中国科学院大气物理研究所联合云南大学、浙江大学、加拿大环境部、英国剑桥大学、自然资源部第二海洋研究所和河海大学的相关学者，在北极—热带相互作用领域取得新进展。团队最新研究揭示出大西洋多年代际变率对北极气候系统影响ENSO事件的调控作用及其物理机制。研究成果以“Atlantic Multidecadal Variability controls Arctic-ENSO connection”为题发表在国际学术期刊《NPJ Climate and Atmospheric Science》。

北极涛动

北极涛动是北半球中高纬地区大气环流年际变率的主导模态，其空间结构表现为北半球中纬度与北极地区气压和位势高度异常呈反向“跷跷板”式变化。这种变化特征使得北极涛动在调节极地与中纬度大气质量交换和气压分布方面起着重要作用。平均流与天气尺度波的相互作用对北极涛动模态的形成和维持至关重要。大量研究指出北极涛动是北半球中高纬度地区极端天气和气候发生的关键环流系统。近些年的研究指出北极涛动的位相和振幅变化还能显著影响热带海气系统，尤其是厄尔尼诺-南方涛动事件。

厄尔尼诺-南方涛动事件

厄尔尼诺-南方涛动事件（ENSO）是年际变化时间尺度上最为显著的热带海气相互作用系统。ENSO事件的发生不仅可以直接导致热带太平洋区域的环流和对流异常，还会通过遥相关机制，影响全球大范围地区的天气和气候状况。ENSO事件常常引发严重的旱涝灾害以及极端高温或低温事件，对渔业、农业、生态环境以及社会经济等造成深远的影响。作为热带地区最强大的海气耦合系统，ENSO也是全球短期气候预测的重要物理基础和可预报性来源。因此，深入研究影响ENSO事件发生和发展的因子，对于准确预测ENSO事件及其相关的天气和气候异常具有重要的科学意义。

大西洋多年代际变率对北极涛动影响ENSO的调控作用

地球系统数值模拟与应用全国重点实验室的陈尚锋研究员团队围绕北极气候变率对ENSO事件等热带海气系统的影响开展了一系列研究。早期研究已揭示了春季北极涛动对后期冬季ENSO事件发生与发展的显著影响，并阐明了北极涛动影响ENSO事件的关键物理过程与机制（图1）。研究指出，北极涛动的北太平洋活动中心能够调节中纬度西风急流和风暴轴的强度，并通过天气尺度波对低频环流的反馈作用，在副热带北太平洋引发显著的大气环流异常。北极涛动通过波流相互作用激发的副热带异常环流，进一步通过风-蒸发-海温反馈机制，在赤道西太平洋激发低层纬向风异常，进而触发东传的赤道开尔文波和热带海气正反馈，从而影响ENSO事件的发生和发展；另外，北极涛动激发的副热带异常环流还会改变信风强度，在赤道附近产生风应力旋度异常，驱动经向海洋热输送，进而影响赤道太平洋的海洋热含量及ENSO事件的演变。

北极涛动对ENSO事件的影响存在不稳定性，理解这种不稳定性及其背后的物理机制对提高ENSO事件预测的准确性至关重要。基于多种长时间的观测和再分析数据，研究发现北极涛动对ENSO事件的影响具有显著的多年代际变化，这种多年代际变化与大西洋多年代际变率（AMV）紧密相关（图2和图3）。在AMV负位相期间，春季北极涛动的太平洋活动中心更强更为显著。因此，春季北极涛动更容易通过中纬度波流相互作用激发出副热带大气环流异常（图4）。副热带大气环流异常进而通过海气相互作用和海洋动力过程影响随后冬季ENSO事件的发生和发展。然而，在AMV正位相期间，北极涛动的太平洋活动中心相对较弱（图4）。因此，北极涛动对ENSO事件的影响显著减弱。

