平流层前兆引发“暖北极—冷欧亚”格局的冬季相位反转

为何北方暖化与欧亚变冷的摆动重要

欧洲和亚洲各地的人们注意到日益剧烈的冬季气候反复：有一个月北极异常暖和，而西伯利亚却在颤抖，同一冬季后期这一格局又会翻转。这些变化并非气象爱好者的奇闻；它们影响采暖需求、能源安全、农业，以及严寒突发事件和沙尘暴的风险。本文提出了一个表面上看似简单但意义重大的问题：我们能否在高层大气中发现预警信号，提前数周识别这些突发的冬季反转？

南北之间的跷跷板

科学家描述了一种反复出现的格局，称为“暖北极—冷欧亚”，即北极上空冬季气温异常偏高，而欧亚大部地区则比常年更冷。相反的配置“冷北极—暖欧亚”也会出现。近几十年，冬季越来越表现出这两种状态之间的剧烈切换：初冬可能由一种格局主导，而晚冬则强烈翻转为另一种。由于早期和晚期相位在季节平均值中互相抵消，这些摆动的全部戏剧性在传统统计中被掩盖，但在实际地面天气中它们会导致突发的冷—暖转换，并提高东亚出现严重寒潮乃至华北春季大型沙尘暴的风险。

云层之上隐藏的驱动器

在我们日常经历的天气系统之上，是平流层极涡——一道环绕北极、位于数十公里高空的高速风带。极涡会改变形状：有时收缩并从北美—北大西洋区移开，有时向该区域伸展。作者表明，这种在北美—北大西洋上空形状的系统性变化，通常在地表格局（暖北极—冷欧亚及其相反态）反转前约25天就已出现先兆。若极涡在初冬于该处呈收缩态，地表格局更常出现冷北极与暖欧亚；随后若极涡向该区伸展并增强，地表格局倾向于相反方向翻转，出现暖北极与冷欧亚。这一时序关系不仅在近几十年成立，把记录延伸回20世纪50年代初也同样成立。

波动如何把信息向下传递

作者追踪了这一高空变化如何影响地面。当北美—北大西洋上空的极涡处于收缩态时，平流层会出现一对反差显著的气压异常：北美—北大西洋上空偏高，西欧亚上空偏低。大气中的波动性扰动倾向于在北美上空向上运动，然后向西欧下传，引导这些异常从平流层高度传递到日常天气层。在近地面层，这会削弱乌拉尔山脉上通常重要的高压带。随着“乌拉尔高压”被抑制，来自北极的冷空气不易南下侵入欧亚，助长了初冬出现相对较暖的欧亚与较冷北极的格局。

从遥远的极涡变化到欧亚寒潮爆发

季节后期，随着极涡向北美—北大西洋方向伸展并变得更强、更不对称，波动格局发生变化。此时，扰动倾向于在北大西洋上空向下传播，强化高空的西风，利于形成被称为正位北大西洋振荡的海洋上压强格局。随后，波能向东传播进入欧亚并累积，建立起更强的乌拉尔高压。这个恢复的高压系统有助于将北极冷空气引导南下至欧亚，同时北极自身变得相对温和——这正是经典暖北极—冷欧亚相位的印记。研究不仅通过统计分析证实了这些机制，还通过个别冬季（如1983–84年）检视：当年极涡形状的强烈变化在数周前就先于东亚一次有据可查的寒潮。

在模型高层对气候模式进行检验

为检验现有气候模式能否捕捉这一连锁反应，作者分析了来自最新一代全球模式的大量模拟数据。他们识别出模拟中极涡在北美—北大西洋间切换收缩与伸展态的年份，并考察地表温度的响应。总体上，模式重现了这类极涡转变倾向于引发北极—欧亚温度格局翻转的趋势，但响应比观测要弱，且模型之间差异很大。一个关键区别在于模式向上延伸到大气的高度：包含更多平流层的“高顶”模式，比停留高度较低、错过大量平流层动力过程的“低顶”模式，更能模拟出从极涡变化到欧亚地表温度的较强下传联系。

这对未来冬季预报意味着什么

对非专业读者来说，重要结论是：位于北极上方数十公里的风带形状，几乎可在近一个月前预示晚冬欧亚是否更可能从暖转寒或相反。这个平流层信号比以往认为的热带海洋影响解释了更多相位反转强度，因而为次季节至季节预报提供了一个有价值的新线索。研究还强调，为改进极端冬季事件及其连锁后果（如能源危机或沙尘暴）的预报，气候和天气模式必须真实再现那些发生极涡变化的大气高层过程。

引用: Zhang, Y., Yin, Z., Tian, W. et al. Stratospheric precursor induces wintertime phase reversal of the “warm Arctic-cold Eurasia” pattern. Nat Commun 17, 3284 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70100-3

关键词: 北极变暖, 欧亚冬季严寒, 平流层极涡, 次季节预报, 罗斯贝波