摘要 南北兩半球大氣中高緯度之間的相互作用與季風(fēng)等跨半球的天氣氣候系統(tǒng)存在著密切聯(lián)系，由于涉及全球范圍的大尺度環(huán)流與能量變化，其聯(lián)系途徑與機(jī)理受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合ERA5再分析資料以及CMIP6中MPI-ESM1-2-HR模式歷史輸出資料，驗(yàn)證了冬季南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)（Inter-Hemispheric atmospheric mass Oscillation，IHO）與東亞冬季風(fēng)異常的聯(lián)系及其對(duì)中國(guó)冬季氣溫的影響。研究表明，再分析資料以及模式結(jié)果均表明冬季IHO與東亞冬季風(fēng)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。IHO通過全球大氣質(zhì)量再分配與東亞冬季風(fēng)建立起緊密的聯(lián)系。當(dāng)IHO為正位相時(shí)，大氣質(zhì)量在歐亞大陸北部異常堆積，而在中低緯地區(qū)異常虧損，這使得東亞地區(qū)海陸氣壓差明顯增大，冬季風(fēng)增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)中國(guó)華中地區(qū)冬季地表氣溫具有顯著影響；反之亦然。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，熱帶低平流層氣溫可以通過剩余環(huán)流調(diào)節(jié)臭氧含量經(jīng)向分布進(jìn)而影響南極對(duì)流層氣溫，從而對(duì)IHO年際變化起主要的驅(qū)動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞東亞冬季風(fēng);南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng);溫度“蹺蹺板”;CMIP6

東亞冬季風(fēng)（East Asian Winter Monsoon，EAWM）是北半球冬季最重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，對(duì)東亞的天氣和氣候變化起到十分重要的調(diào)節(jié)作用（Huang et al.，2012）。西伯利亞高壓、對(duì)流層中上層的東亞大槽、對(duì)流層上層?xùn)|亞急流和近赤道對(duì)流動(dòng)態(tài)地耦合在一起，構(gòu)成EAWM環(huán)流系統(tǒng)（Wang et al.，2010）。EAWM一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)是其跨越的經(jīng)向溫度范圍大（從極地到熱帶），EAWM偏強(qiáng)時(shí)東亞地表氣溫異常偏低，同時(shí)冷空氣爆發(fā)更頻繁，延伸到中緯度地區(qū)，有時(shí)到達(dá)熱帶地區(qū)（Chen et al.，2000）。由于冷空氣侵入熱帶地區(qū)，EAWM可在海洋大陸上空引起深對(duì)流，這甚至與澳大利亞夏季季風(fēng)有關(guān)，因而EAWM在全球尺度的物質(zhì)和能量循環(huán)中都起著至關(guān)重要的作用（Eroglu et al.，2016）。EAWM增強(qiáng)常引起東亞地區(qū)寒冷干燥的北風(fēng)、低溫、強(qiáng)降雪、冰凍和沙塵暴，以及東南亞地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流（丁一匯等，2014）。EAWM的異常不僅會(huì)影響極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率及強(qiáng)度，也可能導(dǎo)致前所未有的極端天氣氣候事件發(fā)生（Zhang et al.，1997;Park et al.，2011;Wu et al.，2011;王政琪等，2017）。需要指出的是，盡管在全球變暖的背景下，中國(guó)冬季平均氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)（Fu and Ding，2021），但中國(guó)仍然頻繁發(fā)生區(qū)域性寒冷事件（Lu et al.，2016;謝韶青和盧楚翰，2018;孫曉娟等，2022;胡宏博等，2023）。這與EAWM的年際和年代際變化密切相關(guān)（韓永秋等，2021）。例如，2020年12月冬季風(fēng)場(chǎng)與氣溫異常顯示，東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)有明顯的偏北風(fēng)異常。通過進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，冬季風(fēng)指數(shù)高達(dá)1.31，明顯較同期偏強(qiáng)，因此全國(guó)大部分地區(qū)較常年同期氣溫偏低。這導(dǎo)致中東部大部分地區(qū)降溫及雨雪天氣，在12月28—31日部分地區(qū)甚至上演了破紀(jì)錄的大范圍極端低溫天氣，對(duì)我國(guó)人民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的影響（韓榮青等，2021;Bueh et al.，2022）。因此，認(rèn)識(shí)EAWM與全球大氣環(huán)流的相關(guān)聯(lián)系對(duì)理解東亞地區(qū)冬季氣候變化的成因，揭示全球變暖背景下我國(guó)冬季氣溫變化的規(guī)律具有重要的意義。

大氣質(zhì)量是大氣環(huán)流變化的一個(gè)重要表征量，能夠直接體現(xiàn)大氣環(huán)流和氣候系統(tǒng)的變化調(diào)整 （Lorenz，1951;Christy et al.，1989;Yu et al.，2014）。氣候系統(tǒng)中大氣濤動(dòng)通過調(diào)配大氣質(zhì)量再分布過程與EAWM建立起密切的聯(lián)系。例如，北極濤動(dòng)（AO）的不同位相對(duì)應(yīng)著北半球大氣質(zhì)量的再分配，能夠顯著地影響北半球氣候，對(duì)EAWM年際以及年代際變化都有重要影響（王林等，2021）。Chen et al.（2013）提出雖然EAWM形成中熱帶外過程占主導(dǎo)作用，但ENSO作為熱帶地區(qū)海氣耦合系統(tǒng)年際尺度上最主要的模態(tài)，同樣是影響EAWM變異的最重要的一個(gè)外強(qiáng)迫因子。北大西洋濤動(dòng)遙相關(guān)作用可以通過南、北兩支波列，分別調(diào)控南、北支槽系統(tǒng)，協(xié)同作用調(diào)節(jié)中國(guó)東南部30°N附近溫度（施春華等，2021）。此外，南半球的相關(guān)信號(hào)同樣可以通過南北半球相互作用影響東亞地區(qū)冬季氣候。例如，南極濤動(dòng)同樣可以通過半球間相互作用調(diào)節(jié)東亞冬季氣溫（張樂英等，2017）。