团队进一步通过动力诊断、Pacemaker模式实验以及CMIP6提供的AMIP实验，揭示了在AMV负位相期间，北大西洋冷海温异常能够激发从北大西洋传至北太平洋的大气Rossby波列，使得气候态的阿留申低压和北太平洋西风急流显著增强。阿留申低压和北太平洋西风急流的增强，一方面可以显著加强北太平洋与北大西洋大气模态之间的耦合联系，从而增强北极涛动的太平洋活动中心。另一方面，北太平洋西风急流的增强伴随着天气尺度波（即风暴轴活动）的增强，这显著提升了北太平洋地区的波与流相互作用强度，从而有利于北极涛动太平洋活动中心的维持和加强。此外，研究还发现，在AMV负位相期间更容易形成强极涡。强极涡能够将来自北太平洋的上传行星波反射至北大西洋，这一过程也可以加强北太平洋和北大西洋大气扰动之间的动力耦合过程，继而增强春季北极涛动的太平洋活动中心。可见，AMV可以通过多条物理途径调控春季北极涛动的空间结构，从而调控春季北极涛动对冬季ENSO事件的影响效率。

该项研究表明大西洋海温多年代际变率是北极涛动影响热带气候的重要调节器。在未来几十年，由于气候内部变率的作用，AMV可能从正相位转变为负相位。这一转变将显著增强北极涛动对ENSO事件等热带海气系统的影响，进而对全球气候系统产生更为深远的作用。论文第一作者为地球系统数值模拟与应用全国重点实验室的陈尚锋研究员，通讯作者为云南大学陈文教授。该研究受到了国家自然科学基金、云南省自然科学基金和中国科学院大气物理研究所十四五规划青年项目的联合资助。

文章信息：

Chen, S.-F., W. Chen, R. Wu, B. Yu, H.-F. Graf, Q.-Y. Cai, J. Ying, and W.-Q.Xing, 2025: Atlantic multidecadal variability controls Arctic-ENSO connection. Npj Climate and Atmospheric Science, 37(21), 5483-5506, https://doi.org/10.1038/s41612-025-00936-x

相关文章：

Chen, S.-F., and W. Chen, 2022: Distinctive impact of spring AO on the succedent winter El Niño event: sensitivity to AO’s North Pacific component. Climate Dynamics, 58, 235-255, https://doi.org/10.1007/s00382-021-05898-3.

Chen, S.-F., B. Yu, and W. Chen, 2014: An analysis on the physical process of the influence of AO on ENSO. Climate Dynamics, 42, 973-989, https://doi.org/10.1007/s00382-012-1654-z.

图1 1949—2022年春季北极涛动指数回归的海温、850 hPa风场异常(左列) 以及降水异常(右列)。其中，(a) 和 (e) 为春季，(b) 和 (f) 为夏季，(c) 和 (g) 为秋季，(d) 和 (h) 为冬季。图 (a)-(d) 和 (e)-(h) 中的点状区域分别表示海温异常和降水异常通过了95%置信水平的显著性检验。

图2 (a) 大西洋多年代际变率(AMV) 指数(柱状图)，以及春季北极涛动指数与冬季Niño3.4海温指数的21年滑动相关系数。采用五套再分析资料(HadSLP2、ERA20C、NCEP1、ERA5和JRA55) 计算北极涛动指数。图(a) 中水平线表示相关系数的90%置信水平。(b)-(f) 展示了AMV指数与春季北极涛动指数—冬季Niño3.4海温指数滑动相关系数的散点图。图(b)-(f) 中红线表示最佳线性拟合线，灰色线表示线性回归的95%置信范围。(g) 展示了在AMV正位相和负位相期间，春季北极涛动指数与冬季Niño3.4海温指数的相关系数。

图3 AMV负相位(第一列) 和正相位(第二列) 时，春季北极涛动指数回归的海温与850 hPa风场异常，以及AMV负相位(第三列）和正相位(第四列) 时，春季北极涛动指数回归的降水异常。图中仅展示了通过95%置信水平显著性检验的海温与降水异常。

图4 (a)-(d) 展示了在AMV负位相和正位相时期，春季北极涛动指数回归的同期春季海平面气压和500 hPa位势高度异常。(e) 春季北极涛动指数—冬季Niño3.4海温指数滑动相关系数与春季北极涛动太平洋分量的散点图。(f) 春季北极涛动太平洋分量与春季北极涛动相关的夏季热带西太平洋850 hPa西风异常的散点图。(g) 春季北极涛动指数—冬季Niño3.4海温指数滑动相关系数与春季北极涛动相关的夏季热带西太平洋850 hPa西风异常的散点图。在图 (e)-(g) 中，红线表示最佳线性拟合线，灰色线表示线性回归的95%置信范围。