后，极区处于极夜状态，辐射冷却作用进一步增强，极地与中低纬度之间的温度梯度达到最大。这种强烈的温度梯度使得围绕极区的气旋性环流得到极大加强，平流层极涡达到最强盛的阶段。在冬季，极涡的中心气压极低，周围环绕着强大的西风急流，风速可高达100米/秒以上。这种强大的环流将极区的冷空气紧紧“束缚”在极地附近，维持着极地地区的低温环境。随着春季的到来，太阳直射点向北移动，极区开始逐渐接受更多的太阳辐射，大气温度逐渐升高。平流层极涡开始逐渐减弱，其强度和范围不断缩小。在3-4月期间，极涡的减弱速度加快，最终在春季末崩溃。极涡的崩溃伴随着极区的快速增暖，标志着平流层环流从冬季型转为夏季型。在夏季，极区的平流层大气由于极昼的辐射加热而成为暖中心，此时平流层极区盛行绕极的反气旋性气流，极涡消失。南半球平流层极涡的季节变化与北半球类似，但由于南半球的海洋面积广阔，下垫面相对均匀，其极涡的季节变化相对更为规律和稳定。在年际时间尺度上，平流层极涡的强度和位置也存在着明显的变化。这种年际变化受到多种因素的共同影响。行星波活动是影响平流层极涡年际变化的重要因素之一。行星波在对流层中产生后，会向上传播至平流层。当行星波携带的能量较强时，它会与平流层极涡相互作用，导致极涡的强度和位置发生改变。在某些年份，强烈的行星波活动会使得北极平流层极涡出现异常减弱，中心位置发生偏移。研究表明，当行星波1波和2波的振幅较大时，它们与极涡的相互作用会导致极涡的不对称性增加，中心位置偏离极点。臭氧损耗也会对平流层极涡的年际变化产生影响。平流层中的臭氧能够吸收太阳辐射，对大气起到加热作用。当臭氧含量减少时，大气的加热率发生改变，这会影响到极涡的强度和稳定性。自20世纪80年代以来，由于人类活动排放的氯氟烃等物质的影响，平流层臭氧出现了明显的损耗。这种臭氧损耗导致极涡的强度和位置在年际尺度上发生变化。研究发现，在臭氧损耗严重的年份，北极平流层极涡的强度有减弱的趋势，且更容易出现异常变化。海冰变化也是影响平流层极涡年际变化的重要因素。北极海冰的减少会改变下垫面的热力状况，使得极地地区的热量平衡发生改变。这种热量平衡的改变会通过大气环流的调整，对平流层极涡产生间接影响。当北极海冰面积减少时，海洋向大气释放的热量增加，导致极地大气的温度升高，进而影响极涡的强度和位置。研究表明，北极海冰面积与平流层极涡强度之间存在着负相关关系，即海冰面积减少时，极涡强度减弱。准两年振荡、厄尔尼诺-南方涛动和太阳循环等因素也会对平流层极涡的年际变化产生影响。准两年振荡是指在近赤道地区的平流层中，存在的东西风带准两年周期的交替变化现象。这种振荡会影响行星波的传播和能量分配，从而间接影响平流层极涡的强度。厄尔尼诺-南方涛动事件会引起热带地区大气环流和海温的异常变化，这种变化通过大气遥相关作用，影响到平流层极涡的强度。一般认为，在暖ENSO的当年冬季，平流层极涡异常偏弱；而在冷ENSO的当年冬季，平流层极涡异常偏强。太阳活动的变化，如太阳黑子数的增减、太阳辐射强度的变化等，也会对平流层极涡产生影响。在太阳活动高年，太阳辐射增强，平流层中的臭氧生成增加，臭氧吸收太阳辐射的能力增强，使得平流层温度升高，极涡强度可能会发生变化。三、平流层极涡异常现象及特征分析3.1极涡异常的判定标准与指标选取准确判定平流层极涡异常是研究其对对流层影响的基础，而这依赖于科学合理的判定标准和恰当的指标选取。在众多判定极涡异常的指标中，极涡强度指数和面积指数是常用且重要的指标。极涡强度指数能够直观地反映极涡的强弱程度。其计算方法通常基于位势高度场。以100百帕高度层为例，这一层位势高度场的变化能够较好地体现平流层极涡的特征。通过计算该高度层上极涡中心区域（通常取极地一定范围内，如北极地区取北纬60°以北区域）的平均位势高度，并与多年平均值进行比较。当该区域平均位势高度低于多年平均值一定阈值时，表明极涡强度偏强；反之，若高于多年平均值一定阈值，则极涡强度偏弱。研究表明，在1995-1996年冬季，100百帕高度层上北极地区极涡中心区域平均位势高度比多年平均值低了50位势米，经判定该冬季北极平流层极涡强度偏强。这种计算方法的依据在于，极涡本质上是一个低压系统，其中心气压（在位势高度场中表现为位势高度）的高低直接反映了极涡的强度。当极涡中心位势高度较低时，意味着极涡内部气压更低，周围空气向极涡中心的汇聚作用更强，从而极涡强度更强；反之，极涡强度则较弱。极涡面积指数用于衡量极涡在空间上的覆盖范围。其计算方式是确定极涡的边界，然后统计极涡所占据的面积。在实际操作中，一般以某一特定的位势高度等值线（如100百帕高度层上的某一闭合位势高度等值线，通常选取能够较好界定极涡范围的等值线，如2500位势米等值线）来确定极涡的边界。当该等值线所包围的面积大于多年平均值一定比例时，极涡面积偏大；小于多年平均值一定比例时，极涡面积偏小。在2009-2010年冬季，100百帕高度层上北极平流层极涡以2500位势米等值线界定的面积比多年平均值大了15%，表明该冬季北极平流层极涡面积偏大。极涡面积指数的选取依据在于，极涡的面积变化能够反映其活动范围的扩张或收缩，进而影响到其所涉及区域的大气环流和气候状况。当极涡面积偏大时，其对周围大气的影响范围更广，可能导致更多地区的天气和气候受到极涡异常的影响；而极涡面积偏小时，其影响范围相对缩小。除了极涡强度指数和面积指数外，极涡中心位置也是一个重要的判定指标。在北半球，由于下垫面分布不均匀，极涡中心位置通常并不在北极点附近，而是有偏向北美大陆或欧亚大陆的倾向。