北极涛动（AO）是北半球热带外地区大气环流变率的主导模式，显著影响着北半球大部分地区的天气与气候异常。对于AO的年代际变化特征，以往研究主要关注固定空间型AO指数的变化，或关注易受热带信号干扰的AO太平洋中心，但这些方法往往未能有效捕捉AO本身的变化特征。AO北极中心的空间结构对极地冷空气向南侵入中纬度地区的路径和强度起着决定性作用，进而影响北极与中纬度地区之间的相互联系。已有研究表明，AO北极中心在趋势、年际以及次季节尺度上表现出不同的变化特征，但对于其年代际变化特征、气候影响及形成机制的理解仍然存在不足。
2024年11月，南京大学大气科学学院博士生方舟、孙旭光教授和杨修群教授联合南京信息工程大学大气科学学院朱志伟教授揭示了冬季AO北极中心空间型的年代际变化特征。相关成果发表于Geophysical Research Letters。
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冬季AO北极中心具有双槽型和单槽型两种不同的空间型，并在不同的年代段交替出现
研究首先利用17年滑动窗口的Running-EOF方法，分析了1960-2024年间的ERA5再分析数据，提取了AO空间型随时间的变化。为了避免热带信号的干扰，研究重点关注AO北极中心，并采用K-means聚类方法对其进行分类。结果表明，AO北极中心存在两种不同的空间型，并表现出显著的年代际变化特征（以上详见原文，图略）。与传统的固定空间型AO不同，在1960-1997年和2013-2024年期间，AO北极中心呈现两个低压槽，分别位于北美和乌拉尔山地区；而在1998-2012年，AO北极中心仅存在一个位于北美的低压槽（图1）。值得注意的是，尽管三个阶段的AO指数与固定空间型AO指数高度相关，但其空间结构存在显著差异。在利用固定空间型AO进行气候预测时，通常忽略了空间型的变化，这可能导致对气候异常的物理解释出现偏差。
图1：冬季海平面气压异常（单位：pascal）对AO指数的回归（a-d）及相应的AO指数（e-h），统一为AO正位相。分别显示了整个时间段（1960-2024年；a, e）、阶段Ⅰ（1960-1997年; b, f）、阶段Ⅱ（1998-2012年; c, g）以及阶段Ⅲ（2013-2024年; d, h）的结果。打点区域表示在90%置信水平下的统计显著性
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冬季AO北极中心空间型的年代际变化受到北大西洋中纬度海表温度经向梯度年代际背景的调制作用
研究发现，北大西洋海温异常型在三个阶段表现出不同的特征，但其经向梯度在阶段I和阶段III均增强，而在阶段II减弱。北大西洋经向海温梯度指数的年代际变化与AO北极中心空间型的年代际变化高度一致，并且通过MK检验能够清晰识别（图2）。在阶段I和阶段III期间，北大西洋经向海温梯度的正异常通过动力过程增强了局地西风，并激发了向下游传播至中亚的罗斯贝波列，从而导致中东地区西风急流（MEJ）减弱并向东南方向移动（图3）。这种年代际背景有利于年际尺度上极地冷空气的向南入侵，进而增强了欧亚大陆中高纬度地区，特别是乌拉尔山地区与AO相关的大气变率（详见原文，图略），最终形成了双槽型AO北极中心。相反，在阶段II期间，北大西洋经向海温梯度的减弱导致了单槽型AO北极中心的形成。
图2：北大西洋海表温度经向梯度指数（a）及其MK检验结果（b）。注：（a）中的水平实线表示阶段Ⅰ*（1971-1997年）、阶段Ⅱ和阶段Ⅲ期间的平均值
图3：阶段平均的冬季200 hPa纬向风异常（单位：m/s）在阶段Ⅰ*（1971-1997年; a）、阶段Ⅱ（b）和阶段Ⅲ（c）中的变化。（d, e）展示了阶段Ⅰ*与阶段Ⅱ（d）、阶段Ⅲ与阶段Ⅱ（e）之间的差异。紫色和绿色等值线分别表示气候态纬向风速为30米/秒和50米/秒的范围。打点区域表示在90%置信水平下的统计显著性
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冬季AO北极中心空间型的年代际变化伴随着大气环流和地表气温异常的变化
与双槽型AO北极中心相对应，在阶段I和阶段III期间，偏向欧亚的AO北极中心增强了北极与欧亚中纬度地区的共同变率，北极至东亚之间形成了经向和纬向传播的两条罗斯贝波列，这有利于形成“冷北极—暖欧亚—冷青藏高原”的三极型地表气温异常；与单槽型AO北极中心相关，在阶段II期间，欧亚大部分地区受异常高压控制，导致了“冷北极—暖欧亚”的偶极型地表气温异常（图4、5）。研究结果为在不同年代际背景下，利用AO信号更好地理解和预测欧亚年际尺度气候异常提供了重要的理论依据。
图4：基于AO正位相合成的冬季200 hPa位势高度异常（阴影；单位：m²/s²）和波活动通量（箭头；单位：m²/s²）在阶段Ⅰ（a）、阶段Ⅱ（b）和阶段Ⅲ（c）中的变化。打点区域表示在90%置信水平下的统计显著性
图5：基于AO正位相合成的冬季2米温度异常（单位：K）在阶段Ⅰ（a）、阶段Ⅱ（b）和阶段Ⅲ（c）中的变化。（d, e）展示了阶段Ⅰ与阶段Ⅱ（d）、阶段Ⅲ与阶段Ⅱ（e）之间的差异。打点区域表示在90%置信水平下的统计显著性
该研究得到了国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项（2022YFE0106600）、国家自然科学基金项目（42375036）、中央高校基本科研业务费专项以及南京大学国际科研合作种子基金的资助。
论文引用方式：Fang, Z., Sun, X., Yang, X.‐Q., & Zhu, Z. (2024). Interdecadal variations in the spatial pattern of the Arctic Oscillation Arctic center in wintertime. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL111380. https://doi.org/10.1029/2024GL111380
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中国气象局气候预测研究重点开放实验室
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