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平流层对对流层急流风暴和地表天气的影响

Kidston, Adam A. Scaife, Steven C. Hardiman, Daniel M. Mitchell, Neal Butchart*, Mark P. Baldwin and Lesley J. Gray

摘要：平流层对我们经历的天气状况有很大的影响，平流层非常明确的在地标以上到50千米的高度，因此是在地球大气最低层的天气系统。平流层和在冬季形成的极地西风急流的速度具有耦合关系：加强的极地急流会使风暴的路径和对流层急流向赤道移动。结果就是减弱的平流层急流会使北欧和美国东部的地表天气有极大可能性的降温。对流层涡旋放大了地表影响，但是这其中的物理原因并不是很清楚，在不同的时间尺度中从日变化到长期的气候变化趋势都有着相同的动力学关系，得出在不同时间尺度的有一个统一的物理规律。最后，对于平流层和对流层之间的动力学关系理解的提升将会提高长期的天气预报和气候变化预测。

平流层只占据了百分之30的地球大气，在每日天气系统发生的对流层之上。向上渗透的天气系统被抑制。特别的，越小的浓度会有越明显的干燥的稳定的平流层强风（从下看）不能维持区分天气系统的动力因子。因此天气系统不是由平流层中的状况直接影响。事实上，比过去十年要好一点，粗糙分析的平流层对于大部分天气和气候模型就足够了，特别是给出相关低层大气和平流层密度。今天认为平流层和对流层之间的动力联系发挥了一个重要的向下影响，这种影响对地表天气产生影响。

在长期的冬季，高纬度平流层非常冷并且被快速移动的极地涡旋边界的西风急流支配。当西风急流不是很强时，行星尺度波向上传播至平流层，强烈的混合和相关形成的性质在那里破碎分散，在那里形成了中纬度平流层冲浪带。这个破碎波减慢了平流层急流，且风向甚至转向为东风，这个事件伴随着极地温度成十上百的升高，有时比中纬度上升的更多。比如2009年1月，在中层平流层在北极的温度在半天内由零下70度以下上升到零下10度，这种事件称为平流层突发性增暖或SSWs。这个事件在北半球平均大约每十年发生6次，但只有在南半球观测到发生的SSWs事件。

北半球比南半球有更多的行星尺度波，由于更强的海气作用和更广阔的地理环境，因此南半球极地涡旋比在北半球相应的涡旋更强。它在南方的春/夏季节性间歇在季节性循环中发生的比北半球极地涡旋更晚。更强的南方极地涡旋在冬季中期时抑制行星尺度波多样性。因此，在南半球的极地的流场是准定常或者变化很小。当南部春天到来时，涡旋变弱，行星尺度波更容易穿到平流层。导致了大致在季节性间歇11月和1月中的季节变化。相反的，北半球极地涡旋表现出重要的在11月至3月整个时期的季节性变化。

因此在两个半球在平流层中最活跃的时期包含相同的月份（11月和1月）并不像预期的6个月那样变动。至少在平流层活跃时观测到向下的影响在北半球比较突出。（图一）相关性可以扩大到十月那么晚。由向下影响导致的对流层涡旋耦合或天气系统的反馈对于地面反馈也很重要。因此在平流层对流层耦合的动力解释中必须考虑对流层对平流层-对流层耦合的反馈。（表一）

对流层对平流层-对流层耦合的反应

平流层急流速度的变化影响相对应对流层纬度，这意味着对流层中纬度变化性的支配模式——北方和南方经向震荡环型模式（N/SAM），在变化中起主要作用的是极地急流的变化强度而不是它的纬度。在两个半球，对流层上部平流层风减弱时，急流向赤道方向。当平流层风加强时转为向极地。平流层-对流层耦合导致了对流层中纬度变化及相应的平流层变化的支配模式。还有和弱和强的平流层风状况的定性的线性关系。

平流层-对流层耦合以这种关系为特征：平流层极地急流加强时对流层急流轴向极地移动，且在近地面气压梯度也有减小。反之亦然，在从周变化到长期气候变化的所有时间尺度都有这种关系。通常这种耦合和导致平流层急流速度变化的机制无关。不论是这种机制是由一个真正的物理过程或者是由于模型偏差引起的。

比如在月际中在极地30天的观测中会有异常高压。跟随在SSWs现象以后，在熵中会有异常低压，说明出现了反常的NAM。在十年际中，太阳辐射影响平流层中温度梯度和风速。同样大型火山爆发气溶胶注入平流层也会有相关的效果。平流层对流层耦合动力机制为这变化提供去影响地表气候或者甚至海洋气候的路径。在数十年代际，穿越平流层从赤道向极地的高空运动称Brewer-Dobson 循环。由于在大气中湿空气含量升高而加速。在空气向极地运动更快时为保存角速度极地急流减弱。当温室气体含量增加时减弱了太平洋海平面气压的投影。但相对应的平流层循环收到抑制。比如在模式中，平流层几乎不表现。

