在2020年底至2021年初的冬季，亚洲和北美爆发了打破历史观测纪录极值的极端低温事件，严重干扰社会生产生活，并造成大量人员伤亡与财产损失。在全球变暖背景下，极端低温事件不仅并未减少，反而有持续频发，其可能影响因素及形成机制是怎样的呢？
等熵大气质量环流是半拉格朗日观点下的大气经向环流理论模型。一方面，其异常变化可定量表征冷、暖空气的经向输送强度，从而揭示以“暖极地-冷中纬”为主要特征的寒潮低温事件的具体物理过程；另一方面，其低层向赤道冷支往往通过深厚的大尺度行星波与高层向极地暖支相耦合，其耦合变化特征可以揭示寒潮低温过程中平流层极涡的可能作用。
虞越越教师团队从等熵大气质量环流的角度研究了2020/2021冬季破纪录的、连续发生的极端低温事件的具体过程，探讨了拉尼娜、温带暖海温异常、秋季海冰异常、平流层爆发性增温 (SSW) 在其中的可能作用，并在国际知名期刊《Advances in Atmospheric Sciences》发表了题为“An Isentropic Mass Circulation View on the Extreme Cold Events in the 2020/21 Winter”文章。结果表明，等熵大气质量环流低层向赤道冷支的加强，往往伴随东亚和北美冷空气路径上的向南冷空气质量输送以及海洋上空的向极暖空气输送的异常加强，导致寒潮低温事件的频繁发生。2020/2021冬季冷支强度超过97百分位（自1979年以来），更有利于极端低温的发生。等熵大气质量环流冷暖支强度和主要路径受到中纬度暖海温异常、秋季海冰异常的调控，并且大气质量环流与SSW事件相互作用，共同引起了2020/2021初冬2次东亚极端低温以及2月北美极端低温，但研究结果并未发现拉尼娜与等熵大气质量环流异常之间存在显著的直接联系。东亚和北美极端低温事件的相关影响因子及物理过程如图1所示。
i）2020年12月底-2021年1月初东亚极端低温：发生在东亚的两次极端低温事件与东亚冷空气路径上向南冷空气质量输送异常加强有关，其主要是受到了秋季北极海冰异常偏少的调控。同期在东北太平洋异常暖海温的调控下，北美路径上的冷空气输送减弱，使得北美在初冬异常偏暖。“东亚冷-北美暖”温度分布（尤其是海冰相关部分）伴随的行星波1波向上传播，导致等熵大气质量环流的平流层向极暖支同时加强，极地平流层的暖空气质量增加，导致1月4日发生偏心型SSW。SSW发生时平流层暖空气质量增加，这又反过来加强地面高压，使得1月初的东亚极端低温事件相比12月底的事件偏强、持续时间偏长。
ii) 2月北美低温：SSW发生后调控波动上传的经度窗口，使得暖空气在2月仅能从北美地区集中进入极区平流层，显著增强北美高压，从而使得低层向赤道冷支在北美地区加强，促进北美极端低温事件发生在SSW爆发之后。此外，北美大陆两侧的温带暖海温异常也使得冷空气更易输送至北美大陆，有利于2月份极端低温事件的发生。
文章信息：
Yu, Y. Y., Y. F. Li, R. C. Ren, M. Cai, Z. Y. Guan, W. Huang, 2022: An Isentropic Mass Circulation View on the Extreme Cold Events in the 2020/21 Winter, Adv. Atmos. Sci., In press. doi: 10.1007/s00376-021-1289-2.
图1 2020/2021冬季极端低温事件形成机制示意图