通过监测极涡中心的经纬度位置，并与多年平均位置进行对比。当极涡中心位置偏离多年平均位置超过一定范围时，即可认为极涡中心位置出现异常。在2018-2019年冬季，北极平流层极涡中心位置比多年平均位置向东偏移了10个经度，向南偏移了5个纬度，这种偏移导致了北美大陆和欧亚大陆部分地区的天气和气候受到不同程度的影响。极涡中心位置的变化会改变极涡周围气流的分布和冷空气的输送路径，从而对不同地区的天气和气候产生不同的影响。当极涡中心偏向某一地区时，该地区更容易受到极涡冷空气的影响，可能导致气温降低、降水变化等天气异常。三、平流层极涡异常现象及特征分析3.2典型极涡异常事件分析3.2.12021年极涡异常事件2021年冬季，北极平流层极涡经历了显著的异常变化，给北半球气候带来了深远影响。从极涡的演变过程来看，在该年1月，平流层爆发性增暖（SSW）事件发生，这是导致极涡异常的关键因素。平流层爆发性增暖是指冬季极区平流层内温度突然升高并伴随极涡减弱的异常事件。此次事件使得北极平流层极涡出现了明显的偏移和分裂现象。在极涡偏移方面，原本相对稳定位于极地附近的极涡中心，在1月上旬开始逐渐向欧亚大陆一侧偏移。通过对100百帕高度层位势高度场的分析发现，极涡中心位置从正常年份的接近北极点附近，移动到了北纬70°、东经100°左右的区域，偏离正常位置约10个纬度和30个经度。这种偏移使得极涡周围的环流形势发生改变，原本被极涡“束缚”在极地的冷空气开始向欧亚大陆扩散。随着时间的推移，极涡进一步出现分裂现象。在1月中旬，极涡分裂为两个中心，一个中心位于亚洲北部，另一个中心位于加拿大。这种分裂导致极涡的结构变得更加复杂，冷空气的扩散范围也进一步扩大。极涡分裂后，两个中心之间的相互作用使得大气环流变得更加不稳定。通过对卫星云图和气象再分析资料的对比可以清晰地看到，极涡分裂后，冷空气分别向北美大陆和欧亚大陆南下，引发了一系列极端天气事件。此次极涡异常事件对北半球气候产生了多方面的显著影响。在气温方面，欧亚大陆和北美大陆的部分地区出现了极端寒冷的天气。在西伯利亚地区，1月平均气温比常年同期偏低5-8℃，部分地区甚至偏低10℃以上。在加拿大西部和美国中部，也遭遇了罕见的寒潮袭击，多地出现了创纪录的低温。在美国德克萨斯州，2月中旬的气温骤降至零下20℃左右，导致大面积的电力供应中断和基础设施受损。降水方面，极涡异常也引发了显著变化。在极涡分裂后，冷空气与来自低纬度地区的暖湿气流在北美东部和欧洲部分地区交汇，形成了强烈的降水过程。在加拿大东部和美国东北部，出现了暴雪天气，部分地区积雪深度超过50厘米，给当地的交通和居民生活带来了极大的不便。在欧洲，英国、法国等地也出现了强降雨和大风天气，引发了洪涝灾害，造成了人员伤亡和财产损失。此次极涡异常事件还对北半球的大气环流模式产生了深远影响。极涡的偏移和分裂导致了北极涛动（AO）和北大西洋涛动（NAO）等大气环流指数出现异常。北极涛动处于负位相，北大西洋涛动也呈现出异常的变化。这种大气环流模式的异常变化进一步加剧了北半球气候的异常，使得极端天气事件的发生频率和强度增加。3.2.22019-2020年极涡异常事件2019-2020年冬季，北极平流层极涡展现出一系列独特的异常特征，对极地及全球气候产生了不可忽视的影响。这一时段极涡异常的显著特点之一是异常弱化。通过对100百帕高度层位势高度场的分析，该冬季极涡中心区域的平均位势高度比多年平均值高出约30位势米，表明极涡强度明显偏弱。这种异常弱化使得极涡对极地冷空气的“束缚”能力下降，冷空气更容易向外扩散。极涡的持续时间也出现了延长的现象。通常情况下，北极平流层极涡在春季会逐渐减弱并崩溃，但在2020年春季，极涡的减弱速度明显减缓，其影响一直持续到4月下旬。在4月，100百帕高度层上极涡的强度和范围仍然显著高于常年同期。这种持续时间的延长导致极地地区的低温环境持续时间增长，对极地生态系统和大气环流产生了更为持久的影响。在对极地气候的影响方面，极涡异常弱化和持续时间延长导致极地地区气温异常升高。在北极地区，2020年2-3月的平均气温比常年同期偏高3-5℃。这种气温升高使得极地海冰融化速度加快，海冰面积减少。研究表明，2020年北极海冰的最小面积达到了近年来的较低水平，这对极地地区的生态系统产生了巨大冲击。北极熊等依赖海冰生存的动物栖息地受到严重破坏，它们的觅食、繁殖等活动受到极大影响。极地地区的降水模式也发生了改变。由于极涡异常导致大气环流变化，极地地区的水汽输送和降水分布发生改变，部分地区降水增多，而部分地区降水减少。从全球气候的角度来看，2019-2020年极涡异常通过大气环流的遥相关作用对全球气候产生了广泛影响。在北半球中高纬度地区，极涡异常导致冷空气活动频繁，气温偏低。在欧洲，冬季出现了多次寒潮天气，部分地区气温比常年同期偏低4-6℃。在亚洲，西伯利亚地区的寒冷空气频繁南下，影响了我国北方地区的天气。我国东北地区在2020年1-2月出现了多轮低温天气，平均气温比常年同期偏低3-5℃。极涡异常还对南半球气候产生了间接影响。通过大气环流的调整，影响了南半球的大气环流模式，导致南半球部分地区的降水和气温出现异常变化。在南美洲南部，2020年夏季降水偏多，引发了洪涝灾害。3.3极涡异常的空间分布特征平流层极涡异常在不同纬度和经度上呈现出独特的分布特点，这些特点对全球不同区域的天气和气候产生着重要影响。在纬度分布方面，极涡异常主要集中在高纬度地区。以北极地区为例，平流层极涡异常事件通常发生在北纬60°以北的区域。