上述研究結(jié)果表明，EAWM的年際變異與北半球甚至全球尺度大氣質(zhì)量再分配過程相互關(guān)聯(lián)。南北半球相互作用是季風(fēng)現(xiàn)象的本質(zhì)（曾慶存和李建平，2002）。而Guan and Yamagata（2001）發(fā)現(xiàn)在把赤道視為特殊邊界的情形下，南北半球間大氣質(zhì)量年際異常存在此消彼長(zhǎng)的濤動(dòng)現(xiàn)象，并將之稱為南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)（Inter-Hemispheric atmospheric mass Oscillation，簡(jiǎn)稱IHO），它能夠反映半球間大氣質(zhì)量交換引起的全球范圍大氣質(zhì)量再分布。盧楚翰等（2008）研究了IHO的季節(jié)變化特征，發(fā)現(xiàn)半球間大氣質(zhì)量通量的季節(jié)性周期在對(duì)流層中顯示出明顯的蹺蹺板結(jié)構(gòu)，這在氣候上與東亞季風(fēng)有關(guān)。此后進(jìn)一步的研究表明IHO與亞洲季風(fēng)區(qū)內(nèi)大氣質(zhì)量異常分布密切聯(lián)系，并揭示了夏季IHO與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系（Lu et al.，2010;盧楚翰等，2013）?；谶@些，Lu et al.（2023）利用再分析資料診斷研究了冬季IHO與海陸氣壓差的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)冬季IHO與EAWM之間聯(lián)系存在年代際變化，兩者在1979年后表現(xiàn)為更加緊密的正相關(guān)關(guān)系。

值得注意的是，目前主流的海氣耦合模式內(nèi)部具有自身的大氣質(zhì)量平衡功能，那么在干空氣質(zhì)量守恒的情況下，1979年后IHO與EAWM的年際聯(lián)系是否存在，兩者的相互聯(lián)系是否更加密切。因此，為進(jìn)一步驗(yàn)證EAWM與IHO的年際聯(lián)系以及驅(qū)動(dòng)IHO的外強(qiáng)迫因子，本文將結(jié)合1979—2020年ERA5再分析資料以及CMIP6中MPI-ESM1-2-HR模式歷史輸出資料，研究冬季南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)（IHO）與東亞冬季風(fēng)異常的聯(lián)系及其對(duì)中國(guó)冬季氣溫的影響。

1 資料和方法

1.1 資料

本文采用的資料包括：1）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ERA5分析數(shù)據(jù)集，分辨率為2.5°×2.5°，包括月平均地表氣壓和地表10 m風(fēng)場(chǎng)，時(shí)間涵蓋1979—2020年北半球冬季（https：／／cds.climate.copernicus.eu／cdsapp＃?。痙ataset／reanalysis-era5-pressure-levels-monthly-means？tab=overview）。2）1960—2020年經(jīng)緯度分辨率為0.25°×0.25°的中國(guó)冬季地表氣溫網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集（CN05.1） （吳佳和高學(xué)杰，2013）。為方便起見，再分析數(shù)據(jù)和CN05.1觀測(cè)數(shù)據(jù)被稱為 “觀測(cè)數(shù)據(jù)”。3）CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）數(shù)據(jù)集的歷史試驗(yàn)資料（Eyring et al.，2016），所用變量包括月平均地表氣壓、位勢(shì)高度場(chǎng)、水平風(fēng)場(chǎng)、氣溫以及臭氧，多層資料高度范圍為1 000～50 hPa，共14層，覆蓋時(shí)段為1979—2013年北半球冬季。文中定義冬季為該年12月至次年2月的平均。此外采用雙線性插值方法對(duì)不同分辨率的資料進(jìn)行了處理，使其分辨率統(tǒng)一到2.5°×2.5°網(wǎng)格。

1.2 IHO與EAWM指數(shù)

根據(jù)Guan and Yamagata（2001），利用地表氣壓ps定義IHO指數(shù)為：

其中：fD=1.002 0表示地球形變參數(shù)；s為地表氣壓ps緯向平均值；φ為緯度。文中使用相對(duì)研究時(shí)段（1979—2020年）作為氣候態(tài)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的IHO指數(shù)，并定義IHO大于1倍標(biāo)準(zhǔn)差為IHO高值年，IHO小于-1倍標(biāo)準(zhǔn)差為IHO低值年。

為分析與EAWM的聯(lián)系，同時(shí)聚焦大氣質(zhì)量分布以及低層大氣活動(dòng)中心的聯(lián)系，本文采用Wang and Chen（2014）定義的EAWM指數(shù)：

其中：p*SL1、p*SL2、p*SL3分別表示西伯利亞（70°～120°E，40°～60°N）、北太平洋（140°E～170°W，30°～50°N）和海洋大陸（110°～160°E，20°S～10°N）的相對(duì)研究時(shí)段（1979—2020年）標(biāo)準(zhǔn)化后的區(qū)域內(nèi)格點(diǎn)海平面氣壓等權(quán)重算數(shù)平均。亞洲大陸與鄰近海洋的熱力對(duì)比是東亞冬季風(fēng)的主要方面，在海平面氣壓場(chǎng)有較好表現(xiàn)。并且該指數(shù)明確考慮了東亞地區(qū)的東西和南北氣壓梯度，較好地刻畫了EAWM變化時(shí)的大氣環(huán)流異常。此外，與以往的指數(shù)相比，該指數(shù)能很好地描述東亞地區(qū)冬季平均地面氣溫的變化，特別是對(duì)極端暖冬或寒冷冬季的變化。

