近日，博士研究生陆倩、饶建教授、施春华教授与中国科学院大气物理研究所任荣彩研究员、芝加哥大学刘思明博士合作，发现2023/24年冬季发生了3次平流层爆发性增温（SSW）事件，期间平流层-对流层和热带-极地耦合过程都明显增强，对对流层天气和平流层水汽和臭氧的输送都产生了重要的影响。他们的研究成果Enhanced stratosphere-troposphere and tropics-Arctic couplings in the 2023/24 winter发表于nature 旗下子刊《Communications Earth & Environment》（IF=8.4）。
研究发现2023/24年冬季在QBO东风位相、厄尔尼诺和活跃的MJO3-4位相等特殊背景条件下，由于对流层行星1波和2波的向上传播，平流层发生了3次SSW扰动（图1）。平流层SSW扰动与近地表2 m温度异常变化密切相关，1月13-23日第一次SSW发生后10天内，北美大陆出现了中心为-12°C的大范围冷异常。2月15日-3月7日，第二次弱SSW爆发后，冷异常侵入北美西北部和欧亚大陆中部。3月19-31日，在第三次SSW后期，冷异常覆盖北美北部地区。
图1 2023/24年冬季三次SSW扰动特征
在QBO和强BD环流的协同作用下，热带地区的臭氧和水汽发生了较大的变异。50 hPa QBO处于东风阶段，热带地区上空纬向风呈现东风异常、西风异常和东风异常的“三明治”结构，相应的温度表现为平流层顶部和底部的冷异常。在SSW期间，随着BD环流的增强，对流层中更多的水汽被输送到平流层，导致平流层水汽为正异常。但是SSW开始后，热带平流层低层温度偏冷，相应的热带平流层底部水汽呈现负异常。由于臭氧主要集中在平流层，BD环流的增强和平流层低层冷异常导致热带平流层上层臭氧增加，下层臭氧减少（图2）。
图2 热带地区QBO、水汽和臭氧变化特征
伴随BD环流增强，北极地区的水汽和臭氧主要从热带输送而来。在观测到的3次SSW扰动中，剩余环流增强，热带上升气流和北极下沉气流同时加速，热带臭氧和水汽向极输送显著增强，北极臭氧和水汽表现为正异常。北极上空的下沉气流进一步将更多的水汽从上层平流层输送到下平流层，北极地区的水汽还表现为上平流层负异常而中低平流层正异常的特征。
图3 北极地区水汽、臭氧和BD环流分布
论文信息：
Lu, Q., Rao, J.*, Ren, R. et al. 2024: Enhanced stratosphere-troposphere and tropics-Arctic couplings in the 2023/24 winter. Commun. Earth Environ. 5, 631, https://doi.org/10.1038/s43247-024-01812-x.