当极涡强度异常偏强时，其控制范围会向低纬度地区扩展。在某些年份，北极平流层极涡强度偏强，使得极涡的边界向南延伸至北纬50°左右，导致北欧、西伯利亚等高纬度地区受到极涡冷空气的强烈影响，冬季气温显著降低。相反，当极涡强度异常偏弱时，其控制范围会向高纬度地区收缩。在2019-2020年冬季，北极平流层极涡异常偏弱，极涡的边界向北退缩，使得极地地区的冷空气更容易向外扩散，影响范围扩大。在经度分布上，极涡异常在不同区域有着不同的表现。在北半球，由于下垫面分布不均匀，极涡中心位置通常并不在北极点附近，而是有偏向北美大陆或欧亚大陆的倾向。当极涡中心偏向北美大陆时，北美地区更容易受到极涡异常的影响。在2021年冬季，北极平流层极涡中心偏向北美大陆，导致加拿大和美国部分地区遭遇极端寒冷天气，出现暴雪、低温等灾害。当极涡中心偏向欧亚大陆时，欧亚大陆的天气和气候会受到显著影响。在2012-2013年冬季，北极平流层极涡中心偏向欧亚大陆，使得西伯利亚地区出现了极端低温事件，部分地区最低气温达到零下50℃以下。在南半球，平流层极涡的空间分布相对较为规则，因为南半球的海洋面积广阔，下垫面相对均匀。南极平流层极涡中心通常位于南极点附近，其异常变化主要表现为强度和范围的改变。当南极平流层极涡强度异常增强时，其周围的西风急流也会增强，导致南极地区的冷空气更难向外扩散。在2018-2019年南半球冬季，南极平流层极涡强度异常增强，使得南极大陆周边海域的海冰范围扩大，对南极地区的生态系统和海洋环流产生了影响。相反，当南极平流层极涡强度异常减弱时，其周围的西风急流减弱，冷空气可能会向低纬度地区扩散。这种扩散可能会影响南半球中高纬度地区的天气和气候，如导致南美洲南部、非洲南端等地的气温和降水发生异常变化。不同区域的极涡异常表现形式也有所不同。在极地地区，极涡异常主要表现为强度、范围和中心位置的变化。这些变化会直接影响极地地区的气温、降水和大气环流。在北极地区，极涡强度异常偏强时，极地地区的气温会降低，降水可能会减少；极涡中心位置偏移时，会改变极地地区冷空气的扩散路径，导致不同区域的天气出现差异。在中低纬度地区，极涡异常主要通过大气环流的遥相关作用对天气和气候产生影响。当北极平流层极涡异常时，可能会导致中低纬度地区的大气环流模式发生改变，如引起北大西洋涛动、北极涛动等大气环流指数的异常变化。这种变化会进一步影响中低纬度地区的气温、降水和极端天气事件的发生频率。在欧洲地区，当北极平流层极涡异常偏弱时，北大西洋涛动可能会处于负位相，导致欧洲地区冬季气温偏低，降水偏多，容易出现寒潮、暴雪等极端天气事件。3.4极涡异常的时间演变规律平流层极涡异常在不同时间尺度上展现出独特的演变规律，这些规律对于理解气候变化和预测天气具有重要意义。在季节尺度上，平流层极涡异常与正常情况下的季节变化既有相似之处，又存在差异。通常，平流层极涡在秋季开始建立，冬季达到强盛，春季逐渐崩溃。但在极涡异常年份，其季节演变过程会发生改变。在某些异常年份，极涡在秋季的建立时间可能提前或推迟。通过对历史气象数据的分析发现，在1998-1999年冬季，北极平流层极涡在9月就开始明显建立，比正常年份提前了近一个月。这种提前建立可能与当年行星波活动的异常增强有关，行星波活动的增强使得极涡的发展进程加快。极涡在冬季的强度和范围也会出现异常。在2005-2006年冬季，北极平流层极涡强度异常偏强，其范围比正常年份扩大了约20%。这导致当年冬季北半球高纬度地区的气温显著降低，欧洲、西伯利亚等地遭遇了极端寒冷的天气。极涡在春季的崩溃时间和方式也可能与正常年份不同。在2010-2011年春季，北极平流层极涡的崩溃时间比正常年份推迟了约半个月，且崩溃过程更为剧烈，导致极区气温迅速升高，对极地地区的生态系统和大气环流产生了较大影响。从年际时间尺度来看，极涡异常呈现出一定的周期性和随机性。研究表明，北极平流层极涡强度异常存在大约3-5年的准周期变化。通过对1979-2023年的气象数据进行功率谱分析，发现在这一时间段内，极涡强度指数在3-5年的周期上存在显著的谱峰。这种周期性变化可能与行星波活动、厄尔尼诺-南方涛动等因素的周期性变化有关。厄尔尼诺事件大约每3-7年发生一次，在暖ENSO的当年冬季，平流层极涡通常异常偏弱。在1997-1998年的强厄尔尼诺事件期间，北极平流层极涡强度明显偏弱，导致当年冬季北半球中高纬度地区的气温偏高，降水分布也发生了改变。极涡异常也具有一定的随机性。在某些年份，极涡异常的发生似乎没有明显的周期性规律，可能受到多种复杂因素的随机组合影响。在2015-2016年冬季，北极平流层极涡出现了异常分裂的现象，这种异常分裂在之前的年份中并没有明显的周期性出现，可能是由于当年行星波活动、臭氧损耗以及海冰变化等多种因素在特定条件下相互作用的结果。在年代际尺度上，极涡异常也表现出明显的变化趋势。随着全球气候的变化，北极平流层极涡在过去几十年中呈现出强度减弱、范围缩小的趋势。通过对1950-2020年的气象数据进行分析，发现北极平流层极涡强度指数在这一时间段内呈现出显著的下降趋势，平均每10年下降约5%。极涡范围也在逐渐缩小，以100百帕高度层上极涡的边界为例，过去70年中，其平均向极地退缩了约3个纬度。这种年代际变化可能与全球变暖导致的极地升温、臭氧损耗等因素有关。全球变暖使得极地地区的气温升高，极地与中低纬度之间的温度梯度减小，不利于极涡的维持和发展；臭氧损耗导致平流层大气的加热率改变，也对极涡的强度和稳定性产生了负面影响。