2 結(jié)果分析

2.1 南北半球大氣質(zhì)量濤動(dòng)與冬季風(fēng)的聯(lián)系

海陸間的熱力差異導(dǎo)致海陸間大氣質(zhì)量再分布存在顯著的差異，并形成了EAWM最直接的驅(qū)動(dòng)力——海陸氣壓梯度力。半球間大氣質(zhì)量交換通過全球大氣質(zhì)量再分布對(duì)東亞區(qū)域大氣質(zhì)量異常分布具有顯著的影響，從而建立起IHO與季風(fēng)的聯(lián)系（Guan et al.，2010;Lu et al.，2010）。圖1a展示了觀測(cè)資料中1979—2020年IHO和EAWM的年際變化特征，可以發(fā)現(xiàn)兩者年際變化規(guī)律較為吻合。此外，通過進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.49（通過置信度為99％的顯著性檢驗(yàn)），表明冬季IHO對(duì)冬季風(fēng)具有重要調(diào)控作用。

研究表明，CMIP6對(duì)于南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)的季節(jié)特征以及空間結(jié)構(gòu)有較好的模擬能力（喬年等，2022）。為驗(yàn)證IHO與EAWM之間的相關(guān)聯(lián)系，計(jì)算了CMIP6中各個(gè)模式IHO與EAWM的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在30個(gè)模式中有超過96.7％的成員顯示兩者相關(guān)系數(shù)為正，其中10個(gè)模式通過置信度為90％的顯著性檢驗(yàn)（表1），表明IHO與EAWM的正相關(guān)關(guān)系在CMIP6的大部分模式中能得到較好驗(yàn)證。Lu et al.（2023）基于觀測(cè)資料指出南極地區(qū)大氣質(zhì)量變化對(duì)IHO年際變化起主要貢獻(xiàn)。而MPI-ESM1-2-HR模式較好地消除了兩半球?qū)α鲗又邢聦佑绕涫悄蠘O區(qū)域的氣溫偏差，較真實(shí)地反映了大尺度大氣溫度分布以及地表風(fēng)場(chǎng)的變化（Gutjahr et al.，2019）。為了進(jìn)一步分析地球系統(tǒng)模式中的IHO與EAWM之間的聯(lián)系以及聯(lián)系途徑并驗(yàn)證南極大氣質(zhì)量變化在半球間大氣質(zhì)量交換的主導(dǎo)性地位，接下來(lái)以CMIP6中的MPI-ESM1-2-HR模式作為代表展開研究。如圖1b所示，模式中IHO與EAWM在近30多年以來(lái)的時(shí)間演變尤其是年際振蕩具有較好的一致性，存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.35（通過置信度為95％的顯著性檢驗(yàn)）。

半球際大氣質(zhì)量交換伴隨著大范圍的大氣質(zhì)量再分布，從而對(duì)區(qū)域大氣質(zhì)量／地表氣壓以及低層大氣環(huán)流產(chǎn)生直接影響。為了進(jìn)一步分析該模式中IHO對(duì)低層大氣環(huán)流的影響，分別對(duì)觀測(cè)資料以及模式中冬季IHO高低年地表氣壓作合成差值。其結(jié)果如圖2所示，不難發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)資料以及模式中合成差值結(jié)果基本一致。具體而言，北半球中高緯地區(qū)為顯著的正異常區(qū)，而顯著的地表氣壓負(fù)異常區(qū)主要分布在東半球熱帶與副熱帶地區(qū)。這表明當(dāng)IHO增強(qiáng)時(shí)，有利于北半球中高緯度尤其是歐亞大陸西北部如西伯利亞等區(qū)域冷空氣的異常堆積。同時(shí)，歐亞大陸東部鄰近海域以及海洋性大陸區(qū)域有顯著的質(zhì)量異常虧損。

這種大氣質(zhì)量異常分布顯著地增大了東亞地區(qū)海陸間的氣壓梯度，從而有利于EAWM的增強(qiáng)。需要注意的是，觀測(cè)資料以及模式中均顯示南半球以負(fù)的異常質(zhì)量分布為主，這與兩半球的大氣質(zhì)量振蕩相呼應(yīng)，其中60°S以南的南極區(qū)域都表現(xiàn)為緯向一致的負(fù)異常分布。進(jìn)一步計(jì)算了南極負(fù)異常區(qū)占南半球異常值的比例，即南極地區(qū)大氣質(zhì)量合成差值（緯向平均并乘以相應(yīng)緯度余弦值）占南半球大氣質(zhì)量合成差值（緯向平均并乘以相應(yīng)緯度余弦值）之比。觀測(cè)資料中南極地區(qū)質(zhì)量虧損貢獻(xiàn)了57.78％的南半球的負(fù)異常質(zhì)量，而模式中南極地區(qū)的質(zhì)量虧損則貢獻(xiàn)了79.83％的南半球的負(fù)異常質(zhì)量，這與叢菁等（2011）揭示的南極地區(qū)大氣振蕩是形成南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)的部分原因的結(jié)論相一致。MPI-ESM1-2-HR模式結(jié)果與再分析資料所揭示的IHO與EAWM聯(lián)系以及對(duì)地表氣壓空間分布影響具有較好的一致性，為突顯IHO與EAWM聯(lián)系的可靠性，后續(xù)分析主要基于該模式資料。

此外IHO造成的全球大氣質(zhì)量的再分布將引起地表氣壓場(chǎng)的改變，并伴隨著大尺度大氣環(huán)流以及風(fēng)場(chǎng)的明顯改變（van den Dool and Saha，1993）。圖3展示了IHO高低值年近地面風(fēng)場(chǎng)的合成差值?？梢钥闯觯?dāng)IHO異常偏強(qiáng)時(shí)，中國(guó)東部沿海以及日本南部伴隨著顯著的偏北風(fēng)異常，導(dǎo)致東亞沿海30°～45°N季風(fēng)區(qū)域北風(fēng)增強(qiáng)。結(jié)合圖2b，當(dāng)IHO增強(qiáng)時(shí)，會(huì)引起中緯度地區(qū)自西向東的海陸氣壓梯度顯著增強(qiáng)，根據(jù)地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系，將伴隨著自東向西的地轉(zhuǎn)偏向力以及相應(yīng)的北風(fēng)異常，并引起東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)。特別地，IHO增強(qiáng)與華北以及華中地區(qū)的偏東北風(fēng)異常具有顯著的聯(lián)系并伴隨著冷空氣入侵。這種異常的環(huán)流型可對(duì)中國(guó)尤其是華中地區(qū)冬季氣溫變化產(chǎn)生重要影響。

