南半球气候研究新进展，刚登Nature大子刊！

南半球环状模（SAM）是南半球中高纬度天气与气候变率的主导模态，描述了高纬度与中纬度之间的气压波动，以及中纬度西风急流在日、月、年代际时间尺度上的位置和强度变化（图1a）。

SAM正位相的定义为南极地区气压低于气候平均水平、中纬度地区气压高于气候平均水平，此时对流层中纬度西风急流通常向极地偏移（图1a、b），并能解释50%-70%的月平均纬向风变率（图1c，黄线）。

SAM负位相则呈现相反的气压变化特征，中纬度西风急流向赤道方向偏移。SAM的影响遍及整个南半球，连接了从平流层到对流层、从海洋到南极再到热带的各类过程（图1a、b）。

图1：SAM正位相相关的纬向平均及地表异常特征与时间序列

a，1979-2023年标准化月SAM指数对应的月平均纬向风异常回归结果（阴影部分）、气候平均纬向风（灰色等值线）及影响中纬度急流位置和强度的关键因子（示意图补充）。实线和虚线等值线分别代表西风和东风气候态。b，1979-2023年标准化月SAM指数对应的月平均地表风异常（矢量）和平均海平面气压（MSLP）异常（阴影部分）回归结果。

c，基于不同定义的1979-2023年SAM指数时间序列：40°S与65°S标准化纬向平均海平面气压差（龚-王指数）、南纬约40°和65°处6个观测站的海平面气压标准化差值（马歇尔站指数）、700百帕位势高度异常在南极涛动荷载型上的投影（南极涛动指数），以及捕捉中纬度急流经向偏移的纬向平均纬向风第一主成分（纬向平均U第一主成分）。图例中包含龚-王指数与其他指数的相关系数（r）。

图a和b中的SAM采用龚-王定义计算。所有图中SAM均先按月计算，再进行年平均。异常值基于1981-2010年基准期计算。卫星观测时代以来SAM呈现明显正趋势，其正位相的大气异常连接了从平流层到对流层、从南极到热带的各类过程。

SAM指数存在多种定义方式，包括基于40°S与65°S标准化平均海平面气压（MSLP）差值、中纬度（37-47°S）与南极地区（65-71°S）观测站的标准化海平面气压差值，以及对南半球中高纬度对流层场（如海平面气压、位势高度、纬向风）的经验正交函数分析。

不同定义计算的SAM指数相关性极高，但不同时间分辨率下的标准化处理可能导致年SAM指数变幅存在差异，其中按年标准化的结果变幅高于基于月数据计算的年SAM指数。

本文中的SAM指数采用海平面气压差值定义，使用1979-2023年的月数据，根据需要构建季节或年平均序列。

SAM的变化影响着南半球各地的地表天气与气候。2019年南半球晚春，该季节创纪录的SAM负位相导致澳大利亚东部副热带地区出现异常持续的炎热干燥天气，加剧了极端森林火灾的发生。此外，地表风场变化驱动南大洋环流，进而影响海洋对热量和碳的吸收与输送。

SAM通过两种机制影响南极冰质量变化：大气驱动的降水积累变化会影响地表质量平衡，而风场驱动的海洋热输送至大陆架则会影响支撑冰盖的冰架底部融化。本文重点关注SAM对南大洋和南极地区的影响，其中纬度地区的影响已有相关综述报道。

20世纪中叶以来，SAM总体呈正位相趋势。高及极高温室气体排放情景下的预估结果表明，尽管SAM趋势的季节特征预计会发生变化，但这一正趋势将在整个21世纪持续。深入理解SAM的未来变化特征，对于准确预估21世纪及以后南半球地表气候、南大洋和南极冰冻圈的演变至关重要。

莫纳什大学Ariaan Purich等人探讨了SAM通过中纬度西风急流的变化对南半球气候产生的影响。首先，描述了SAM变率的季节动力学特征及驱动因子；

其次，讨论了仪器观测期内SAM的观测趋势与变率、过去千年的古气候重建结果，并分析了SAM的未来预估；随后，重点围绕南大洋环流与碳循环、南极冰冻圈，阐述了SAM对南半球气候的影响；最后，概述了当前SAM研究中存在的局限性及需要进一步开展的工作。

来源：碳谷

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