极涡异常的年代际变化还可能对全球气候产生长期的影响。极涡强度的减弱和范围的缩小可能导致极地冷空气更容易向外扩散，影响中低纬度地区的气候，增加极端天气事件的发生频率和强度。四、平流层极涡异常的成因探究4.1大气内部动力过程的影响4.1.1行星波活动与极涡异常行星波在平流层极涡异常变化中扮演着极为关键的角色，其传播与破碎过程深刻影响着极涡的状态。行星波是大气长波，其波长通常在数千公里以上，主要包括1-3波。在对流层中，由于存在明显的水平温度梯度和地形起伏，为行星波的产生提供了条件。山脉的阻挡、海陆热力差异等都会导致大气的波动，从而激发行星波。行星波具有向上传播的特性，当它们从对流层向上传播至平流层时，会与平流层中的纬向气流发生相互作用。这种相互作用会导致纬向气流的动量重新分布，使得纬向风的强度和方向发生改变。当行星波携带的能量较强时，它会对极涡产生强烈的扰动。在某些年份，强烈的行星波活动使得北极平流层极涡出现异常减弱。研究表明，当行星波1波和2波的振幅较大时，它们与极涡的相互作用会导致极涡的不对称性增加，中心位置偏离极点。这是因为行星波与极涡相互作用时，会将其能量和动量传递给极涡，改变极涡的环流结构。如果行星波在极涡的一侧传递的能量较多，就会导致极涡的重心偏移，从而使中心位置偏离极点。行星波的破碎也是导致极涡异常变化的重要因素。当行星波向上传播到平流层时，由于平流层的大气密度和温度结构与对流层不同，行星波的传播特性会发生改变。在一定条件下，行星波会发生破碎，即波的能量突然释放。行星波破碎时，会产生强烈的扰动，导致平流层极涡的强度和位置发生急剧变化。在平流层爆发性增暖事件中，行星波的破碎起到了关键作用。平流层爆发性增暖是指冬季极区平流层内温度突然升高并伴随极涡减弱的异常事件。当行星波在平流层中破碎时，会将大量的能量释放到极涡中，使得极涡的环流结构被破坏，强度减弱，进而导致极区温度迅速升高。通过对1979-2023年的气象数据进行分析，发现行星波活动与北极平流层极涡强度之间存在显著的负相关关系。当行星波活动增强时，极涡强度有减弱的趋势。在1998-1999年冬季，行星波活动异常强烈，北极平流层极涡强度明显偏弱，导致当年冬季北半球中高纬度地区的气温偏高，降水分布也发生了改变。利用数值模拟实验也进一步验证了行星波活动对极涡异常的影响。在模拟实验中，增强行星波的强迫作用，结果显示极涡强度明显减弱，中心位置发生偏移，与实际观测结果相符。4.1.2平流层-对流层耦合作用平流层与对流层之间存在着复杂的物质和能量交换过程，这种耦合作用对平流层极涡异常有着重要影响。大气中的垂直运动是平流层与对流层之间物质和能量交换的重要方式之一。在对流层中，由于地面受热不均，会产生上升气流和下沉气流。上升气流可以将对流层中的水汽、热量和污染物等物质输送到平流层中，而下沉气流则会将平流层中的物质带回对流层。这种垂直运动不仅影响了平流层和对流层的物质组成，还对极涡的热力和动力结构产生影响。当对流层中的上升气流较强时，会将更多的热量和水汽输送到平流层中，使得平流层的温度和湿度发生改变。这可能会导致极涡的强度和稳定性发生变化。如果平流层中增加的热量使得极区与中低纬度之间的温度梯度减小，就会不利于极涡的维持，导致极涡强度减弱。大气波动在平流层-对流层耦合中也起着关键作用。除了前面提到的行星波外，重力波等其他大气波动也会在平流层和对流层之间传播。重力波是由大气的垂直运动产生的，它可以在不同高度的大气层中传播，并携带能量和动量。当重力波从对流层传播到平流层时，会与平流层中的纬向气流和极涡相互作用。这种相互作用会导致平流层中的气流发生波动，进而影响极涡的稳定性。重力波与极涡相互作用时，可能会改变极涡的环流结构，使得极涡的强度和位置发生变化。如果重力波在极涡的边缘产生强烈的扰动，可能会导致极涡的边界变得不稳定，从而影响极涡对冷空气的“束缚”能力。通过对气象观测数据的分析，发现平流层与对流层之间的耦合作用在不同季节和地区存在差异。在冬季，平流层与对流层之间的耦合作用较强，这与冬季行星波活动频繁以及对流层中冷暖空气活动剧烈有关。在北半球中高纬度地区，平流层与对流层之间的耦合作用对极涡异常的影响更为显著。因为该地区的下垫面分布不均匀，地形复杂，大气环流变化较大，使得平流层与对流层之间的相互作用更加复杂。利用数值模拟实验可以进一步研究平流层-对流层耦合作用对极涡异常的影响机制。在模拟实验中，可以通过改变平流层与对流层之间的物质和能量交换参数，观察极涡的变化。结果表明，当增强平流层与对流层之间的耦合作用时，极涡更容易出现异常变化，如强度减弱、中心位置偏移等。这说明平流层-对流层耦合作用是导致极涡异常的重要因素之一，深入研究这种耦合作用对于理解极涡异常的形成机制具有重要意义。四、平流层极涡异常的成因探究4.2外部强迫因素的作用4.2.1温室气体排放与极涡异常随着工业化进程的加速，人类活动排放的温室气体，如二氧化碳（CO_2）、甲烷（CH_4）和氧化亚氮（N_2O）等，在大气中的浓度不断攀升，对全球气候产生了深远影响，平流层极涡也难以幸免。温室气体排放导致的全球变暖，使得极地地区气温升高，这是其影响平流层极涡异常的重要途径之一。极地地区的海冰对气温变化极为敏感，全球变暖使得极地海冰融化速度加快，海冰面积持续减少。海冰具有高反照率，能够反射大量的太阳辐射。当海冰面积减少时，更多的太阳辐射被海洋吸收，导致极地地区的海洋表面温度升高。这种温度升高会改变极地地区的下垫面热力状况，进而影响大气环流。