為進(jìn)一步探究IHO對(duì)中國(guó)冬季氣候異常的影響，圖4給出了氣溫對(duì)IHO指數(shù)的回歸系數(shù)分布?？梢钥吹?，在1979—2013年期間，當(dāng)IHO增強(qiáng)時(shí)，全國(guó)（除青藏高原地區(qū)）尤其是華中地區(qū)地表氣溫明顯下降，而正異常區(qū)則主要出現(xiàn)在青藏高原附近。為定量分析IHO對(duì)華中地區(qū)氣溫的影響，將華中地區(qū)的區(qū)域平均氣溫定義為CC指數(shù)。CC與IHO指數(shù)的年際變化如圖4b所示，兩者相關(guān)系數(shù)為-0.29（通過置信度為90％的顯著性檢驗(yàn)），而利用站點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算的CC與ERA5中的IHO相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到-0.40（通過置信度為95％的顯著性檢驗(yàn)），具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

這表明，IHO可以通過大氣質(zhì)量異常的再分布顯著影響中國(guó)區(qū)域近地面風(fēng)場(chǎng)以及地表溫度場(chǎng)。當(dāng)IHO處于正位相時(shí)，中國(guó)尤其是華中地區(qū)出現(xiàn)大范圍的負(fù)溫度異常，增加了低溫災(zāi)害事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 冬季IHO年際變化的主要驅(qū)動(dòng)因子

前人的研究表明太陽(yáng)輻射對(duì)大氣系統(tǒng)加熱不均是產(chǎn)生大規(guī)模大氣運(yùn)動(dòng)的根本原因，半球間行星熱對(duì)流環(huán)流是半球際大氣質(zhì)量交換的“第一推動(dòng)力”（曾慶存和李建平，2002）。為研究與IHO相應(yīng)的異常質(zhì)量分布及熱力環(huán)流結(jié)構(gòu)，對(duì)IHO指數(shù)與緯向平均位勢(shì)高度以及氣溫進(jìn)行相關(guān)分析。如圖5所示，相關(guān)的異常位勢(shì)高度具有經(jīng)向跨半球的遙相關(guān)特征。具體而言，南半球高緯以及熱帶對(duì)流層中下層為負(fù)相關(guān)，而南半球中緯以及北半球中高緯由正相關(guān)區(qū)占據(jù)，且顯著相關(guān)的大值區(qū)主要位于南半球的中高緯度地區(qū)（圖5a）。與之對(duì)應(yīng)，溫度的異常相關(guān)變化同樣也在經(jīng)向方向上交替出現(xiàn)，并且顯著大值區(qū)主要分布在南半球中高緯地區(qū)以及北半球中緯地區(qū)（圖5b）。值得注意的是，在南半球60°～90°S區(qū)域整層尤其是對(duì)流層上部（400～250 hPa）緯向平均位勢(shì)高度以及氣溫與IHO都表現(xiàn)為一致的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與Lu et al.（2023）在觀測(cè)資料中得到的結(jié)果一致，表明了經(jīng)向熱力不平衡對(duì)半球間大氣質(zhì)量交換具有驅(qū)動(dòng)作用。即當(dāng)IHO偏強(qiáng)（弱）時(shí)，南極上空出現(xiàn)顯著的氣溫與位勢(shì)高度負(fù)（正）異常。南極上空氣溫降低（升高）導(dǎo)致了內(nèi)能減少（增加），極渦增強(qiáng)（減弱）的同時(shí)整層大氣柱收縮（膨脹），勢(shì)能減?。ㄔ龃螅?，從而導(dǎo)致了南極區(qū)域總能量和大氣質(zhì)量減少（增加），兩半球間大氣質(zhì)量差增大（減小）。

由圖5可知，南極地區(qū)大氣質(zhì)量異常對(duì)于IHO年際變化起主要貢獻(xiàn)，南極地區(qū)氣溫異常可能對(duì)半球間大氣質(zhì)量交換過程起關(guān)鍵性推動(dòng)作用。為進(jìn)一步定量分析南極地區(qū)溫度對(duì)IHO的影響，圖6a給出了IHO與南極地區(qū)對(duì)流層上部平均溫度年際變化曲線。從圖6a可以發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.32（通過置信度為90％的顯著性檢驗(yàn)），表明南極對(duì)流層上部氣溫對(duì)IHO年際變化具有重要驅(qū)動(dòng)作用。

南極地區(qū)由于溫度下降、內(nèi)能減少導(dǎo)致該地區(qū)大氣質(zhì)量異常下降，從而驅(qū)動(dòng)大氣質(zhì)量向北輸送并增大兩半球大氣質(zhì)量差。其中，臭氧是影響南極地區(qū)氣溫變化的主要因子（陳月娟等，1999）。如圖6b所示，計(jì)算表明南極地區(qū)對(duì)流層上部平均溫度與臭氧之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.33，通過置信度為95％的顯著性檢驗(yàn)），表明臭氧含量變化對(duì)南極對(duì)流層氣溫起主導(dǎo)作用。南極地區(qū)大氣臭氧增加，一方面可以通過吸收太陽(yáng)紫外輻射對(duì)平流層大氣進(jìn)行短波加熱，另一方面可以放出紅外長(zhǎng)波輻射調(diào)節(jié)對(duì)流層大氣溫度，因此在南極地區(qū)的極晝時(shí)節(jié)（北半球冬季），臭氧變化可通過影響太陽(yáng)輻射進(jìn)而對(duì)南極大氣溫度以及極渦強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響（Thompson et al.，2011）。

