南太平洋汇聚带对南极德龙宁·莫德兰地区大气河流变化的影响：观测数据与CESM2 LENS2模型的证据

《Atmospheric Research》：South Pacific Convergence Zone driven atmospheric river changes over Dronning Maud Land, Antarctica: Observational and CESM2 LENS2 evidence

南极大气河流（AR）的时空变化及其机制研究：1979-2022年基于ERA5和CESM2的数据分析表明，Dronning Maud Land地区AR频率呈显著上升趋势（0.39%/十年，p<0.05），动力过程贡献率达82%，海表面温度（SST）异常通过激发Rossby波链和增强西南极内陆辐合，导致Weddell海反气旋异常增强及下游高压脊发展。SPCZ内部变异性通过影响对流和波系传播对AR变化起关键调制作用。

　　

吴青丽|王野堂|翟兆生|周敏

山东师范大学地理与环境学院，济南250014，中国

摘要

大气河流（AR）对南极降雪积累、地表融化和冰架崩解/坍塌有着深远的影响。然而，仍需要全面的案例研究来更好地理解AR的变化及其背后的机制。在这里，我们使用ERA5再分析和Community Earth System Model第2版（CESM2）集合模拟来研究1979–2022年间南极AR的空间分布和长期趋势，并通过区分动力效应和热力学效应来探究其背后的机制。再分析显示，在1979–2022年间，南极Dronning Maud Land（DML）地区的年AR频率显著增加，这主要是由动力过程驱动的。南太平洋汇聚区（SPCZ）的海表温度（SST）异常通过增强对流和激发Rossby波列，加深了威德尔海的气旋异常，并放大了下游的高压脊。使用50个成员的CESM2集合进行的指纹实验证实了内部太平洋变异性在再现观测到的AR趋势中的关键作用。这些结果强调了准确表示SPCZ SST变异性对于理解驱动南极AR变化机制的重要性。

引言

大气河流（AR）是一种长而狭窄的强烈纬向水汽传输现象，通常与受Rossby波动力学影响的温带气旋的冷锋有关（Ralph等人，2017年）。AR经常发生在中纬度地区（例如，Dettinger等人，2011年；Rutz和Steenburgh，2012年；Viale等人，2018年）。这些现象常常导致极端降水，并引发山体滑坡和洪水等灾害。最近的研究还记录了极地地区（包括北极和南极）也出现了AR现象（例如，Mattingly等人，2023年；Mattingly等人，2018年；Nash等人，2018年；Wille等人，2022年），它们显著影响了这两个地区的气候、海冰和冰架/冰盖的变化。在南极，AR占总降雪量的约13%，并且在降雪异常中占比更高（Maclennan等人，2022年）。特别是2022年的AR相关极端降雪事件导致南极冰盖（AIS）的质量平衡为正，减缓了全球海平面上升的速度（Wang等人，2023年）。AR通过增强向地表的长波辐射，触发西南极边缘的高强度地表融化（Wille等人，2019年；Djoumna和Holland，2021年；Turner等人，2022年；Maclennan等人，2023年），并且通过热力学和动力学过程加速了海冰的消融（Liang等人，2023年；Simpkins，2023年）。此外，2000年至2020年间南极半岛上约60%的冰架崩解/坍塌事件与AR驱动的极端事件有关，如极端温度、地表融化和大浪（Wille等人，2022年）。然而，尽管在AR对冰冻圈过程的影响方面进行了大量研究，但驱动南极AR变化的机制仍不甚明了。

形成南极AR的整合水汽传输（vIVT）的纬向分量包括湿度和纬向风。因此，AR的变化可以归因于环流的变化（称为动力贡献），或者湿度的变化（称为热力学贡献）。最近的研究集中在与大规模气候模式相关的大气环流对南极AR变异性的影响上。南方环状模（SAM）已被确定为影响西南极AR频率双极变化的关键因素（Wille等人，2021年）。此外，自然气候变异模式，这些模式与海表温度（SST）异常有远距离关联（Aoki，2017年；Irving和Simpmonds，2016年），包括太平洋南美模2（PSA2）、太平洋十年涛动（PDO）、印度洋偶极子（IOD）和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO），已被证明在南极AR变化中起着重要作用（Shields等人，2022年）。然而，这些SST异常发生在外部强迫气候变化的背景下，使得区分内部变异性和外部强迫的相对影响变得具有挑战性。

Dronning Maud Land（DML）是南极地区接收AR最频繁的地区之一（Wille等人，2021年）。2009年和2011年由AR引起的降雪事件导致整个东南极的质量平衡为正（Gorodetskaya等人，2014年），几乎抵消了西南极不断增加的冰损失（例如，McMillan等人，2014年；Rignot等人，2014年）。此外，AR降水占DML年际降水量变化的77%（Baiman等人，2023年）。最近的研究表明，南太平洋汇聚区（SPCZ）的内部变异性强烈影响西南极的气候变异性（Clem等人，2019年；Deb等人，2025年；Hou等人，2025年），这意味着SPCZ驱动的准静态Rossby波列可能导致威德尔海的气旋异常，从而可能影响DML的气候变异性。因此，本研究重点关注DML地区的AR变化以及SPCZ对AR的影响。我们使用ERA5和CESM2大型集合社区项目（LENS2）从1979年到2022年的模拟数据，分析了AR频率的趋势，并区分了动力和热力学贡献。此外，我们研究了内部SST变异性，特别是SPCZ，在调节DML地区AR活动中的潜在作用。我们的结果表明，观察到的DML AR增加主要是由动力过程驱动的，SPCZ的变异性可能起到了关键的调节作用。

章节摘录

观测和全球气候模型

我们使用了第五代欧洲中期天气预报中心（ERA5）的大气再分析数据，包括1979年至2022年的每小时特定湿度（q）、风的v分量（v）和500 hPa位势高度（Z500），空间分辨率为大约31公里（Hersbach等人，2020年）。1979年至2022年的月度SST数据来源于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的扩展重建SST第5版（ERSSTv5）数据集。

观测和模拟的南极AR趋势

与Wille等人（2021年）使用ERA5和MERRA2确定的1980–2018年年的AR频率趋势类似，1979年至2022年间整个南极没有显著的趋势（图1a）。AR频率的显著增加主要局限于DML的大部分地区和维多利亚地（Victoria Land）的一小部分地区（图1a），DML地区的平均年AR频率增幅高达0.39%每十年（p < 0.05）（图1b）。在任何季节（南极冬季除外），

讨论与结论

本研究利用观测数据（ERA5）和模型模拟（CESM2）研究了1979–2022年间南极AR频率趋势的空间分布及其分解的动力和热力学成分。两个数据集中都观察到DML地区年AR频率的广泛且显著的增加（图1），与Wille等人（2021年）的结果相似。分解分析表明，DML地区AR频率的增加主要依赖于动力过程。

CRediT作者贡献声明

吴青丽：撰写——初稿、可视化、软件、正式分析。王野堂：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、正式分析、概念构思。翟兆生：撰写——审阅与编辑、监督。周敏：软件、正式分析。

未引用的参考文献

Ding等人，2011

Enfield等人，2001

Li和Ding，2024

Li等人，2021

Lu等人，2014

Mo和Higgins，1998

Phillips和Simpson，2024

Rayner等人，2003

Rodgers等人，2021

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2020YFA0608202）、国家自然科学基金（41971081）、中国科学院战略性先导科技专项（XDA19070103）以及上海极地科学前沿中心（SOO2024-06）的支持。