QBO（Quasi-Biospheric Oscillation）垂直结构对秋季哈德莱环流年际变化的影响

《Atmospheric Research》：Influence of the QBO vertical structure on the interannual variability of the Hadley circulation in autumn

QBO垂直结构与Hadley环流年际变异的关系及其机制研究。基于再分析与CMIP6模型数据，发现秋季QBO垂直结构通过影响静力稳定性显著调制西太平洋Hadley环流强度，QBOVI>0时形成次级环流增强HC，模型存在此过程模拟偏差。

　　

王颖|罗佳丽|冯娟|夏艳|罗福海|谢飞

兰州大学大气科学学院，中国兰州730000

摘要

哈德莱环流（HC）是热带地区主要的纬向环流系统，其年际变化对全球气候系统有着重要影响。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是众所周知的对流层驱动因素，而平流层的准两年振荡（QBO）也对热带地区的变率有所贡献。然而，QBO如何调节HC的变率机制尚不清楚。本研究利用再分析数据和CMIP6模型输出结果表明，QBO的垂直结构在秋季对HC的年际变率调节中起着关键作用，尤其是在西太平洋地区。当QBO垂直结构指数（QBOVI）大于0时，会形成一种次级环流模式，其特征是赤道地区上升气流和中纬度地区下降气流。这种环流与低层平流层的冷空气异常有关，这会降低对流层顶附近的静稳定性，并加强西太平洋地区的HC强度。相反，当QBOVI小于0时，对流层顶的静稳定性增强，导致HC强度减弱。对六个选定的高顶CMIP6模型的评估显示，这些模型未能准确捕捉到QBO垂直结构与HC之间的关联。这种局限性可能源于模拟HC强度与静稳定性之间关系的偏差，以及难以再现QBO对对流层顶附近热结构的调节作用。改进模型对这种调节机制的描述有助于提高对HC年际变率的预测能力。

引言

哈德莱环流（HC）是热带对流层中的一种大规模、由热力驱动的环流系统（Guo和Li，2016；Hou，1998），其上升支与赤道辐合带（ITCZ）对齐，下降支与两个半球的副热带高压带相连。在较短的时间尺度上，HC的年际变化会影响赤道大气中的热量输送、热带气旋的形成、ITCZ的位置和强度、热带降水以及其他相关过程（Chemke，2022；Donohoe等人，2014；Zhang和Wang，2013；Zhang和Wang，2015），从而对全球气候系统产生重大影响。

近几十年来，人们广泛研究了HC宽度和强度的变化。涡动动量通量、热带或副热带地区的静稳定性、纬向温度梯度以及对流层顶高度的变化等被认为是影响HC变率的潜在因素（Levine和Schneider，2015；Mitas和Clement，2006；O'Gorman，2011；Seo等人，2014；Seo等人，2023；Sun等人，2024；Walker和Schneider，2006；Wang等人，2020）。以往的研究探讨了外部强迫（如平流层臭氧损耗、温室气体排放和人为气溶胶）对HC长期趋势的驱动机制（Allen等人，2014；Hu，2018；McLandress等人，2012；Ming和Ramaswamy，2011；Orr等人，2012；Tao等人，2016；Waugh等人，2015）。然而，也有研究关注HC在年际尺度上的变率。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是热带地区年际变化的主要驱动因素之一，HC在年际尺度上的变率主要与ENSO相关（Feng等人，2019；Feng等人，2023）。ENSO显著影响HC的宽度和强度（Allen和Kovilakam，2017；Liu等人，2026；Lu等人，2008；Lucas和Nguyen，2015；Feng和Li，2013；Ma和Li，2008；Seager等人，2003；Sun和Zhou，2014）。Guo和Li（2016）评估了CMIP5模型中气候平均HC和年平均HC的年际变率，发现模拟的变率通常比再分析数据得出的结果要弱。Xu等人（2025）进一步证明，尽管CMIP6模型在模拟北半球冬季西太平洋地区的HC气候状态方面更为准确，但它们仍然难以准确表示HC的强度、中心轴线及相关特征。除了ENSO之外，还有其他因素影响HC的年际变率，这些因素需要进一步研究。

在平流层中，准两年振荡（QBO）是全球年际变率的重要贡献者（Anstey等人，2022；Bushell等人，2022；Huangfu等人，2022；Ma等人，2021；Sheng等人，2025），并且已被证明会影响HC。Liess和Geller（2012）指出，在QBO的西风阶段，70 hPa层面的纬向风增强，导致中东太平洋地区的对流增强（而西太平洋地区的对流减弱），同时中东太平洋中高纬度的对流受到抑制，表明HC的强度向东移动。值得注意的是，以往关于QBO对对流层影响的研究大多基于单一压力层面的风场数据。然而，最近的研究表明，考虑QBO的完整垂直结构（能够捕捉其多层信号）可能会揭示其对对流层天气和气候的更强影响（Luo等人，2023；Luo等人，2024；Wang等人，2025；Zhang等人，2025）。与QBO的单层结构相比，其多层垂直结构是否对HC有更显著的影响尚不清楚。