值得關(guān)注的是，圖5b中IHO與氣溫的顯著相關(guān)區(qū)除了南極地區(qū)以外，熱帶地區(qū)100 hPa以上的平流層區(qū)域也出現(xiàn)了大范圍的顯著正相關(guān)區(qū)域。而研究表明，臭氧在太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈的赤道上空形成后，通過剩余環(huán)流向高緯度輸送，從年際變化看，當(dāng)這種輸送偏弱時(shí)，容易伴隨熱帶地區(qū)氣溫（臭氧）偏高，而南極高緯度氣溫（臭氧）偏低，即兩者間呈現(xiàn)反位相的變化（Randel et al.，2002）。計(jì)算得到的南極對(duì)流層上部氣溫與全球緯向平均氣溫相關(guān)系數(shù)分布如圖7所示，可以看到南極對(duì)流層上部氣溫與赤道（10°S～10°N）平流層下部（100～70 hPa）氣溫存在明顯的反位相關(guān)系。通過進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.38（通過置信度為95％的顯著性檢驗(yàn)）。

這表明，剩余環(huán)流可通過動(dòng)力輸送過程調(diào)節(jié)臭氧含量的經(jīng)向分布，從而導(dǎo)致極地與赤道間溫度呈現(xiàn)“蹺蹺板”現(xiàn)象，并使得極赤溫差呈現(xiàn)周期性變化，從而驅(qū)動(dòng)全球大氣環(huán)流發(fā)生變化。陳權(quán)亮等（2009）也指出臭氧的分布會(huì)受到行星波破碎激發(fā)出的剩余環(huán)流的影響并會(huì)改變溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，通過影響行星波的傳播從而影響對(duì)流層大氣環(huán)流。此外，南半球中緯地區(qū)與南極氣溫同樣表現(xiàn)為反相變化。這加強(qiáng)了中高緯間的溫度梯度，伴隨著繞極環(huán)流加強(qiáng)，從而使得大氣向南極熱量的輸送減少并進(jìn)一步導(dǎo)致南極氣溫降低。

3 結(jié)論和討論

本文分析了MPI-ESM1-2-HR模式中1979—2013年冬季EAWM與南北半球間大氣質(zhì)量濤動(dòng)（IHO）的年際關(guān)系及其對(duì)中國(guó)冬季氣溫的影響，得到以下結(jié)論：

1）1979年以來(lái)，再分析資料以及CMIP6中大部分模式尤其是MPI-ESM1-2-HR均顯示冬季IHO與EAWM存在緊密聯(lián)系。當(dāng)IHO為正（負(fù)）位相時(shí)，歐亞大陸高緯度區(qū)域有大氣質(zhì)量堆積（虧損），而歐亞大陸中低緯地區(qū)以及鄰近海域?yàn)榇髿赓|(zhì)量的虧損（堆積），使得歐亞大陸中高緯間經(jīng)向氣壓梯度以及東亞地區(qū)海陸氣壓差明顯增大（減?。瑥亩苟撅L(fēng)增強(qiáng)（減弱），并引起了我國(guó)尤其是華中地區(qū)冬季地表氣溫顯著偏低（高）。

2）南極地區(qū)對(duì)流層氣溫變化所引起的大氣質(zhì)量變化對(duì)IHO年際變化具有重要的影響。當(dāng)南極地區(qū)溫度下降（上升）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整層大氣內(nèi)能與勢(shì)能減少（增加），大氣質(zhì)量異常減少（增加），并驅(qū)動(dòng)大氣質(zhì)量向北（南）輸送從而調(diào)節(jié)兩半球間大氣質(zhì)量差。

3）在全球變暖尤其是熱帶地區(qū)平流層增溫背景下，熱帶與南極地區(qū)氣溫以及臭氧的負(fù)相關(guān)關(guān)系是引起南極地區(qū)氣溫與臭氧偏低，進(jìn)而引起南極地區(qū)氣柱收縮以及大氣質(zhì)量虧損的主要驅(qū)動(dòng)因子，并進(jìn)一步導(dǎo)致了南北半球間大氣質(zhì)量的不平衡現(xiàn)象。

本文研究表明南極氣溫變化對(duì)半球際大氣質(zhì)量交換有明顯驅(qū)動(dòng)作用，然而南極大氣溫度不僅受臭氧含量影響，還與南極大陸大洋海冰和冰雪覆蓋向上的長(zhǎng)波輻射有關(guān)（Cavalieri et al.，2003）。南極大陸冰雪層是全球大氣運(yùn)動(dòng)的主要冷源，在地球能量收支中扮演著重要的角色。冬季南極海冰異常通過冰氣相互作用對(duì)冬春季南半球大氣環(huán)流南極濤動(dòng)產(chǎn)生顯著影響（Wu and Zhang，2011）。因此，南極冰雪層同樣可能在驅(qū)動(dòng)半球間大氣質(zhì)量交換過程中發(fā)揮重要作用。此外，古氣候及其模擬研究（Scherer，1991;Pollard and DeConto，2009）表明，南極洲的地形在過去經(jīng)歷了巨大的變化。而在當(dāng)前由于全球變暖導(dǎo)致全球冰蓋融化的時(shí)代，與北極海冰快速消融不同，南極海冰出現(xiàn)獨(dú)特的、復(fù)雜的變化（Yadav et al.，2022）。因此，正確理解南極大陸冰雪層與大氣氣候特征的相互作用同樣具有重要意義。

參考文獻(xiàn)（References）

Bueh C，Peng J B，Lin D W，et al.，2022.On the two successive supercold waves straddling the end of 2020 and the beginning of 2021［J］.Adv Atmos Sci，39（4）：591-608.doi：10.1007／s00376-021-1107-x.

Cavalieri D J，Parkinson C L，Vinnikov K Y，2003.30-year satellite record reveals contrasting Arctic and Antarctic decadal sea ice variability［J］.Geophys Res Lett，30（18）.doi：10.1029／2003gl018031.