极地地区大气的加热和冷却过程发生改变，使得极地与中低纬度之间的温度梯度减小。而平流层极涡的维持依赖于极地与中低纬度之间较大的温度梯度，温度梯度的减小使得极涡的强度减弱。研究表明，在过去几十年中，随着温室气体排放的增加和全球变暖的加剧，北极平流层极涡强度呈现出逐渐减弱的趋势。通过对1979-2023年的气象数据和温室气体浓度数据进行分析，发现北极平流层极涡强度指数与全球平均气温之间存在显著的负相关关系，相关系数达到-0.65。这表明，随着全球平均气温的升高，北极平流层极涡强度有明显减弱的趋势。温室气体排放还会对平流层中的臭氧产生影响，间接导致平流层极涡异常。平流层中的臭氧能够吸收太阳辐射中的紫外线，对大气起到加热作用。温室气体排放导致的平流层冷却，会影响臭氧的生成和损耗过程。全球变暖使得对流层顶高度上升，平流层底部的空气被稀释，臭氧的浓度降低。平流层冷却还会导致臭氧损耗物质（如氯氟烃等）的活性增强，加速臭氧的分解。臭氧含量的减少会改变平流层的加热率，使得极涡的强度和稳定性受到影响。因为臭氧吸收太阳辐射减少，平流层的温度分布发生改变，极涡周围的纬向风场也会相应变化，从而导致极涡异常。研究发现，在臭氧损耗严重的年份，北极平流层极涡更容易出现异常变化，如强度减弱、中心位置偏移等。4.2.2太阳活动对极涡的影响太阳作为地球的主要能量来源，其活动变化对地球大气系统产生着不可忽视的影响，平流层极涡便是其中之一。太阳活动主要包括太阳黑子活动、太阳耀斑爆发、太阳风等，这些活动会导致太阳辐射的强度和光谱分布发生改变，进而对平流层极涡产生影响。太阳黑子是太阳表面温度相对较低的区域，其数量和活动程度与太阳磁场活动密切相关。太阳黑子活动遵循约11年的周期，称为太阳活动周期。研究表明，太阳黑子活动与平流层极涡强度之间存在一定的相关性。在太阳活动高年，太阳黑子数量增多，太阳辐射增强，平流层中的臭氧生成增加。臭氧吸收太阳辐射的能力增强，使得平流层温度升高，极涡强度可能会发生变化。通过对1950-2023年的太阳黑子数和北极平流层极涡强度指数的分析，发现两者之间存在弱的负相关关系。在太阳活动高年，北极平流层极涡强度有减弱的趋势，但这种相关性并不十分显著，可能受到其他因素的干扰。太阳耀斑是太阳表面突然发生的强烈爆炸现象，释放出巨大的能量。耀斑爆发时，会发射出强烈的电磁辐射和高能粒子流。这些辐射和粒子流到达地球后，会对地球大气产生多种影响。在平流层中，太阳耀斑爆发会导致臭氧的光化学反应增强，臭氧的生成和损耗过程发生改变。强烈的电磁辐射会使平流层中的氧分子和氮分子发生电离，产生大量的离子和自由基，这些离子和自由基会参与臭氧的光化学反应，导致臭氧的生成和损耗速率加快。臭氧含量的变化会影响平流层的加热率，进而对平流层极涡产生影响。太阳耀斑爆发还可能会引起平流层中的大气波动，如行星波的增强或减弱，这些波动也会对极涡的稳定性产生影响。太阳风是由太阳表面喷射出的带电粒子流，这些粒子以极高速度穿越太阳系。当太阳风与地球磁场相互作用时，会在地球的高层大气中产生一系列的物理过程。太阳风携带的能量和动量会传递给地球大气，导致地球大气的电离层和磁层发生变化。这些变化可能会影响平流层中的大气环流，进而对平流层极涡产生影响。太阳风与地球磁场相互作用产生的电流会加热高层大气，使得高层大气的温度和密度发生变化。这种变化可能会向上传播，影响平流层中的大气环流，导致极涡的强度和位置发生改变。研究表明，在太阳风活动较强的时期，平流层极涡的异常变化概率有所增加。通过对历史上太阳风活动和极涡异常事件的统计分析，发现当太阳风速度超过一定阈值时，极涡出现异常变化的次数明显增多。4.3其他因素的影响除了大气内部动力过程和外部强迫因素外，火山喷发、海洋状况等因素也会对平流层极涡异常产生影响。火山喷发是一种具有巨大能量释放的自然现象，对平流层温度和极涡有着显著影响。火山喷发时，会将大量的火山灰和含硫气体喷射到平流层中。这些含硫气体，如二氧化硫（SO_2），在平流层中会发生一系列的化学反应，最终氧化生成硫酸盐气溶胶。这些气溶胶具有很强的散射和反射太阳辐射的能力，能够阻挡太阳辐射到达地面，从而产生“阳伞效应”，使地表和对流层温度降低。气溶胶会吸收地表及低层大气发射的长波辐射，使得平流层内温度升高。1991年菲律宾皮纳图博火山喷发，是20世纪以来规模较大的火山喷发事件之一。此次喷发向平流层注入了约2000万吨的二氧化硫，形成了大量的硫酸盐气溶胶。这些气溶胶在平流层中迅速扩散，导致全球平均气温在接下来的1-2年内下降了约0.5℃。在平流层极涡方面，火山喷发释放的气溶胶改变了平流层的辐射平衡，进而影响极涡的强度和稳定性。当平流层温度因气溶胶的作用而升高时，极地与中低纬度之间的温度梯度减小，这不利于极涡的维持，可能导致极涡强度减弱。气溶胶还会影响大气的化学过程，改变平流层中臭氧的分布和含量。臭氧对极涡的维持起着重要作用，臭氧分布的改变会进一步影响极涡的状态。研究表明，在火山喷发后的一段时间内，平流层极涡的强度通常会出现明显的变化。在1982年墨西哥埃尔奇琼火山喷发后的冬季，北极平流层极涡强度出现了显著减弱，导致北半球中高纬度地区的天气和气候发生异常变化。海洋状况，尤其是海温异常，也会对平流层极涡产生影响。海洋是地球气候系统的重要组成部分，其储存的热量和水分对大气环流有着重要的调节作用。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是热带太平洋海温异常的一种重要表现形式。