为了研究QBO垂直结构对HC年际变率的影响，我们对1979–2023年间纬向平均质量流函数（MSF）与QBO之间的协方差矩阵进行了奇异值分解（SVD），以提取主要的耦合模式。由于HC是一个明显的季节性大尺度环流系统，其驱动因素和反馈过程在不同季节有所不同（Feng等人，2018；Hu等人，2007；Nguyen等人，2013），因此分别对每个季节进行了分析。结果如图1所示。在秋季，QBO的垂直结构对HC的主要模式有显著影响。HC的主要SVD模式（图1i）与QBO的垂直结构（图1k）在空间上高度吻合，也与HC的主要经验正交函数（EOF）模式（图1j）一致。主要QBO SVD模式的时间系数与HC的第一主成分（PC1）之间的相关性为0.479，超过了95%的置信水平（图1l）。相比之下，在其他季节这种关系并不显著。使用JRA-3Q数据集也得到了类似的结果（图2）。这些发现表明，在秋季，QBO的垂直结构可能在调节HC主要模式的年际变率中起重要作用。

基于上述研究背景和发现，本研究探讨了QBO垂直结构对秋季HC年际变率的影响。论文结构如下：第2节描述数据和方法；第3节讨论QBO垂直结构对HC年际变率的影响；第4节分析QBO垂直结构与HC之间的关联机制；第5节简要评估CMIP6模型的模拟结果；第6节提出结论和讨论。

研究片段

再分析数据

我们使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA5再分析数据集中的月平均大气变量，包括风速的u分量、v分量、垂直速度和温度（Hersbach等人，2020）。水平分辨率为1°，垂直分辨率范围从1 hPa到1000 hPa。此外，还使用了日本JRA-3Q再分析数据集中的月平均数据（Kosaka等人，2024）。

秋季QBO垂直结构对HC年际变率的影响

如图1i和2i所示，秋季QBO影响全球纬向平均HC的关键区域在热带地区呈现偶极子模式。第一个SVD模式解释了HC与QBO之间80%以上的协方差。在该模式下，QBO的垂直结构表现为50 hPa和70 hPa层面的西风，以及上层（10–30 hPa）层面的相反方向风（图1k和2k）。这表明秋季QBO的垂直结构与

QBO垂直结构对HC强度的调节机制

如第3节所述，当QBOVI >0时，西太平洋地区的HC强度增强。一方面，Mitas和Clement（2006）发现HC强度与静稳定性有关。具体来说，在HC的上升支中，对流层顶的静稳定性与HC强度成反比。另一方面，先前的研究表明，不同QBO阶段下对流层顶附近的静稳定性会有所变化（Gray等人，2018；Lee等人，2019；Reid

CMIP6模型中QBO垂直结构与HC变率关系的评估

目前，CMIP6模型在模拟各种气象变量的年际变率方面仍存在较大差异（Pathak等人，2023；Xu等人，2025）。造成这种差异的一个重要原因可能是模型对驱动年际变率的物理过程的表示不够准确。在这里，我们评估了CMIP6模型中QBO垂直结构与HC变率之间的关系。

结论与讨论

本研究探讨了秋季QBO垂直结构对HC年际变率的影响。通过SVD分析，我们确定了与全球纬向平均HC最相关的QBO垂直结构模式。区域分析表明，这种关系主要由西太平洋地区HC变率的调节机制驱动。综合分析揭示了QBO调节HC的机制，我们还简要评估了CMIP6模型的表现。

CRediT作者贡献声明

王颖：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法论，正式分析，数据管理。罗佳丽：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。冯娟：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。夏艳：验证，监督，方法论。罗福海：可视化，方法论，数据管理。谢飞：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢ERA5、JRA-3Q、NOAA和CMIP6提供的数据集。这些数据集可在以下在线仓库获取：ERA5数据可在https://cds.climate.copernicus.eu/datasets获取；JRA-3Q数据可在https://gdex.ucar.edu/datasets/d640002/dataaccess/获取；NOAA数据可在https://psl.noaa.gov/data/获取；CMIP6数据可在https://esgf-node.ipsl.upmc.fr/projects/cmip6-ipsl/获取。本研究得到了国家自然