陳權(quán)亮，任景軒，范廣洲，等，2009.行星波波動(dòng)對(duì)平流層剩余環(huán)流的影響［J］.高原氣象，28（2）：402-410. Chen Q L，Ren J X，F(xiàn)an G Z，et al.，2009.Impact of planetary wave on the stratospheric residual circulation［J］.Plateau Meteor，28（2）：402-410.（in Chinese）.

Chen W，Graf H F，Huang R H，2000.The interannual variability of East Asian winter monsoon and its relation to the summer monsoon［J］.Adv Atmos Sci，17（1）：48-60.doi：10.1007／s00376-000-0042-5.

Chen W，F(xiàn)eng J，Wu R G，2013.Roles of ENSO and PDO in the link of the East Asian winter monsoon to the following summer monsoon［J］.J Climate，26（2）：622-635.doi：10.1175／JCLI-D-12-00021.1.

陳月娟，張弘，畢訓(xùn)強(qiáng)，1999.南極臭氧洞與南極渦旋的變化：IAP模式的試驗(yàn)結(jié)果［J］.大氣科學(xué)，23（4）：462-468. Chen Y J，Zhang H，Bi X Q，1999.The influence of Antarctic ozone hole on the Antarctic vortex：simulated by the IAP AGCM［J］.Sci Atmos Sin，23（4）：462-468.（in Chinese）.

Christy J R，Trenberth K E，Anderson J R，1989.Large-scale redistributions of atmospheric mass［J］.J Climate，2（2）：137-148.doi：10.1175／1520-0442（1989）002<0137：lsroam>2.0.co;2.

叢菁，盧楚翰，管兆勇，2011.南北濤動(dòng)與南極濤動(dòng)及北極濤動(dòng)的相互作用［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，34（6）：748-755. Cong J，Lu C H，Guan Z Y，2011.Relationships among IHO，AO and AAO［J］.Trans Atmos Sci，34（6）：748-755.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.2011.06.012.（in Chinese）.

丁一匯，柳艷菊，梁蘇潔，等，2014.東亞冬季風(fēng)的年代際變化及其與全球氣候變化的可能聯(lián)系［J］.氣象學(xué)報(bào)，72（5）：835-852. Ding Y H，Liu Y J，Liang S J，et al.，2014.Interdecadal variability of the East Asian winter monsoon and its possible links to global climate change［J］.Acta Meteor Sin，72（5）：835-852.doi：10.11676／qxxb2014.079.（in Chinese）.

Eroglu D，McRobie F H，Ozken I，et al.，2016.See-saw relationship of the Holocene East Asian-Australian summer monsoon［J］.Nat Commun，7：12929.doi：10.1038／ncomms12929.

Eyring V，Bony S，Meehl G A，et al.，2016.Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 （CMIP6） experimental design and organization［J］.Geosci Model Dev，9（5）：1937-1958.doi：10.5194／gmd-9-1937-2016.

Fu D X，Ding Y H，2021.The study of changing characteristics of the winter temperature and extreme cold events in China over the past six decades［J］.Int J Climatol，41（4）：2480-2494.doi：10.1002／joc.6970.

Guan Z Y，Yamagata T，2001.Interhemispheric oscillations in the surface air pressure field［J］.Geophys Res Lett，28（2）：263-266.doi：10.1029／2000gl011563.

Guan Z Y，Lu C H，Mei S L，et al.，2010.Seasonality of interannual inter-hemispheric oscillations over the past five decades［J］.Adv Atmos Sci，27（5）：1043-1050.doi：10.1007／s00376-009-9126-z.

Gutjahr O，Putrasahan D，Lohmann K，et al.，2019.Max Planck Institute Earth System Model （MPI-ESM1.2） for the high-resolution model intercomparison project （HighResMIP）［J］.Geosci Model Dev，12（7）：3241-3281.doi：10.5194／gmd-12-3241-2019.

韓榮青，石柳，袁媛，2021.2020／2021年冬季中國(guó)氣候冷暖轉(zhuǎn)折成因分析 ［J］.氣象，47（7）：880-892. Han R Q，Shi L，Yuan Y，2021.Analysis on the causes of cold and warm transition in China during the winter of 2020／2021［J］.Meteor Mon，47（7）：880-892.（in Chinese）.

韓永秋，周連童，黃榮輝，2021.中國(guó)冬半年極端低溫事件的時(shí)空特征及其與 東亞冬季風(fēng)的關(guān)系［J］.氣候與環(huán)境研究，26（1）：1-17. Han Y Q，Zhou L T，Huang R H，2021.Characteristics of the extreme low temperature events in China during boreal winter and its relationship to East Asian winter monsoon［J］.Climate Environ Res，26（1）：1-17.doi：10.3878／j.issn.1006-9585.2020.19018.（in Chinese）.

胡宏博，黃艷艷，戴金，等，2023.近11年中國(guó)寒潮頻發(fā)的機(jī)理分析［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，46（6）：864-875. Hu H B，Huang Y Y，Dai J，et al.，2023.Causes of China’s frequent cold waves over the past 11 years［J］.Trans Atmos Sci，46（6）：864-875.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230509001.（in Chinese）.

Huang R H，Chen J L，Wang L，et al.，2012.Characteristics，processes，and causes of the spatio-temporal variabilities of the East Asian monsoon system［J］.Adv Atmos Sci，29（5）：910-942.doi：10.1007／s00376-012-2015-x.

Lorenz E N，1951.Seasonal and irregular variations of the Northern Hemisphere sea-level pressure profile［J］.J Meteor，8（1）：52-59.doi：10.1175／1520-0469（1951）008<0052：saivot>2.0.co;2.

盧楚翰，管兆勇，梅士龍，等，2008.大氣質(zhì)量南北濤動(dòng)的季節(jié)循環(huán)［J］.科學(xué)通報(bào)，53（21）：2638-2645. Lu C H，Guan Z Y，Mei S L，et al.，2008.Seasonal cycle of North-South oscillation of air quality［J］.Chin Sci Bull，53（21）：2638-2645.（in Chinese）.

