与南极涛动相关的区域哈德莱环流边缘变化

南极振荡（AAO）具有经向不对称结构，将其哈德利环流划分为印太、太平洋和大西洋-非洲三区，其中印太区边缘变异最强。AAO与南半球印太区3-5月、9-11月及12-2月和太平洋区6-8月哈德利环流边缘变异呈反相，与北半球大西洋-非洲区12-2月变异同相。AAO通过瞬态涡旋影响南半球，瞬态与定常涡旋共同调制北半球。其通过哈德利环流影响降水异常，如与澳大利亚夏季降水正相关，与欧洲冬季降水呈偶极分布。

　　

唐宇恒|段安民|胡笛|罗静佳

基于大数据的智能天气预报与应用江苏省重点实验室/气候系统预测与风险管理国家重点实验室/南京信息科技大学人工智能学院（未来技术学院），南京210044，中国

摘要

先前的研究揭示了哈德莱环流在南极涛动（AAO）中的明显区域差异以及纬向不对称特征，南极涛动是南半球温带地区的主要大气模式。然而，它们之间的年际联系以及AAO对两个半球局部哈德莱环流边缘的影响仍不清楚。基于1979–2020年的ERA5再分析数据，本研究表明AAO表现出与热带速度势异常分布一致的纬向不对称空间结构，并将哈德莱环流划分为印度-太平洋、东太平洋和大西洋-非洲三个区域，其中印度-太平洋区域的边缘变化最为显著。在3月至4月至5月、9月至10月至11月（SON）以及12月至1月至2月（DJF）期间，AAO与南半球哈德莱环流边缘（SHE）的变化相位相反；而在6月至7月至8月期间，AAO与东太平洋区域的SHE变化相位相反。在12月至1月至2月（DJF）期间，AAO与北半球哈德莱环流边缘（NHE）的变化相位相同。这些过程可以通过线性斜压模型得到再现。AAO主要通过瞬变涡旋影响SHE，而对NHE的影响则由瞬变涡旋和静止涡旋共同调节。最后，我们揭示了AAO通过哈德莱环流对降水异常的影响：在SON期间，AAO与澳大利亚的降水变化相位相同；但在DJF期间，正的AAO会导致南欧和地中海地区降水减少，而北欧降水增加。本研究进一步强调了AAO在区域哈德莱环流动力学中的关键作用。

引言

哈德莱环流是热带地区最重要的大规模经向翻转环流，在热带与温带之间以及南北半球之间的能量和物质输送中起着至关重要的作用，因此对全球气候具有基础性影响（Held和Hou，1980；Hou，1998；Lindzen，1994；Wu和Tibaldi，1988）。哈德莱环流的上升支和下降支与热带和亚热带地区的降水和干旱密切相关（Diaz和Bradley，2004；Seidel等人，2008）。此外，哈德莱环流的影响不仅限于低纬度地区。哈德莱环流与急流的相互作用常常触发静止的罗斯贝波，这些波传播到中高纬度地区，从而在热带和极地地区建立远距离联系（Hoskins和Ambrizzi，1993；Hoskins和Karoly，1981）。

在过去的几十年里，哈德莱环流的强度及其向极地的边缘都发生了显著变化，其边缘表现出明显的向极地扩展趋势。这种扩展显著影响了热带和干旱地区的增长（Ceppi和Hartmann，2013；Hu和Fu，2007；Johanson和Fu，2009；Lionello等人，2024；Lu等人，2007；Stachnik和Schumacher，2011）。聚焦于哈德莱环流的边缘，先前的研究发现，从全球视角无法完全解释区域气候变异性，这促使人们开始研究局部的哈德莱环流。不同区域的边缘变化存在明显差异。在过去的几十年里，南半球亚洲-太平洋区域的哈德莱环流向极地的扩展趋势最为明显（Lionello等人，2024）；在南美洲，区域哈德莱环流强度增强并朝极地扩展（Freitas和Ambrizzi，2015）；在澳大利亚冬季和春季，哈德莱环流因印度洋夏季季风增强而加强（Freitas等人，2017）；在西太平洋，哈德莱环流在北半球春季显著增强，这与热带西太平洋海表温度的显著升高有关，而北半球冬季哈德莱环流强度的趋势仍不确定（Huang等人，2018；Huang等人，2019）。Nguyen等人（2018）发现，南半球哈德莱环流边缘的年际变化主要由亚洲-太平洋区域的区域哈德莱环流驱动，尤其是在澳大利亚春季和夏季。哈德莱环流强度和边缘年际变化的潜在驱动因素包括厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和中纬度涡旋（Li等人，2023；Sun等人，2019）。涡旋和热通量模拟的偏差也导致了CMIP6预测中哈德莱环流扩展的模型间差异（Hur等人，2024）。

