温带海洋-大气耦合如何增强北半球冬季遥相关并影响天气预报

北半球冬季大气遥相关在塑造广大地区的气候模式和极端天气事件方面发挥着至关重要的作用。这些大规模气候模式，如太平洋-北美（PNA）模式、北大西洋涛动（NAO）和北极涛动（AO），是季节性气候变化的主要驱动因素，包括温度异常、风暴模式和极端天气事件。传统上，这些遥相关被理解为大气现象，是由大规模气压模式的变化驱动的。然而，最近的一项研究强调了海洋-大气相互作用在放大这些遥相关方面的关键作用，特别是在温带地区。

研究表明，温带海洋-大气耦合是这些大气遥相关加剧的主要驱动因素。这种耦合被定义为热带以外地区海洋与大气之间的双向相互作用，已被证明可以显著增强PNA和NAO等关键大气模式的变化。这对于理解季节性气候变化和预测极端冬季天气事件具有深远意义。

了解遥相关及其在冬季气候变化中的作用

大气遥相关是指一个地区的气候和大气异常模式与遥远地区（通常跨越大陆或半球）的异常相关联。这些是远距离大气相互作用，可以影响远离其起源的天气模式。

• 北大西洋涛动 (NAO)：北半球大气环流的一个关键模式，尤其是在冬季。它描述了冰岛低压和亚速尔高压之间的气压差的波动。NAO 对欧洲、北美东部和地中海的冬季天气有很大的影响。
• 太平洋北美模式 (PNA)：北太平洋和北美的一种变异模式，涉及交替出现的高压和低压系统。太平洋北美模式影响北美西海岸的天气状况，并可能影响急流，从而影响整个北美的天气模式。
• 北极涛动 (AO)：北极涛动是指北极和中纬度之间的气压差。正 AO 相位会导致北半球冬季更温暖、更温和，而负 AO 相位会导致天气更冷，低纬度地区更频繁地爆发北极冷空气。

这些遥相关通常受到大气环流的影响，但最近的研究表明，海洋-大气相互作用是决定其强度和持久性的关键，特别是在热带外地区——位于热带以外的地区，包括中纬度地区。

温带海洋-大气耦合的作用

温带海洋-大气耦合是指中纬度地区（大约在 30° 至 60° 纬度之间）海洋与大气之间的相互作用，其中大规模气候模式受大气动力学和海洋条件的影响。与厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO)等热带海洋-大气相互作用不同，温带耦合涉及海洋海面温度 (SST)、洋流和大气环流模式之间的复杂反馈机制。

温带耦合的主要特征是海洋和大气之间的能量转移。这种相互作用影响急流、海洋热通量和大气压力系统，从而改变遥相关模式。例如，北太平洋或北大西洋的海表温度高于正常水平，会导致急流的位置和强度发生变化，进而调节大气遥相关的频率和强度。

遥相关增强的机制

海洋-大气耦合最重要的方面之一是海面温度 (SST)的作用。北太平洋或北大西洋的较暖海面温度可以改变当地的大气压力系统，增强 PNA 等遥相关的幅度。例如，当北太平洋的海面温度异常温暖时，阿留申低压(低压系统) 会变得更强、更持久，进而影响整个太平洋和北美的风暴轨迹。这可能导致北美西海岸的风暴活动增加，急流位置发生变化，从而进一步放大 PNA 模式。

在北大西洋，较暖的海表温度同样可以增强冰岛低压和亚速尔高压，影响北大西洋涛动，导致北欧冬季在正相位时气候更温和。相反，较冷的海表温度会削弱这些气压系统，加剧欧洲和北美的寒流。

急流是一种快速流动的气流，形成于热带暖空气和极地冷空气的边界。急流的位置和强度对于决定北半球的天气模式至关重要，尤其是在冬季。海洋-大气耦合对急流的行为有直接影响。

当海洋向大气中释放热量（通过潜热通量）时，它可以改变热带和极地之间的温度梯度，进而影响急流。较强的急流通常与更纬向的流动（从西向东）有关，这可以使各地区的气候更加均匀。另一方面，较弱的急流会导致更多蜿蜒的急流，这会放大遥相关并增加极端天气事件（如冷空气爆发或冬季风暴）的频率。