Lu C H，Guan Z Y，Cai J X，2010.Interhemispheric atmospheric mass oscillation and its relation to interannual variations of the Asian monsoon in boreal summer［J］.Sci China Earth Sci，53（9）：1343-1350.doi：10.1007／s11430-010-4023-y.

盧楚翰，管兆勇，李永華，等，2013.太平洋年代際振蕩與南北半球際大氣質(zhì)量振蕩及東亞季風(fēng)的聯(lián)系［J］.地球物理學(xué)報(bào)，56（4）：1084-1094. Lu C H，Guan Z Y，Li Y H，et al.，2013.Interdecadal linkages between Pacific decadal oscillation and interhemispheric air mass oscillation and their possible connections with East Asian monsoon［J］.Chin J Geophys，56（4）：1084-1094.doi：10.6038／cjg20130404.（in Chinese）.

Lu C H，Xie S Q，Qin Y J，et al.，2016.Recent intensified winter coldness in the mid-high latitudes of Eurasia and its relationship with daily extreme low temperature variability［J］.Adv Meteor，2016：3679291.doi：10.1155／2016／3679291.

Lu C H，Zhong L，Guan Z Y，et al.，2023.Interdecadal variations and causes of the relationship between the winter East Asian monsoon and interhemispheric atmospheric mass oscillation［J］.Climate Dyn，61（9）：4377-4391.doi：10.1007／s00382-023-06810-x.

Park T W，Ho C H，Yang S，2011.Relationship between the Arctic oscillation and cold surges over East Asia［J］.J Climate，24（1）：68-83.doi：10.1175／2010JCLI3529.1.

Pollard D，DeConto R M，2009.Modelling West Antarctic ice sheet growth and collapse through the past five million years［J］.Nature，458：329-332.doi：10.1038／nature07809.

喬年，盧楚翰，管兆勇，等，2022.CMIP6模式大氣中南北半球際濤動(dòng)的季節(jié)循環(huán)［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，45（6）：890-903. Qiao N，Lu C H，Guan Z Y，et al.，2022.Seasonal cycle of interhemispheric oscillation in atmosphere of CMIP6 models［J］.Trans Atmos Sci，45（6）：890-903.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20211112001.（in Chinese）.

Randel W J，Wu F，Stolarski R，2002.Changes in column ozone correlated with the stratospheric EP flux［J］.J Meteor Soc Japan，80（4B）：849-862.doi：10.2151／jmsj.80.849.

Scherer R P，1991.Quaternary and tertiary microfossils from beneath ice stream B：evidence for a dynamic West Antarctic ice sheet history ［J］.Global and Planetary Change，4（4）：395-412.

施春華，孫偉佳，郭棟，2021.WP和NAO對(duì)中國(guó)東南部冬季溫度的協(xié)同影響［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，44（3）：394-404. Shi C H，Sun W J，Guo D，2021.Synergistic effects of WP and NAO on winter surface temperature in southeastern China［J］.Trans Atmos Sci，44（3）：394-404.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20191227001.（in Chinese）.

孫曉娟，李駟焱，虞越越，等，2022.1951—2017年冬季中國(guó)南方持續(xù)性冰凍雨雪事件的氣候特征及其與環(huán)流異常的聯(lián)系 ［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，45（5）：768-777. Sun X J，Li S Y，Yu Y Y，et al.，2022.Climatic characteristics of winter long-lasting freezing rain and snow events in southern China from 1951 to 2017 and their relationship with circulation anomalies ［J］.Trans Atmos Sci，45（5）：768-777.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20201112002.（in Chinese）.

Thompson D W J，Solomon S，Kushner P J，et al.，2011.Signatures of the Antarctic ozone hole in Southern Hemisphere surface climate change［J］.Nat Geosci，4：741-749.doi：10.1038／ngeo1296.

van den Dool H M，Saha S，1993.Seasonal redistribution and conservation of atmospheric mass in a general circulation model［J］.J Climate，6（1）：22-30.doi：10.1175／1520-0442（1993）006<0022：sracoa>2.0.co;2.

Wang B，Wu Z W，Chang C P，et al.，2010.Another look at interannual-to-interdecadal variations of the East Asian winter monsoon：the northern and southern temperature modes［J］.J Climate，23（6）：1495-1512.doi：10.1175／2009jcli3243.1.

Wang L，Chen W，2014.An intensity index for the East Asian winter monsoon［J］.J Climate，27（6）：2361-2374.doi：10.1175／jcli-d-13-00086.1.

王林，龔海楠，蘭曉青，2021.北極濤動(dòng)的年代際變化及其氣候影響［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，44（1）：50-60. Wang L，Gong H N，Lan X Q，2021.Interdecadal variation of the Arctic Oscillation and its influence on climate［J］.Trans Atmos Sci，44（1）：50-60.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20201030001.（in Chinese）.

王政琪，徐影，周波濤，2017.CMIP5模式對(duì)東亞冬季風(fēng)指數(shù)變化及其與冬季大氣環(huán)流和氣溫關(guān)系的模擬評(píng)估［J］.地球物理學(xué)報(bào)，60（9）：3315-3324. Wang Z Q，Xu Y，Zhou B T，2017.Evaluation of the CMIP5 models in simulating the change of the East Asian winter monsoon indices and their relationship with the wintertime atmospheric circulation and temperature［J］.Chin J Geophys，60（9）：3315-3324.doi：10.6038／cjg20170904.（in Chinese）.

吳佳，高學(xué)杰，2013.一套格點(diǎn)化的中國(guó)區(qū)域逐日觀測(cè)資料及與其它資料的對(duì)比［J］.地球物理學(xué)報(bào)，56（4）：1102-1111. Wu J，Gao X J，2013.A gridded daily observation dataset over China region and comparison with the other datasets［J］.Chin J Geophys，56（4）：1102-1111.（in Chinese）.

Wu Q G，Zhang X D，2011.Observed evidence of an impact of the Antarctic sea ice dipole on the Antarctic oscillation［J］.J Climate，24（16）：4508-4518.doi：10.1175／2011jcli3965.1.

