平流层事件对北半球亚季节天气预报不确定性的影响
亚季节到季节预报已成为理解和预测中期天气模式的重要工具。尽管数值模型取得了进展，但不确定性仍然很高，尤其是在北半球外热带地区，平流层影响在调节大气变化方面起着关键作用。影响亚季节预报不确定性的关键现象之一是平流层环流，包括极地涡旋破坏和平流层突然变暖。
这些事件可能导致地面天气模式发生重大变化，但它们在预报不确定性中的确切作用仍然是一个复杂的研究领域。最近的一项研究强调了极端平流层事件对集合预报分布（可预报性的关键指标）的重大影响。
平流层对亚季节预报的影响
平流层位于地球表面10至50公里处，主要由富含臭氧的空气组成，在地球气候系统中发挥着至关重要的作用。与天气发生的对流层不同，平流层更稳定，但通过与对流层的相互作用对天气模式产生重大影响。极地涡旋——极地周围一大片低压和冷空气——在将平流层变化与低层大气的天气模式联系起来方面发挥着重要作用。
最引人注目的平流层事件之一是突然平流层变暖，即平流层温度突然升高几度。极地涡旋的这种破坏可能导致重大的天气变化，包括寒流爆发、风暴加剧和急流模式的变化。
极端平流层突然变暖会引发大气环流的大规模变化，从而对亚季节预报产生深远影响。例如，大规模平流层突然变暖的发生会引发一系列影响北半球对流层环流的事件，并可能提前数周对天气产生影响。
集合预报系统运行多个初始条件略有不同的模拟来估计预报不确定性，对平流层事件的影响特别敏感。极地平流层环流是一个关键因素，它会增加集合预报的离散度，尤其是在涡旋中断时。预报结果的这些变化可能会导致亚季节预测的不确定性程度更高，尤其是在受平流层事件影响最大的地区，例如北大西洋和欧洲部分地区。
平流层-对流层耦合机制
将平流层事件与地面天气联系起来的关键机制是罗斯贝波传播。这些波是急流中的大规模波动，可以从平流层传播到对流层。当极地涡旋因平流层突然变暖事件而减弱或分裂时，它会导致罗斯贝波模式发生重大变化，从而改变地面天气状况，例如温度异常和降水模式。
平流层不确定性与对流层不确定性之间的密切联系，尤其是在北太平洋和北欧。例如，平流层对急流模式的调节对这些地区的天气可预报性有直接影响。然而，关于这些过程究竟如何随时间展开以及可预报性如何随不同类型的平流层事件而变化，仍有许多未知之处。
平流层影响的区域差异
研究表明，北太平洋和北欧对平流层变化特别敏感，平流层条件的微小变化也会显著影响地面天气。在这些地区，平流层的不确定性与对流层的不确定性密切相关，尤其是在急流和风暴路径季节性变化的背景下。例如，极地涡旋的破坏会导致欧洲出现更强的西风或冷空气爆发，而在北太平洋，它会影响风暴发展和极端天气，如强降水和洪水。
相比之下，北美等其他地区可能会经历平流层扰动与地面天气之间的不同耦合模式。这种区域变化表明，平流层影响在北部外温带地区并不均匀，不同地区可能需要考虑当地平流层-对流层相互作用的定制预报策略。
预测中的不确定性：平流层来源
平流层-对流层耦合的一个主要不确定性来源是臭氧损耗。平流层臭氧损耗，尤其是极地地区的臭氧损耗，会削弱极地涡旋，导致更频繁的平流层突然变暖。涡旋的减弱会对地面天气产生下游影响，使预测变得不那么可靠。此外，极地涡旋本身的行为（无论它是保持强还是弱）在决定平流层变化将如何体现在地面天气模式中起着关键作用。
了解臭氧消耗与预测不确定性之间的联系是未来研究的重要途径。更精确的臭氧化学模型及其与平流层动力学的相互作用可以更好地洞察亚季节时间尺度上极端天气事件的可预测性。
此外，集合预报系统在量化亚季节预报的不确定性方面特别有价值。这些系统依靠对初始条件进行略微改变的多次模拟来提供一系列可能的结果。然而，集合扩散（预报结果的变化）可能受到平流层状态的严重影响。像平流层突然变暖这样的事件可能会导致集合扩散显著增加，从而增加预报的不确定性。开发能够更好地解释平流层影响的集合系统，特别是在平流层-对流层耦合方面，对于改进亚季节预报至关重要。
新的研究发现
一项新的研究，探讨了极地平流层环流极端值对集合扩散的额外影响，平流层极端事件，例如极地平流层突然变暖或极地涡旋的移动，会导致集合散度发生显著变化，而集合散度是预测不确定性的一个关键指标。集合散度是指多个预报模型的预测结果之间的差异，在极端平流层事件期间，该散度会急剧增加。
研究发现，这些平流层异常往往主导着预报区域的不确定性，尤其是在北部热带外层。平流层异常会导致预报的内在可预测性发生强烈变化。这意味着平流层的极端事件既可以使地面天气更可预测，也可以使天气更加混乱，这取决于事件的性质。
具体而言，在挪威海和斯堪的纳维亚半岛周围，近地面位势高度的亚季节到季节集合扩散在弱极地涡旋状态（可预测性增强）后显著减小，而在强极地涡旋状态（可预测性降低）后增大，异常幅度高达20%。值得注意的是，即使在集合平均异常接近零的区域也发现了预测不确定性的调制。预测不确定性的降低与天气尺度风暴活动的减少有关，反之亦然。
平流层的极端极地涡旋事件会对地面天气产生持续影响，改变亚季节时间尺度上的天气模式。例如，减弱的极地涡旋会增加北部温带地区（欧洲、北美）出现寒流或暴风雨的可能性。
这些平流层现象对亚季节到季节预测的影响尤其大，因为未来几周和几个月的预测需要准确。作者发现，平流层条件对亚季节到季节预测不确定性的调节在北大西洋-欧洲地区尤为强烈，但在北部其他热带地区的影响各不相同
思考
平流层事件在亚季节时间尺度上调节对流层天气模式的具体机制是什么？
参考文献：Jonas Spaeth, Philip Rupp, Hella Garny & Thomas Birner ，Stratospheric impact on subseasonal forecast uncertainty in the northern extratropics. Communications Earth & Environment volume 5, Article number: 126 (2024) ，doi.s43247-024-01292-z
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