冬季驻波的增强，北半球的气候变化和极端天气

北半球冬季驻波（大型、缓慢移动的大气波）与大规模天气模式和极端天气事件的发生密切相关，已成为理解全球变暖如何影响大规模大气环流的关键课题，据观察这些驻波会随着气候条件的变化而变得更加强烈和持久。随着全球气温上升，急流变化和北极放大（北极变暖速度比全球其他地区更快的现象）已被确定为驻波增强的主要驱动因素。

近日发表的一项新研究探讨了海洋变暖对这些驻波的影响，强调了气候变化如何重塑区域天气模式（如寒流、热浪和极端降水）。

驻波的科学

驻波是一种在大气中传播的大规模大气波，通常在冬季出现在北半球。与在地球上移动的行波不同，驻波基本上是固定的，受山脉、海面温度和急流等基本特征的影响，这些波会对区域天气产生重大影响，导致特定区域出现长时间的寒流、热浪或极端降水。

急流是一条高空快速移动的空气带，是驱动这些驻波的行为方面的一个关键因素。急流的位置和强度受北极和热带之间温度梯度的影响，当北极变暖速度快于赤道时，它会削弱极地涡旋，导致急流更加曲折，这会导致更多波浪状急流，从而增强大气中的驻波。

而北极放大是另外一个影响半球冬季驻波增强的关键因素，这种温度梯度在决定急流的行为方面起着至关重要的作用，急流控制着地球上空气团的运动。在没有气候变化的情况下，急流往往从西向东流动得更快，形成相对稳定的天气模式。然而，随着北极变暖速度加快，这种温度梯度减弱，导致急流变得更慢、更曲折。

当急流变得更加波动时，它会产生更大的驻波，这些波会锁定在某个区域，从而导致极端天气事件。例如，拉长的波可能会导致一个地区爆发冷空气，而另一个地区则将暖空气困住。这可能会导致持续的寒流或热浪，具体取决于波的位置。

华盛顿大学在2019年的一项研究中强调了北极放大效应在推动这些变化方面的重要性。根据他们的研究，北极变暖削弱了北极和中纬度之间的温度对比，这是导致急流更加蜿蜒的主要原因之一，随着这些波变得更加明显，它们会加剧持续的天气事件。

驻波放大的主要后果之一是极端天气事件的加剧，随着驻波的放大，它们会将天气模式锁定更长的时间，导致极端寒冷或炎热的持续时间延长。这项最新作者在2024年的一项相关研究强调，由于急流和驻波模式的增强，北美越来越多地经历持续的寒流或潮湿天气，这与冬季驻波的增强有关。此外，驻波与区域海面温度的相互作用可引发大规模大气响应，影响区域温度和降水。

新的研究发现

驻波的维持和强化涉及各种大气过程的微妙平衡，主要受涡度动力学控制。了解变暖对维持动力学的影响对于预测未来大气环流模式的变化及其区域气候调节至关重要。

为了弥补这些知识空白，一项新的研究利用全球/区域综合模型系统(GRIMs)气候模型来研究冬季驻波增强背后的机制。

研究发现，由于全球变暖，北半球冬季驻波正在增强，这种增强的特点是驻波结构更深、更持久，尤其是在北美西部等地区，这导致高压脊显著增强。北太平洋脊线的显著增强与冬季驻波的变化相吻合，这种变化可能是由亚热带平均流量变化和/或热带波源变化引起的。进一步变暖增强了这些风的强度和向北的延伸，因此，大规模驻波的增强与纬向平均西风的加强同时发生，值得注意的是，这些加强的风伴随着热带对流层上部的强烈变暖。

研究人员还进一步探讨了中纬度海洋变暖与北极海冰减少之间的复杂相互作用，这对于确定中纬度急流的特征至关重要，也是风暴轨道动力学的关键因素。研究发现，海洋变暖主要决定了驻波中表现出的强化水平，而不是北极海冰损失起主要作用。

研究进一步表明，海洋变暖是北半球西风和驻波变化的主要驱动因素。海冰损失通过不同的机制发挥了相当大的作用，补充了海洋变暖对这些大气变化的主要影响。海洋变暖对西风和放大驻波有显著贡献，主要是通过增强的热带对流作为亚热带波源，这一过程启动了一系列机制，包括改变涡度平衡，与所有强迫结果一致，并驱动这些大规模环流变化。相反，海冰损失本身并不能完全复制这些现象，表明对这些大气模式的独立影响更为有限。

总的来说，海洋变暖和北极海冰损失这两个主要驱动因素通过不同的机制影响大气环流。海洋变暖在加强急流和维持放大的驻波方面起着主导作用，主要是通过热带对流。北极海冰损失独立地导致了中纬度环流波动，其影响在不久的将来仍然不可忽略。

这项研究结果揭示了热带海洋在调节全球变暖对北半球驻波的影响方面发挥的关键作用，并为之前报道的北极放大的影响增加了更定量的视角。

思考

海洋变暖和海冰融化如何相互作用影响驻波？还有其他因素可能发挥作用吗？除了海洋变暖和海冰消失之外，还有哪些因素可能会影响驻波的强化？这些强化在不同的时间尺度上（例如季节、十年）如何变化？增强的驻波与极端天气事件的频率或严重程度之间有何关系？

参考文献：Jueun Lee, S.-Y. Simon Wang, Seok-Woo Son, Daehyun Kim, Jee-Hoon Jeong, Hyungjun Kim & Jin-Ho Yoon ，Amplification of Northern Hemisphere winter stationary waves in a warming world.  npj Climate and Atmospheric Science volume 8, Article number: 20 (2025) ，doi.s41612-025-00898-0

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