冬季驻波的增强，北半球的气候变化和极端天气
近年来，北半球的冬季天气变得越来越极端，这些现象可能与驻波有关。随着全球气温上升，急流变化和北极放大已被确定为驻波增强的主要驱动因素，这些驻波也会随着气候条件的变化而变得更加强烈和持久。一项新的研究，通过揭示气候动力学机制，帮助我们更准确地预测未来的极端天气。
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。
气候变暖如何改变北半球的冬季天气？
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。此前的研究发现，全球变暖可能会增强驻波，但具体是海洋变暖还是北极海冰减少在起主要作用，一直存在争议。为了搞清楚这个问题，研究人员使用了GRIMs 4.0模型，并结合了CESM1大集合气候模型的数据，模拟气候变暖和海冰减少对驻波的影响。
研究发现，海洋变暖主导静止波的增强，贡献率超80%，海冰减少贡献了不到20%。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。
海洋变暖会使得暖海水蒸发更多，热带大气上升运动增强，上升气流在高空向外扩散，又会影响全球大气环流。这些波动将能量从中纬度传播到高纬度，最终导致北美西部的驻波脊增强。
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。虽然海冰减少的影响较小，但它通过北极放大效应改变了高纬度的大气环流。北极变暖更快，导致极地东风异常，这使得中纬度的大气波动更容易形成，但影响范围不如海洋变暖广泛。
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。
图：北半球冬季大尺度驻波增强和西风增强🔽
a由控制和组合 SST 与 SIC 分数变暖强迫实验 (阴影) 引起的 200 hPa 涡流流函数异常与气候学显著性区域以虚线表示（ 根据学生t检验， p < 0.05 ）。b纬向平均气温 (阴影，单位：K) 和纬向风的纬度异常，中纬度西风急流核心的气候纬度用虚线表示。
❓思考题：全球变暖导致北半球冬季极端天气，主要是什么因素在驱动？
A.北极海冰减少
B.海洋温度升高
C.太阳活动增强
D.火山喷发
参考答案：（点击查看）
B.
解析：研究发现，海洋变暖贡献了超过80%的驻波变化，而北极海冰减少的影响较小约20%。海洋升温通过加强西风急流和罗斯贝波，直接导致北美西部干旱和阿拉斯加降水增多。
那么，海洋变暖和海冰融化如何相互作用影响驻波呢？还有其他因素可能发挥作用吗？
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