平流层爆发性增温（Stratospheric Sudden Warming, SSW）是冬季极区平流层发生的快速而剧烈的增温现象。当SSW发生时，平流层极冠区的大气温度突然升高，在一周之内可升高几十摄氏度。在SSW发生之后，平流层强SSW事件产生的环流异常能够下传到对流层，并对对流层的天气气候产生影响。SSW事件伴有类似于负位相的环状模（NAM）空间结构。随着NAM信号的逐渐下传，对流层北极涛动（AO）向负相发展，大陆尺度冷空气异常爆发的可能性大为增加。发生在隆冬的SSW是平流层变率的典型代表，而隆冬时节也是京津冀地区颗粒物污染的多发期，那么SSW对京津冀地区大气颗粒物污染是否具有调制作用呢？
近日，中心饶建教授、施春华教授、郭栋副教授同北京市气候中心王冀教授、河北省公共气象服务中心付桂琴正高工合作，使用多个SSW样本历史资料，对比了冬季极涡偏心型和极涡分裂型两类SSW事件对京津冀地区大气环境次季节变率调制作用的差异，相关研究成果已发表在国际著名地学期刊ACP上。
此研究发现由于分裂型SSW事件的持续时间更长，平流层信号脉冲比偏心型SSW向下传播得更深，因此分裂型SSW事件期间京津冀地区大气环境的次季节变率更大。由于与行星波增强相关的对流层扰动增强，SSW爆发前期期京津冀地区的能见度偏高，大气颗粒物浓度较低。随着增强的行星波进入平流层，此时对流层扰动减弱，SSW爆发期京津冀地区的能见度降低，大气颗粒物浓度上升。在SSW爆发后期，京津冀地区能见度随平流层负NAM信号向下传播而升高，大气颗粒物浓度降低。
具体的影响机制是在极涡偏心型（分裂型）SSW事件的前期，1波（2波）活动增强，东亚大槽加深，东亚冬季风加剧。特别是在分裂型SSW事件的前期，在对流层大气环流型调整的影响下，京津冀地区的空气质量较佳。在SSW爆发期，随着行星波上传和对流层扰动的减弱，东亚冬季风随之减弱，观测到空气颗粒物浓度有所增加。SSW爆发后，由于平流层负NAM信号向下传播，东亚东北部（特别是分裂SSW后期）冷温度异常发展，对应于京津冀地区空气质量的向好期。此外，论文还讨论了两类SSW期间的局地气象条件，包括边界层高度等物理参数。
图1 偏心型和分裂型SSW期间北极平均气温、60°N纬向平均纬向风和北极平均位势高度异常演变。
图2 偏心型和分裂型SSW期间京津冀地区能见度演变。
论文信息：
Lu, Q., J. Rao*, C. Shi, et al, 2022: Possible influence of Sudden Stratospheric Warmings on the atmospheric environment in the Beijing-Tianjin-Hebei region. Atmos. Chem. Phys., 22 (19): 13087–13102. https://doi.org/10.5194/acp-22-13087-2022
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Lu, Q., J. Rao*, D. Guo, et al, 2021: Downward propagation of sudden stratospheric warming signals and the local environment in the Beijing-Tianjin-Hebei region: A comparative study of the 2018 and 2019 winter cases. Atmospheric Research, 254(5542): 105514. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2021.105514.
Lu, Q., J. Rao*, C. Shi, G. Dong, J. Wang, Z. Q. Liang, and T. Wang, 2022: Observational subseasonal variability of the PM2.5 concentration in the Beijing-Tianjin-Hebei area during the January 2021 sudden stratospheric warming. Adv. Atmos. Sci., 39(10): 1623–1636. https://doi.org/10.1007/s00376-022-1393-y.