北半球冬季的平流层极涡受到对流层行星波垂直传播的强迫作用，会发生强的平流层爆发性增温事件（SSWs），极涡发生剧烈的季节内变异，极夜西风急流甚至转为东风。而南半球中纬度海陆对比没有北半球显著，对流层行星波强迫较弱，因此南半球平流层极涡很难发生强SSW事件，有观测记录以来仅在2002年9月发生过一次SSW事件。
然而，南半球极涡在冬季也常有季节内显著减弱的现象，伴随着平流层极区突然增温和极夜急流的减弱，这被称为南半球弱极涡事件（WPVs），对对流层环流和天气气候有重要影响。尽管北半球SSWs的研究较为广泛，但南半球WPVs的研究相对有限，尤其是前期极涡条件（vortex preconditioning）在南半球WPVs发生中的作用尚未得到系统研究。近日，博士研究生杨鹏坤、鲍名教授、任雪娟教授与北京师范大学夏炎副教授合作研究，揭示了南半球弱极涡事件发生的平流层内部动力机制，论文发表在最新一期美国气象学会期刊《Journal of Climate》。
研究发现，南半球WPVs的发生与前期平流层极涡状态密切相关（图1）。在WPVs发生前的80天内，平流层极夜急流向极地移动，伴随着沿极涡边缘的经向位涡梯度增强。这种平流层极涡异常状态为行星波向上传播提供了有利条件，进而导致极涡减弱。约84%的WPVs在发生前具有显著的平流层极涡条件作用。此外，约36%的WPVs仅由前期极涡条件作用所触发，而没有显著异常的对流层行星波强迫。这表明前期极涡条件能够在部分南半球WPVs的发生中起到主导作用，尤其是在对流层行星波较弱的情况下。
图1 WPV事件发生前后（a）60°S的纬向风异常、（b）极区平均的温度异常随高度和时间的变化、（c）经向PV梯度指数和（d）极涡强度指数的时间序列。
与北半球相比，南半球WPVs的前期极涡条件的持续时间更长，通常持续2-3个月，而北半球通常少于40天。此外，南半球WPVs在发生前更频繁地经历平流层中上层的行星一波型小振幅的增温扰动。通过多元线性回归模型该研究量化了前期极涡条件的平流层内部动力作用和对流层行星波强迫作用对WPVs的贡献。结果显示，前期极涡条件作用对2002年和2019年两次强WPVs的10天纬向风减速贡献可达到41%和65%左右。
该研究首次系统性地揭示了前期极涡条件在南半球WPVs发生中的作用，强调了平流层内部动力机制在南半球平流层极涡变异中的重要性，对于理解南半球极涡的动态变化以及其对全球气候的影响具有重要意义。
该研究以及研究组最近一系列工作（Yang et al. 2023a; 2023b; 2024; 2025）表明，前期极涡条件在热带外平流层-对流层动力耦合中的作用是一个具有普适性的基本规律。
论文信息:
Yang, P., M. Bao, Y. Xia, and X. Ren, 2025: The Role of Vortex Preconditioning in the Occurrence of Antarctic Weak Polar Vortex Events. J. Climate, 38, 1319–1332, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-24-0159.1
Yang, P., M. Bao, and X. Ren, 2024: Preconditioned stratospheric modulation on the occurrence of stratospheric final warmings. Geophys. Res. Lett., 51, e2023GL107294. https://doi.org/10.1029/2023GL107294
Yang, P., M. Bao, and X. Ren, 2023b: Influence of preconditioned stratospheric state on the surface response to displacement and split sudden stratospheric warmings. Geophys. Res. Lett., 50, e2023GL103992. https://doi.org/10.1029/2023GL103992
Yang, P., M. Bao, X. Ren, and X. Tan, 2023a: The Role of Vortex Preconditioning in Influencing the Occurrence of Strong and Weak Sudden Stratospheric Warmings in ERA5 Reanalysis. J. Climate, 36, 1197–1212, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-22-0319.1