在南半球平流层-对流层耦合有相似的表现。事实上认为在长期的过程中由于南极的减小而影响平流层风，会导致脑部夏季的SAM更明显，加强回归线的扩展。

在这样一个几乎难以平衡的系统中仅仅使用观测的方式，很难去回答是否有一个平流层对地表天气的向下影响。因此用扰动模式检验，结果发现对流层反馈和在观测和没有外力影响的耦合假设中平流层-对流层耦合一样。验证了平流层会对对流层和海平面温度起作用，反对了仅仅是和温度共变。平流层过程中由于南极的减小而影响平流层风会导致在南部的夏天的SAM更明显，加重回归线的扩展。在这样一个几乎难以平衡的系统中仅仅使用观测的方式，去回答是否有一个平流层对地表天气向下的影响很难，因此，用扰动模式检验，结果发现对流层反馈和在观测和没有外力影响的耦合假设中的平流层-对流层耦合一样，这验证了平流层会对对流层和海平面温度起作用，反对了仅仅是和对流层的共变。

平流层急流比对流层急流位置纬度更高，这样，动力学表现可以选择对流层急流轴纬度，通过这个向下的控制机制，平流层扰动会引起地表作用，这个可以解释隐藏的部分区域中主要的对流层反馈，事实上，模型的区域的主要平衡的对典型的异常平流扰动作用的反馈和观测到的伴随着平流层-对流层耦合的对流层反馈定性相似。另一方

面，平流层单独作用不能解释观察到的伴随

对流层急流纬度变化的动量传输。

相同的对流层反馈作用一般在大西洋和太平洋风暴中发现，但并不能准确的解释分区平均余额。平衡的流体动力学也不能完全解释为什么观察到的对流层反馈在一个给定的平流层是强烈变化的。相反，这很可能是由于对流层中不相关的变异性造成的，为了观察对流层的反应，它必须在许多事件中进行评论筛除，此外，模式的向下影响随地面气流而不同，这和平流层-对流层作用的直接反馈不同。

在活跃的耦合季节中，NAM和SAM异常特征的时间尺度是明显增加的，这些异常是由涡旋维持的，涡旋动力和原始平流层强迫作用规定了他们的时间尺度。因此，在一年中固定的某些时刻，伴随着平流层-对流层耦合的加强了的NAM/SAM又一次表明了对流层涡旋的变化。特别的，平流层影响着在对流层中减小了的动量涡旋。

虽然平流层扰动对于对流层的直接向下影响不能解释平流层-对流层耦合现象的所有方面，但它被认为是启动对流层相应的必要条件。广义上说，直接的向下影响包括整个极地区域的作用。就像一个巨大的活塞向上或向下移动，取决于扰动的标志。导致在对流层中产生和传播的涡旋和天气系统的变化。这种类似活塞的现象就是在图表box1中的对流层顶运动。对流层涡旋运动动量通量的相应变化的反馈对了解观测对流对平流层扰动的响应是至关重要的。比如，几乎可以肯定的是，对流层中对臭氧层空洞的区域风响几乎可以通过对流层上层的涡旋动量通量反馈来表现。

通过研究结果提出一种关于平流层-对流层耦合的相关理论是非常复杂的。这一理论认为驱动平流层变化的向上传播的行星尺度波或许自身会受到极地急流加强或减弱的制约。加强的平流层极地急流通常会使向上传播的对流层行星尺度波更多的向赤道方向传播。且波动量通量引起的变化可能会更好的维持对流层急流向极地方向的移动。或者向上传播的的行星波可以被平流层极地急流反射，从而有可能直接影响对流层循环。

图1，循环异常。在北半球(a)和南半球(b)的主要模式中，可变性为20度，a、b、持续时间与高度(如大气压力所示)的变化，并从1958-2009年消除季节性因素的日常再分析数据中得出。在11月到1月之间，伴随平流层异常(即在小于100 hPa的压力下)的长期持续的时间尺度会向下移动到地面，与平流层和对流层之间的强耦合保持一致。美国气象学会的图14。

地表天气方面

大量的观测和模型研究表明，在极端地表天气和气候的出现中，和平流层(及其与对流层的耦合)是有关联的。在平流层的极地急流减弱之后，平流层-对流层耦合增加了大西洋的极端天气可能性。无论是通过这种增强的阻断，还是通过其他的平流层-对流层耦合过程，平流层的急流变化都与欧洲和美国东部地区的极端天气和气候事件有关，这些事件伴随着极端的日气温，霜冻和暴雨的风险增加。

BOX1 Stratospheric downward influence

通过考虑所谓变换的欧拉(TEM)动量方程，波动如何影响区域平均的速度(由画线表示)西风(u)可以被最简洁地描述。TEM动量方程来自于将传统的控制区域平均环流和使波动力的直接和间接贡献分离的大气热力学创造性的重新排列，至少在这个综述中是这样的。

