在“平流层—对流层过程及其在气候中的作用（SPARC）”研究计划支持下，越来越多的研究表明，平流层不仅被动受到对流层的影响，还可以反过来影响对流层大尺度环流变化，进而影响近地面天气气候。其中，有研究指出北半球平流层弱极涡异常可向下影响中高纬度地区的寒潮低温，有望成为冬季气温的新次季节可预测性来源。然而，平流层极涡除了其季节内尺度的主导变率外，还存在月内尺度变率；这些平流层变率能否向下显著影响到对流层，通过哪些关键过程实现，仍不十分清楚。这大大制约了平流层在业务预报中的有效应用。
针对这一问题，中心虞越越教授等人基于EEMD信号处理方法、等熵大气经向质量环流理论开展了分尺度的平-对流层相互作用机理研究。研究发现，大陆尺度寒潮低温事件的发生与对流层低层北极冷空气质量的经向输送（等熵大气经向质量环流冷支）直接相关。该冷支具有显著的月内（10-30天）和月到季节（>30天）尺度变率，前者恰为平流层向极地暖空气质量输送（平流层暖支，对应平流层极涡的变化倾向）的主导时间尺度，后者恰为平流层极涡强度的主导时间尺度。而与平流层毗邻的对流层中高层向极地暖空气质量输送（对流层暖支）却更是由10天以下的天气尺度变率主导。这说明对流层低层冷支与平流层暖支之间似乎存在更为紧密的联系。分尺度结果进一步指出：
1）在月内和月到季节两个时间尺度上，平流层暖支都有落后于对流层冷支的变化信号，主要是由对流层向上传播的波动驱动，这些波动多与欧亚大陆寒潮有关。
2）平流层的显著向下影响只在月到季节尺度上出现，其中非地转的纬向平均经向流扮演了重要角色。在更强的暖空气质量输送到北极平流层后，极地平流层空气质量异常对总柱空气质量起主导贡献，使得在平流层和地表都出现伴随弱极涡的极地高压和中纬度低压异常，从而形成近地面异常向南的气压梯度，其导致的纬向平均经向流异常驱动北极冷空气质量从北美路径挤出，利于北美寒潮低温在平流层极涡弱事件之后发生。
图. 从冷暖空气质量输送和NAM垂直结构角度揭示的平流层-对流层耦合示意图。“Ä (⊙)”表示向极地（赤道）输送异常加强。红色（蓝色）阴影矩形表示高（中）纬度地区的正（负）质量异常，对应于平流层北半球环状模和北极涛动负相位。
相关研究成果发表在《Journal of Geophysical Research: Atmosphere》。
论文信息：
Yu, Y., Ren, R., Liu, B., Wang, L., Chen, H., & Yang, Y. (2023). When and how can the stratosphere modify the midlatitude cold air outbreaks in northern winter: An isentropic meridional mass circulation view. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 128, e2023JD038601. https://doi. org/10.1029/2023JD038601