在厄尔尼诺事件期间，热带太平洋中部和东部的海温异常升高，这种海温异常会引发大气环流的异常变化。研究发现，在暖ENSO的当年冬季，平流层极涡异常偏弱；而在冷ENSO的当年冬季，平流层极涡异常偏强。这是因为ENSO事件会引起热带地区大气环流和海温的异常变化，这种变化通过大气遥相关作用，影响到平流层极涡的强度。当厄尔尼诺事件发生时，热带地区的大气对流活动增强，大气中的上升运动和水汽输送发生改变，进而影响行星波的传播和能量分配，最终对平流层极涡产生影响。北极海冰的变化也是影响平流层极涡的重要海洋因素。北极海冰具有高反照率，能够反射大量的太阳辐射。当北极海冰面积减少时，更多的太阳辐射被海洋吸收，导致极地地区的海洋表面温度升高。这种温度升高会改变极地地区的下垫面热力状况，使得极地大气的加热和冷却过程发生改变，进而影响大气环流。极地地区大气的加热和冷却过程的改变会导致极地与中低纬度之间的温度梯度减小，不利于平流层极涡的维持，可能导致极涡强度减弱。研究表明，北极海冰面积与平流层极涡强度之间存在着负相关关系，即海冰面积减少时，极涡强度减弱。在过去几十年中，随着全球气候变暖，北极海冰面积持续减少，平流层极涡强度也呈现出逐渐减弱的趋势。五、平流层极涡异常对对流层的影响机制5.1动力学影响机制5.1.1行星波的垂直传播与下传行星波作为大气长波，在平流层与对流层之间的能量和动量传递过程中发挥着核心作用，其垂直传播与下传机制对对流层环流产生了深刻影响。在对流层中，由于地形的阻挡以及海陆热力差异等因素，行星波得以激发产生。以喜马拉雅山脉为例，其高耸的地形使得大气在爬坡过程中发生强烈的扰动，从而激发行星波。这些行星波具有向上传播的特性，当它们从对流层向上传播至平流层时，会与平流层中的纬向气流发生复杂的相互作用。在冬季，平流层极涡强盛，其周围环绕着强烈的纬向西风。此时，行星波向上传播时，会与纬向西风相互作用，导致纬向气流的动量重新分布。这种动量的重新分布会使得纬向风的强度和方向发生改变。当行星波携带的能量较强时，它会对极涡产生强烈的扰动。研究表明，当行星波1波和2波的振幅较大时，它们与极涡的相互作用会导致极涡的不对称性增加，中心位置偏离极点。这是因为行星波与极涡相互作用时，会将其能量和动量传递给极涡，改变极涡的环流结构。如果行星波在极涡的一侧传递的能量较多，就会导致极涡的重心偏移，从而使中心位置偏离极点。行星波的下传过程对对流层环流同样有着重要影响。当平流层极涡发生异常变化时，如极涡减弱或分裂，会导致行星波的传播特性发生改变。原本在平流层中传播的行星波可能会出现下传现象，将平流层的异常信号传递到对流层。在平流层爆发性增暖事件中，极涡减弱，行星波的传播路径发生改变，大量行星波能量下传至对流层。这种下传的行星波能量会引起对流层环流的调整，使得对流层中的大气波动增强，进而影响对流层的天气和气候。研究发现，在平流层爆发性增暖事件后的几周内，对流层中高纬度地区的气温、降水等气象要素会发生显著变化。在2021年冬季的平流层爆发性增暖事件后，北美大陆和欧亚大陆部分地区出现了极端寒冷的天气，这与行星波下传导致的对流层环流调整密切相关。行星波下传对对流层环流的影响还体现在对大气环流模式的改变上。通过对历史气象数据的分析，发现行星波下传会导致北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）等大气环流指数出现异常。当行星波下传使得极涡异常减弱时，北极涛动可能会处于负位相，北大西洋涛动也会呈现出异常的变化。这种大气环流模式的异常变化会进一步影响对流层的天气和气候，增加极端天气事件的发生频率和强度。利用数值模拟实验也进一步验证了行星波下传对对流层环流的影响。在模拟实验中，增强行星波的下传作用，结果显示对流层中高纬度地区的气温明显降低，降水分布发生改变，大气环流模式也出现异常，与实际观测结果相符。5.1.2经向环流的调整平流层极涡异常会导致经向环流发生显著调整，而经向环流的变化又对对流层热量和动量输送产生重要影响。平流层极涡作为极地地区的重要环流系统，其强度和位置的异常变化会打破原本相对稳定的经向环流格局。当平流层极涡强度异常偏强时，极涡周围的纬向风增强，使得经向环流受到抑制。这种抑制作用会导致极地地区的冷空气更难向中低纬度地区扩散，使得极地地区的热量得以在极地附近聚集，维持极地地区的低温环境。在某些年份，北极平流层极涡强度异常偏强，使得北极地区的冷空气被紧紧“束缚”在极地附近，导致北欧、西伯利亚等高纬度地区的冬季气温显著降低。相反，当平流层极涡强度异常偏弱时，极涡对极地冷空气的“束缚”能力下降，经向环流会得到增强。此时，极地地区的冷空气更容易向中低纬度地区扩散，从而改变对流层的热量分布。在2019-2020年冬季，北极平流层极涡异常偏弱，极地冷空气频繁南下，使得北半球中高纬度地区的气温明显偏低。冷空气的南下还会与中低纬度地区的暖湿气流交汇，导致降水分布发生改变。在北美东部和欧洲部分地区，由于冷空气与暖湿气流的交汇，出现了暴雪、强降雨等极端天气事件。经向环流的调整还会影响对流层的动量输送。大气中的动量主要通过风的运动进行输送，经向环流的变化会改变风的分布和强度，从而影响动量的输送。当经向环流增强时，极地地区的冷空气南下，会带来较强的北风，将极地地区的动量向中低纬度地区输送。这种动量输送会导致中低纬度地区的大气运动发生改变，影响对流层的环流形势。在冬季，当经向环流增强时，中低纬度地区的西风带可能会受到影响，其强度和位置发生改变，进而影响该地区的天气和气候。