这里(v，w)表示剩余的平均环流的向北和向上的分量，这本质上决定了通过平流层的质量的运输。波的角动量由波通量F和其他的力来表示，例如由模型所解析的小规模重力波，由X表示。其余的符号使用遵循标准，也就是说,t是时间,z是一个近似测量高度,ϕ是纬度,rho;0意味着大气密度高度z,地球的半径,f 科氏力参数,一般来说由于地球自转的影响。下标表示对那个变量的导数。更多的细节在第96页。

平流层的极地西风气流(ut)的速度变化是由对流层(iii和iv)的波传播而来的，波是向上传播动量(比如，通量F)，并且随着衰减的大气密度而增加振幅。在平流层中，波浪“断裂”，并通过波通量汇合(iii)增加角动量。波的作用也导致了对剩余的平均质量循环(v，w)的改变，使得在纬度(i)和垂直(ii)中移动的平均西动量，汇合了角动量，保持了质量的连续性。一般来说，这两种效应是相互对立的，当它们处于绝对平衡状态时，假设X为零，那么平流层的极地急流是稳定的。如果波断裂(iii)减弱(也就是异常的弱)，那么极地急流加速，伴随向赤道方向的动量运输(i).由质量连续性，向上的运输是在极冠上引起的，在低纬度(ii)下沉，如果波断裂(iii)增加，则相反。

方程式(1)的关系，以及与对流层的关系，都在示意图中得到了说明。较弱波动的驱使使得平流层急流加速(1),伴随着一个异常平均残差经向环流(2),剩余环流异常使极冠质量减小，减少极冠压力,使极地空气绝热冷却上升(蓝色箭头),在中低纬度地

区补偿速度和增温(红色箭头)。在风速、压力和温度梯度的平衡(被称为地转、流体静力和热风平衡)中意味着一个非局部的反应，对给定的流动扰动，这样在平流层急流的速度(1)中，动力引起的变化的影响可以立即扩展到对流层，由于异常的残余环

流的质量的快速再分配，使系统恢复平衡。在稳定状态下，唯一能够使增加急流速度异常波动动量沉积的下沉，(1)是近地面的摩擦，而这反过来又意味着在行星边界层内有对异常循环的回流(2)。

通过上升/下降使质量重新分布，增加了对流层顶的高度，降低了极地纬度的海平面气压平均值，在中纬度地区反之亦然(3)，在平流层急流异常强劲的高速气流驱动下，逆反应得到了相反的响应。浅蓝色和红色的阴影分别表示，由波驱动的残差平均循环的绝热冷却和增暖。这个循环向下扩展到对流层,替换了对流层顶(3)。在大气对流层顶下部温度变化相对较小,因为更接近于干绝热递减率(也就是说,同样的垂直位移较大的温度变化在平流层比对流层大)。

人们普遍认识到，和向极地的转向的对流层急流（5）联系的对流层的旋涡反馈(4)对于产生平流层-对流层耦合的完整程度是至关重要的，尽管这些细节还不太为人所知。涡旋反馈来自于初始直接向下的影响，产生的直接影响来自于快速的质量再分配，或者对流层天气系统生成(4)或现有的波(4)的传播，或者，实际上是两个过程的组合。无论哪个进程最重要的是,观察到的结果是对流层急流在高纬度地区加速和在中纬度地区减速(5)导致平流层风为强西风时，急流和地面气旋的足迹都向极地网格移动。

与此同时，平流层也被卷入了1962-1963年71年极寒的欧洲冬季，并帮助推动冬季NAO在2009-2010年72年创下历史最低记录。40%的极端冬季寒冷天气席卷欧洲将被模拟，在此之前，平流层的极地急流将会减弱。

当平流层的极地急流减弱到一定程度时，就会产生一个SSW，其大小的影响取决于SSW的结构。当平流层的极地涡旋分裂成两个(分裂的事件）比极地涡旋只是移离极点(位移事件)的SSW会产生更强的响应。平均而言，分裂事件占到SSWs的50%左右，而表面反应在它们发作后仅仅2-3天就会出现。分裂事件通常与北美东部地区的正温度异常(大于1.5 K)和欧洲上空的负异常相关(最多为-3 K)有关，这是一种强烈的负的地面NAO模式的表现。虽然信号很弱并且下降的更慢，但是位移事件常常导致冷空气席卷北美。

由平流层-对流层耦合引起的极端天气的变化，与在不活跃的NAM/ NAO发生的变化类似，而不考虑NAM/NAO变化的原因。尽管如此，由于在整个时间尺度上，平流层对NAM/NAO的的影响是相似的，对极端天气的影响也会在不同时间尺度上有类似的变化。即使是在数十年的时间尺度上，极端事件的变化——比如北欧的霜冻，也可以被平流层环流的变化所控制而不是仅仅是系统的气候变化。

无论平流层的急流是异常弱还是强，一些极端天气事件的风险都增加了。尽管在SSWs之后出现了一种弱对流层急流，并且增加了寒冷的空气爆发的风险(图4)，但一种异常强大的平流层急流增加了地表的恶劣天气概率。平流层的赤道风每隔28个月就会出现一次东部西

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