平流层极涡可以通过平流层-对流层耦合过程对地表天气和气候产生重要影响。然而，在地质历史时期，平流层极涡的变化及其影响尚不清楚。北京师范大学系统科学学院夏炎副教授及其合作者基于全耦合地球系统模型，首次系统性研究了过去2.5亿年间平流层极涡的变化，揭示了古地理演化在调控平流层极涡中的关键作用。

研究发现，在过去2.5亿年中，平流层极涡的强度发生了巨大的变化，极地平流层温度的变率高达20摄氏度,高于全球平均的地表气温在地质历史上的变化(图1)。而与全球地表气温的变化主要受CO₂浓度的调制所不同，古地理的演化是驱动南北半球平流层极涡变化的关键因素。与CO₂浓度和太阳辐射的变化相比，古地理因素对平流层温度变化的强迫幅度是其他因素的三倍之大。随着盘古超级大陆的解体和中纬度陆地-海洋分布的不对称性增加，行星Rossby波的向上传播显著减弱，平流层极涡在多个时期显著增强。例如，约1.9亿至8000万年前的中侏罗纪到晚白垩纪期间，北极极涡强度达到最大，且极涡面积是现在的两倍左右。

图1 2.5亿年来(a),(b)全球平均地表和平流层温度、(c),(d)南北半球极区平流层温度、和(e),(f)南北半球200hPa涡动热量通量异常的演变。

研究还表明，地质构造时间尺度上的极涡强度变化还与平流层布雷尔-多布森环流（Brewer-Dobson Circulation, BDC）的变化密切相关(图2)，而后者是平流层-对流层耦合的重要桥梁。当极涡增强时，平流层中的波动减弱，BDC显著减弱，导致极地对流层顶升高，从而可能相应的影响极区臭氧、云量等物理量的变化。

图2 (a)-(f)不同时期相对于工业革命前(PI)的剩余流函数异常以及(g)-(h)2.5亿年以来对流层顶高度的演变

该研究深化了对极涡动力学的理解，为未来气候变化预测提供了参考。研究指出，随着现代气候变暖和冰盖消融，以及未来大陆板块移动，类似的地理分布变化可能通过行星波改变极涡强度，影响极端天气的频率。

该研究成果以“Impact of Paleogeography on the Stratospheric Polar Vortex in the Geological Past”为题发表在美国地球物理学会(AGU)期刊《Geophysical Research Letters》，南京大学博士研究生杨鹏坤为第一作者，北京师范大学夏炎副教授和北京大学胡永云教授为共同通讯作者，合作者还包括南京大学鲍名教授、任雪娟教授、周晨教授、以及国防科技大学朱益民教授。研究得到国家自然科学基金42488201, 42105016, 和42175021的资助。

论文信息:

Yang,P.,Xia,Y.,Hu,Y.,Bao,M.,Ren,X.,Zhou,C., &Zhu,Y.(2024).Impact of paleogeography on the stratospheric polar vortex in the geological past.Geophysical Research Letters,51, e2024GL111251.https://doi.org/10.1029/2024GL111251

供稿：夏   炎

编辑：郝林青

审核：李   辉