通过对气象观测数据的分析，发现经向环流的调整与平流层极涡异常之间存在显著的相关性。在极涡异常年份，经向环流指数会出现明显的变化。利用数值模拟实验也进一步验证了这种关系。在模拟实验中，通过改变平流层极涡的强度和位置，观察经向环流的变化以及对对流层热量和动量输送的影响。结果表明，当平流层极涡强度减弱时，经向环流增强，对流层中热量和动量的输送发生显著改变，与实际观测结果相符。这说明平流层极涡异常导致的经向环流调整是影响对流层天气和气候的重要机制之一。5.2热力学影响机制5.2.1温度异常的下传与扩散平流层极涡异常所导致的温度异常，其下传与扩散过程对对流层温度场有着至关重要的影响，这一过程涉及到复杂的大气物理机制。当平流层极涡异常时，极涡内部的温度结构会发生显著变化。在极涡异常增强的情况下，极涡中心区域的温度会进一步降低，这是因为极涡的增强使得极地地区的冷空气更加聚集，辐射冷却作用更加明显。而在极涡异常减弱时，极涡中心区域的温度则会相对升高，这可能是由于极涡对极地冷空气的“束缚”能力下降，使得较暖的空气混入极涡中心区域。这种温度异常会通过大气的垂直运动和水平输送向下传播到对流层。大气中的垂直运动是温度异常下传的重要途径之一。在平流层与对流层之间，存在着上升气流和下沉气流。当平流层极涡异常导致极涡边缘的气流发生变化时，会引发垂直运动。如果极涡边缘的纬向风减弱，可能会导致空气的垂直上升运动增强。这种上升运动将平流层中温度异常的空气输送到对流层中，使得对流层的温度场受到影响。上升的冷空气会导致对流层中相应区域的温度降低，从而改变对流层的温度分布。水平输送也是温度异常下传的重要方式。大气中的水平气流，如西风带和东风带，会将平流层极涡异常导致的温度异常区域的空气向对流层输送。在冬季，西风带的气流较强，当平流层极涡异常时，西风带会将极涡附近温度异常的空气向中低纬度地区输送，进而影响对流层中中低纬度地区的温度场。如果极涡异常导致极涡附近的冷空气增多，西风带会将这些冷空气输送到中低纬度地区，使得中低纬度地区的气温降低。平流层极涡异常导致的温度异常下传后，会在对流层中扩散。扩散过程主要通过大气的湍流运动和大气波动来实现。大气的湍流运动使得温度异常区域的空气与周围空气混合，从而将温度异常扩散到更大的范围。大气中的波动，如重力波和罗斯贝波，也会携带温度异常信号在对流层中传播。重力波在大气中的传播速度较快，它可以将平流层极涡异常导致的温度异常信号迅速传播到对流层的不同区域。罗斯贝波则是一种长波，它的传播会导致大气环流的调整，进而影响温度异常在对流层中的扩散。通过对气象观测数据的分析，发现平流层极涡异常导致的温度异常下传和扩散对对流层温度场有着显著的影响。在2021年冬季，北极平流层极涡异常减弱，导致极涡中心区域的温度升高。这种温度异常下传和扩散到对流层后，使得北半球中高纬度地区的气温出现了异常变化。在北美大陆和欧亚大陆部分地区，气温明显偏高，与正常年份相比，部分地区的气温高出了3-5℃。利用数值模拟实验也进一步验证了这一过程。在模拟实验中，设置平流层极涡异常的初始条件，结果显示温度异常能够顺利下传和扩散到对流层，导致对流层温度场发生改变，与实际观测结果相符。5.2.2潜热释放的作用潜热释放是大气热力学过程中的一个重要环节，在平流层极涡异常影响对流层的过程中发挥着关键作用，对对流层大气稳定性和环流产生多方面的影响。当大气中的水汽发生相变时，会释放或吸收潜热。在对流层中，水汽的凝结和降水过程伴随着潜热释放。当暖湿空气上升冷却时，水汽会逐渐凝结成云滴或雨滴，这个过程中会释放出大量的潜热。在热带地区，强烈的对流活动使得大量水汽上升凝结，释放出的潜热对大气的加热作用十分显著。潜热释放对对流层大气稳定性有着重要影响。当潜热释放时，会使大气的温度升高，从而改变大气的垂直温度梯度。如果潜热释放导致大气下层温度升高幅度较大，而大气上层温度变化较小，会使得大气的垂直温度梯度减小，大气趋于稳定。相反，如果潜热释放在大气上层更为显著，可能会导致大气的垂直温度梯度增大，大气变得不稳定，容易引发对流活动。在一些暴雨天气过程中，大量水汽在对流层中凝结释放潜热，使得大气上层温度升高，大气变得不稳定，进而引发更强的对流活动，导致暴雨强度增大。在平流层极涡异常影响对流层的过程中，潜热释放也起到了重要作用。当平流层极涡异常导致极涡冷空气南下时，冷空气与中低纬度地区的暖湿空气相遇。暖湿空气在冷空气的抬升作用下上升，水汽发生凝结，释放潜热。这种潜热释放会对冷空气南下的过程产生影响。一方面，潜热释放会加热周围大气，使得冷空气的降温作用得到一定程度的缓解，从而影响冷空气的移动速度和强度。如果潜热释放较强，可能会使得冷空气南下的速度减慢，强度减弱。另一方面，潜热释放会改变大气的环流形势。释放的潜热会导致大气的加热不均匀，从而引发大气的垂直运动和水平运动的变化。这种变化会影响对流层中的大气环流，如导致西风带的位置和强度发生改变，进而影响整个对流层的环流格局。通过对气象观测数据的分析，发现潜热释放在平流层极涡异常影响对流层的过程中有着明显的作用。在2019-2020年冬季，北极平流层极涡异常减弱，冷空气南下与中低纬度地区的暖湿空气交汇。在交汇区域，大量水汽凝结释放潜热，使得该地区的大气环流发生改变。利用数值模拟实验也进一步验证了潜热释放的作用。在模拟实验中，考虑潜热释放的物理过程，结果显示潜热释放能够显著影响对流层的大气稳定性和环流，与实际观测结果相符。这说明潜热释放在平流层极涡异常影响对流层的过程中是一个不可忽视的因素，深入研究潜热释放的作用对于理解平流层极涡异常对对流层的影响机制具有重要意义。