此外，哈德莱环流的变化受到大气模式（如南极涛动AAO）的调节。作为南半球温带地区的主要大气模式，AAO可以调节中纬度涡旋和急流异常，从而影响全球环流（Hartmann和Lo，1998；Hendon等人，2014；Limpasuvan和Hartmann，1999；Lorenz和Hartmann，2001；Robinson，1996）。从全球角度来看，AAO与哈德莱环流相关，与低层哈德莱环流辐合的变化呈正相关。然而，在北半球夏季，这种联系显著减弱（Viswambharan和Mohanakumar，2014）。AAO的正相位对应于哈德莱环流的向极地扩展，主要是由于风暴路径和急流的变化（Nguyen等人，2013）。在十年/多十年时间尺度上，AAO的正趋势对全球哈德莱环流的向极地扩展做出了重要贡献，占总变化的50%（Lim等人，2016；Previdi和Liepert，2007）。

先前的研究将AAO视为一个纬向对称的环形模式。然而，最近的研究表明，AAO在其空间结构上表现出纬向不对称性，并在不同区域产生不同的气候效应（Campitelli等人，2022；Fogt等人，2012；Tang和Duan，2023；Tang等人，2023）。因此，研究AAO对区域哈德莱环流的影响至关重要。现有研究表明，在北半球秋季和冬季，AAO与亚洲-太平洋区域的哈德莱环流扩展之间存在显著相关性（Nguyen等人，2018）。然而，AAO影响哈德莱环流边缘的详细物理过程以及其对北半球区域哈德莱环流的影响仍不够清楚。因此，在研究AAO对哈德莱环流扩展的影响时，必须考虑其纬向不对称性，特别是对区域哈德莱环流的影响。此外，阐明区域哈德莱环流变化如何驱动纬向降水异常（Liu等人，2015；Tang等人，2023；Zheng等人，2015）对于从区域角度验证AAO-Hadley关系的物理意义至关重要。

本研究旨在从区域角度探讨AAO与两个半球区域哈德莱环流边缘变化之间的联系，并阐明相关机制。后续部分安排如下：第2节介绍了本研究使用的数据和方法；第3节阐述了AAO与区域哈德莱环流之间的统计联系；第4节介绍了物理机制；第5节讨论了与AAO-Hadley环流连接相关的降水异常；第6节给出了结论和讨论。

部分摘录

数据

本研究使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析v5（ERA5）的日数据和月数据，其水平分辨率为$1^{°}\times 1^{°}$（Hersbach等人，2020）。全球降水气候学项目（GPCP）的月降水数据使用水平分辨率为${2.5}^{°}\times {2.5}^{°}$（Adler等人，2003）。月AAO指数是根据12个观测站的观测数据，计算40S和65${}^{°}$S之间的纬向平均海平面压力差定义的（

AAO与区域哈德莱环流之间的联系

现有研究表明，AAO具有纬向不对称结构，其纬向不对称性随季节变化（Campitelli等人，2022；Fogt等人，2012；Tang和Duan，2023）。这种不对称性为理解哈德莱环流的区域变化提供了重要背景。在12月至1月至2月（DJF）期间，AAO的纬向不对称性最弱，此时AAO呈现纬向对称结构。在AAO的正相位期间，高压

动态分析

先前的研究表明，AAO导致全球SHE向极地扩展（Nguyen等人，2013；Nguyen等人，2018）。在这里，我们重点研究AAO对区域哈德莱环流扩展的影响。AAO主要通过调节瞬变涡旋来影响急流，从而影响南半球的环流（Hartmann和Lo，1998；Hendon等人，2014；Limpasuvan和Hartmann，1999；Lorenz和Hartmann，2001；Robinson，1996）。现有研究

对AAO-SHE/NHE远距离联系的降水异常响应

AAO主要通过TMMC和SMMC影响哈德莱环流边缘。由于这些边缘对应于哈德莱环流的下降支，因此在3“AAO与区域哈德莱环流之间的联系”和4“与涡旋强迫相关的机制”中讨论的它们的变化直接决定了中纬度降水的分布。图8显示了南半球印度-太平洋和东太平洋区域的降水异常

总结与讨论

在本文中，我们利用再分析数据和基于观测站数据的AAO指数来分析AAO与局部哈德莱环流边缘之间的年际联系和物理过程，并强调了AAO通过局部哈德莱环流对降水异常的影响。主要结论如下：

AAO具有纬向不对称的空间结构，这与与哈德莱环流相关的热带速度势异常的分布相匹配。

CRediT作者贡献声明

唐宇恒：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。段安民：撰写——审阅与编辑，监督，调查，概念化。胡笛：撰写——审阅与编辑，可视化，软件。罗静佳：撰写——审阅与编辑，可视化。

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所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42505031）、江苏省基础研究计划（项目编号：BK20250743）、南京信息科技大学引才创业基金会（项目编号：2025r031）以及气候系统预测与风险管理国家重点实验室（CPRM）倡议项目（项目编号：CPRM-2025-NUIST-012）的支持。我们感谢南京信息科技大学高性能计算中心的支持