近日，北京大学物理学院赵传峰教授联合北京师范大学系统科学学院谢飞教授等在《自然·通讯》（Nature Communications）发表了题为“Stratospheric polar vortex shapes Arctic surface climate via a radiative pathway”的研究论文。平流层极涡是影响北半球冬季地表气候的关键系统。研究团队针对极端极涡事件开展系统评估与模拟后发现：除了传统的“动力下传”路径外，平流层极涡还能通过调制北极高云，诱导产生持久的地表“辐射效应”。该研究指出，这一新发现的辐射路径是驱动北极冬季气候变率的关键机制，为了解当前及未来北极冬季气候及海冰变化提供了全新的科学视角与预报基础。
众所周知，北极平流层极涡（SPV）的异常变化就像一个巨大的“大气活塞”，通过“动力耦合”直接驱动中高纬度的极端冷暖天气。现有研究普遍强调这一动力下传机制，但对其在北极造成的长效热力影响仍缺乏系统认知。一方面，并非所有的极涡异常信号都能成功“下传”到地表——实际上约有三分之一的极端事件在半路就销声匿迹了，但每次的极涡异常却通常都能在地面发现显著的温度响应。另一方面，即便信号成功下传，这种直接的动力冲击通常也极其短暂，往往在短短一周左右便会消失甚至发生反转。而在动力冲击消失之后，观测到北极洋面的温度异常却能持续一个月之久。为何短促的动力强迫能引发如此持久的地表响应？亟需跳出单一的动力学框架，从辐射能量平衡的新视角出发，重新科学审视极涡对北极气候的复合影响机制。
基于此，本研究融合多源卫星观测、气象再分析资料与地球系统模型模拟方法，构建了面向日尺度到季节尺度的极涡“动力-辐射”双路径评估框架。研究以100-hPa北极振荡（NAM）指数达到峰值的日期作为“Day 0”，精细刻画了极端极涡事件发生前后的时空演变特征；基于辐射核（Radiative kernel）方法，系统量化了平流层温度、水汽以及云层变化对北极地表能量收支的具体贡献；在此基础上，利用全大气社区气候模型（WACCM）设计了隔离对流层噪声的“平流层强迫”实验，成功剥离并验证了平流层变率对北极地表气候的独立驱动作用，揭示了极涡影响北极的“保暖云毯”机制。
研究发现，在极端极涡事件中，短促的动力下传效应与持久的辐射效应存在显著的时间错位。平流层底部的温度剧烈变化会改变上对流层的静态稳定性，进而像“开关”一样调制北极上空500 hPa以上的高云覆盖。在漫长且无太阳短波辐射的极夜期间，这些高云如同一床厚厚的“保暖云毯”。数据表明，一个增强的极涡会显著增加北极高云覆盖，产生正的净云辐射效应，将地表散发的热量重新反射回洋面。在强极涡事件的延迟阶段（Day 10至Day 30），这种持续的辐射加热效应可导致北极洋面相对于气候平均态增温高达1.7 K，并直接加速巴伦支-喀拉海区域的海冰流失；而减弱的极涡则会产生相反的冷却效应。
图2：强、弱极涡事件下的快速动力响应与延迟辐射响应
作为传统平流层向下动力传播框架（Baldwin & Dunkerton, 2001, Science）的提出者，Baldwin 教授明确指出，辐射路径的发现有效突破了原有单一动力学视角的局限，确立了辐射效应是驱动北极对平流层变率产生冬季平均响应的关键机制之一。该工作是创新的，结论非常重要。
该工作还表明，未来在推进北极冬季气候与海冰变率的预测预报时，不应仅局限于短暂的动力学前兆信号，还需综合考量极涡对“云毯”的长期调制作用。由于辐射影响比瞬时的动力响应更为持久，它为显著提升北极地表状况在次季节至季节（S2S）尺度上的预报潜力提供了坚实的物理基础。与此同时，随着人工智能（AI）在气象预报中的深入应用，该研究也提示未来的数据驱动气候模型应将北极高云作为关键特征要素，以更全面地捕捉“平流层-地表”耦合系统中的可预报性。
文章第一作者为北京师范大学系统科学学院夏炎副教授，共同通讯作者为北京师范大学谢飞教授与北京大学赵传峰教授。论文合作者还包括北京师范大学博士生罗福海和周泠妤，北京大学胡永云教授，加拿大麦吉尔大学Yi Huang教授，以及中国科学院大气物理研究所卞建春研究员。本研究获得了国家重点研发计划（No. 2024YFF0809402）、国家自然科学基金（No. 41925022, 42375070, 41888101）、中央高校基本科研业务费，以及加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）和加拿大航天局（CSA）等项目的联合资助。