五、平流层极涡异常对对流层的影响机制5.3对对流层天气系统的具体影响5.3.1对寒潮天气的影响平流层极涡异常与寒潮天气之间存在着紧密的联系，极涡异常往往是引发寒潮的重要因素之一。当平流层极涡出现异常变化时，其对极地冷空气的“束缚”能力会发生改变，从而导致冷空气的扩散路径和范围发生变化，进而引发寒潮天气。在正常情况下，平流层极涡较为强盛，能够有效地将极地冷空气“束缚”在极地附近。但当极涡异常减弱时，极地冷空气会失去原有的“束缚”，更容易向南扩散。在2021年冬季，北极平流层极涡出现了异常减弱和分裂的现象。极涡的减弱使得极地冷空气迅速南下，导致北美洲和欧洲部分地区遭遇了极端寒冷的天气，出现了严重的寒潮事件。在美国，此次寒潮导致德克萨斯州等地气温骤降，出现了大面积的冻雨和暴雪天气，造成了电力供应中断、交通瘫痪等严重后果。在欧洲，英国、法国等国家也受到了寒潮的影响，出现了低温、大风和降雪天气，给当地居民的生活和生产带来了极大的不便。平流层极涡异常还会影响寒潮的强度和路径。当极涡异常偏强且中心位置偏向某一地区时，该地区更容易受到强寒潮的侵袭。在2012-2013年冬季，北极平流层极涡强度偏强，且中心位置偏向欧亚大陆。这使得欧亚大陆的中高纬度地区受到了强寒潮的影响，西伯利亚地区出现了极端低温事件，部分地区最低气温达到零下50℃以下。极涡异常还会导致寒潮路径发生改变。当极涡中心位置偏移时，极地冷空气的扩散路径也会相应改变。在2018-2019年冬季，北极平流层极涡中心位置向东偏移，导致冷空气的扩散路径向东移动，使得北美洲东部地区受到了寒潮的影响，出现了低温、降雪等天气。平流层极涡异常对寒潮天气的影响机制主要与大气环流的调整有关。当极涡异常时，会导致行星波的传播和能量分配发生改变，进而影响对流层的环流形势。极涡异常还会导致经向环流的调整，使得极地冷空气更容易向中低纬度地区扩散。这些环流调整会导致寒潮天气的发生和发展。通过对气象观测数据的分析，发现平流层极涡异常与寒潮天气之间存在着显著的相关性。在极涡异常年份，寒潮事件的发生频率和强度明显增加。利用数值模拟实验也进一步验证了这一关系。在模拟实验中，设置平流层极涡异常的初始条件，结果显示会出现寒潮天气，且寒潮的强度和路径与实际观测结果相符。这说明平流层极涡异常是影响寒潮天气的重要因素之一，深入研究两者之间的关系对于提高寒潮天气预报的准确性具有重要意义。5.3.2对风暴路径和强度的影响平流层极涡异常对风暴的生成、发展和移动路径有着重要影响，与风暴强度之间也存在着紧密的联系。当平流层极涡出现异常变化时，会导致大气环流的调整，进而影响风暴的生成和发展环境。在风暴生成方面，平流层极涡异常会改变对流层中的水汽输送和垂直运动条件。当极涡异常减弱时，极地冷空气南下，与中低纬度地区的暖湿空气交汇，容易形成强烈的上升运动。这种上升运动有利于水汽的凝结和云的形成，为风暴的生成提供了条件。在2019-2020年冬季，北极平流层极涡异常减弱，极地冷空气与中低纬度地区的暖湿空气在欧洲部分地区交汇，形成了强烈的上升运动，导致该地区出现了多个风暴系统。极涡异常还会影响对流层中的水汽输送。当极涡异常时，会导致大气环流的调整，改变水汽的输送路径和强度。如果水汽输送增强，会为风暴的生成提供更多的水汽，有利于风暴的发展。平流层极涡异常对风暴的移动路径也有着显著影响。风暴的移动路径主要受到大气环流的引导，而平流层极涡异常会导致大气环流的改变，从而影响风暴的移动路径。当极涡异常时，会导致行星波的传播和能量分配发生改变，进而影响对流层中的大气环流。这种大气环流的改变会使得风暴的移动路径发生偏移。在2021年冬季，北极平流层极涡异常导致大气环流发生改变，使得一个原本向东北方向移动的风暴系统受到影响，移动路径向南偏移，影响了美国东海岸地区。在风暴强度方面，平流层极涡异常与风暴强度之间存在着密切的关系。当极涡异常时，会导致大气环流的调整，使得风暴所处的环境场发生改变。如果风暴所处的环境场有利于其发展，如存在强烈的垂直风切变、充足的水汽供应等，风暴的强度会增强。在2020年秋季，北极平流层极涡异常导致大气环流调整，使得北大西洋上的一个风暴系统所处的环境场变得更加有利于其发展。该风暴系统在发展过程中，垂直风切变增强，水汽供应充足，最终发展成为一个强烈的风暴，给欧洲西部地区带来了狂风和暴雨天气。通过对气象观测数据的分析，发现平流层极涡异常与风暴路径和强度之间存在着显著的相关性。在极涡异常年份，风暴的移动路径和强度往往会出现异常变化。利用数值模拟实验也进一步验证了这一关系。在模拟实验中，设置平流层极涡异常的初始条件，结果显示风暴的移动路径和强度会发生改变，与实际观测结果相符。这说明平流层极涡异常是影响风暴路径和强度的重要因素之一，深入研究两者之间的关系对于提高风暴天气预报的准确性具有重要意义。六、案例研究6.12021年北半球极寒天气案例分析6.1.1极涡异常演变过程2021年年初，北半球经历了一场罕见的极寒天气，这与平流层极涡的异常演变密切相关。在2020年12月，北极平流层极涡呈现出相对稳定的状态，其中心位于北极点附近，强度和范围处于常年平均水平。进入2021年1月，平流层爆发性增暖（SSW）事件的发生成为极涡异常演变的关键转折点。平流层爆发性增暖是指冬季极区平流层内温度突然升高并伴随极涡减弱的异常事件。此次事件使得北极平流层极涡开始出现明显的偏移现象。通过对100百帕高度层位势高度场的监测，发现极涡中心在1月上旬逐渐向欧亚大