极地涡旋是一团巨大的旋转冷空气，通常位于北极上空。冬季，涡旋的扰动会导致低纬度地区爆发冷空气。涡旋和平流层的相互作用对于理解冬季遥相关的行为至关重要。在平流层变暖的情况下，涡旋可能会减弱，导致北极涛动 (AO)进入负相，并引发北美和欧洲等地区的极端冬季天气。

海洋-大气耦合会影响极地涡旋的强度。北太平洋或北大西洋的海表温度高于正常水平，会改变这些地区的气压模式，从而影响极地涡旋的强度和行为。平流层和对流层之间的这种反馈回路是北半球冬季极端事件的主要驱动因素。

新的研究发现

一项新的研究，利用耦合和非耦合的全球气候模型。耦合模型整合了海洋和大气成分，使研究人员能够模拟大气和海洋之间在现实世界中的相互作用。相比之下，非耦合模型纯粹是大气模型，与海洋成分没有相互作用。通过比较这两类模型的结果，研究人员可以分离出海洋-大气耦合对遥相关和变异性的影响。模拟提供了关于耦合如何导致遥相关强度增强和能量动态改变的见解。

研究发现，温带海洋-大气耦合选择性地增强了主要大气遥相关的方差。具体来说，研究表明，这种耦合放大了三种主要的变异模式：北大西洋涛动 (NAO)、太平洋北美（PNA）模式、北极涛动 (AO)。该研究量化了海洋-大气耦合分别解释了 NAO、PNA 和 AO 总方差的 13%、11% 和 10%。大气-海洋耦合减少了对低对流层可用势能的阻尼，这反过来又通过改变模式内的能量传递增加了动能。温带海洋总体上对大规模大气变化是被动的（可调整的），从而导致这些模式的突出。

这一增强意义重大，因为它表明海洋条件，特别是温带地区的海面温度和洋流，对大气环流模式有着相当大的影响，而大气环流模式对于天气预报和气候模型至关重要。

另一个重要发现是海洋-大气相互作用对大气中能量转移的影响。该研究强调，海洋条件降低了对低对流层可用势能 (APE) 的阻尼效应。因此，这通过改变控制能量转移的动态平衡导致动能增加。这一过程加强了大气环流，进而可能导致更持久和更明显的遥相关。

研究还发现，海洋-大气耦合影响急流的行为，导致急流更加蜿蜒曲折。这种蜿蜒曲折与极端天气事件有关，例如受这些急流异常影响的地区出现的严重寒流或强降水。海洋-大气相互作用对西风急流的调节是冬季风暴加剧和大气水分重新分配的关键机制。

研究表明，温带海洋-大气耦合增强了这些影响，从而导致更持久、更强的遥相关模式。

对气候建模和天气预报的影响

通过温带海洋-大气耦合增强遥相关对气候模型和天气预报具有重要意义。准确预测这些遥相关的行为对于预报冬季天气模式至关重要，尤其是暴风雪、寒流和洪水等极端事件。传统的天气模型通常难以将海洋-大气耦合的复杂性纳入其中，尤其是在温带地区，这可能导致预测不准确。

鉴于人们越来越认识到海洋-大气相互作用的作用，季节性气候预测模型越来越多地将耦合的海洋-大气动力学纳入其中，以改进其预测。例如，使用耦合的海洋-大气环流模型 (GCM)模拟海洋和大气条件，可以更准确地表示遥相关及其对区域天气模式的影响。这些模型越来越能够预测急流、PNA、NAO 和 AO 模式的变化，从而更好地预测冬季极端天气。

尽管气候模型有所改进，但由于温带耦合的复杂性，预测极端冬季天气事件仍然具有挑战性。大气和海洋之间的反馈机制是非线性的，并且每年都会发生变化，因此很难预测遥相关驱动异常的确切时间和强度。

思考

就对冬季大气的影响而言，北太平洋的海洋-大气相互作用与北大西洋的海洋-大气相互作用有何不同？是否存在区域反馈机制（例如通过海冰、海洋热通量）可以不同地增强或抑制沿海地区和公海地区的遥相关模式？

参考文献：Masato Mori, Yu Kosaka, Bunmei Taguchi, Hiroki Tokinaga, Hiroaki Tatebe & Hisashi Nakamura ，Northern Hemisphere winter atmospheric teleconnections are intensified by extratropical ocean-atmosphere coupling.  Communications Earth & Environment volume 5, Article number: 124 (2024) ，doi.s43247-024-01282-1

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