Wu Z W，Li J P，Jiang Z H，et al.，2011.Predictable climate dynamics of abnormal East Asian winter monsoon：once-in-a-century snowstorms in 2007／2008 winter［J］.Climate Dyn，37（7）：1661-1669.doi：10.1007／s00382-010-0938-4.

謝韶青，盧楚翰，2018.近16 a來(lái)冬季歐亞大陸中緯度地區(qū)低溫事件頻發(fā)及其成因［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，41（3）：423-432. Xie S Q，Lu C H，2018.Intensification of winter cold events over the past 16 years in the mid-latitudes of Eurasia and their causes［J］.Trans Atmos Sci，41（3）：423-432.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20160415003.（in Chinese）.

Yadav J，Kumar A，Mohan R，2022.Atmospheric precursors to the Antarctic sea ice record low in February 2022［J］.Environ Res Commun，4（12）：121005.doi：10.1088／2515-7620／aca5f2.

Yu Y Y，Ren R C，Hu J G，et al.，2014.A mass budget analysis on the interannual variability of the polar surface pressure in the winter season［J］.J Atmos Sci，71（9）：3539-3553.doi：10.1175／jas-d-13-0365.1.

張樂英，徐海明，施寧，2017.冬季南極濤動(dòng)對(duì)歐亞大陸地表氣溫的影響［J］.大氣科學(xué)，41（4）：869-881. Zhang L Y，Xu H M，Shi N，2017.Influence of the Antarctic oscillation on surface air temperature over the Eurasian continent during boreal winter［J］.Chin J Atmos Sci，41（4）：869-881.doi：10.3878／j.issn.1006-9895.1612.16228.（in Chinese）.

Zhang Y，Sperber K R，Boyle J S，1997.Climatology and interannual variation of the East Asian winter monsoon：results from the 1979—95 NCEP／NCAR reanalysis［J］.Mon Wea Rev，125（10）：2605.doi：10.1175／1520-0493（1997）1252605：CAIVOT>2.0.CO;2.

曾慶存，李建平，2002.南北兩半球大氣的相互作用和季風(fēng)的本質(zhì)［J］.大氣科學(xué)，26（4）：433-448. Zeng Q C，Li J P，2002.Interactions between the northern and southern hemispheric atmospheres and the essence of monsoon［J］.Chin J Atmos Sci，26（4）：433-448.（in Chinese）.

Model verification of the relationship between inter-hemispheric atmospheric mass oscillation and East Asian winter monsoon

Abstract The interaction between mid-high latitudes in the atmosphere of the Northern and Southern Hemispheres is closely related to cross-hemisphere weather and climate systems，such as monsoons.Due to the involvement of large-scale circulation and global energy changes，the correlation pathway and mechanism have garnered extensive attention from scholars.The inter-hemispheric air mass oscillation （IHO） index is defined as the difference in atmospheric mass between the Northern and Southern Hemispheres，reflecting changes in global atmospheric circulation caused by the exchange of atmospheric mass between the hemispheres.Using ERA5 reanalysis data post-1979，the winter IHO showed a significant positive correlation with the East Asian winter monsoon anomaly （correlation coefficient r=0.49）.The historical output data of the CMIP6 models further verified this relationship，showing a positive correlation in 96.7％ of the models，with a correlation coefficient of 0.35 in the MPI-ESM1-2-HR model，statistically significant at the 95％ confidence level.Using ERA5 reanalysis data and the historical experimental data of the MPI-ESM1-2-HR model，we verified the influence of IHO anomalies on the interannual variation of the East Asian winter monsoon and the underlying physical processes.The results indicate that the IHO is closely related to the East Asian winter monsoon through the redistribution of global air mass.During a positive IHO phase，atmospheric mass accumulates abnormally deposited in northern Eurasia and decreases in the middle and low latitudes，significantly increasing the sea-land pressure difference in East Asia and strengthening winter winds，and vice versa.Additionally，the combined difference in surface pressure between high and low IHO years shows that the Antarctic air mass anomaly contributes most of the negative anomalies in the Southern Hemisphere，indicating that the Antarctic air mass oscillation is the main driver of the North-South air mass oscillation.In the MPI-ESM1-2-HR model，the IHO significantly impacts winter surface air temperature in China，particularly in Central China，with a correlation coefficient of -0.29 between winter surface air temperature and the IHO index in Central China.Analysis of the MPI-ESM1-2-HR model reveals that the correlation coefficient between the IHO and the average temperature of the upper troposphere in the Antarctic region is -0.32 （passing the 90％ significance test），indicating that the temperature of the upper troposphere in the Antarctic region significantly drives the interannual variation of the IHO.Ozone is identified as the primary factor affecting temperature changes in the Antarctic region.The mean temperature of the upper troposphere and ozone content in the Antarctic region are significantly positively correlated （r=0.33，passing the 95％ significance test），indicating that ozone changes play a dominant role in the temperature of the Antarctic troposphere.The temperature in the upper Antarctic troposphere is inversely correlated with that in the lower stratosphere of the equator （10°S—10°N） at 100—70 hPa，with a correlation coefficient of -0.38 （passing the 95％ significance test）.This suggests that the temperature at the bottom of the tropical stratosphere influences the temperature of the Antarctic troposphere through residual circulation，regulating the interannual oscillation of the Antarctic air mass and causing the imbalance between the hemispheres.When the tropical stratosphere temperature rises，the ozone and temperature in the upper Antarctic troposphere decrease，leading to significant negative temperatures and geopotential anomalies over Antarctica.The decrease in air temperature over Antarctica reduces internal energy，increases the polar vortex，and contracts the atmospheric column，reducing total energy and atmospheric mass in the Antarctic region，thereby increasing the atmospheric mass difference between the hemispheres，and vice versa.

Keywords East Asian winter monsoon;inter-hemispheric atmospheric mass oscillation;temperature “seesaw”;CMIP6