中高層大氣環境變異及天氣氣候致災效應

摘要 中高層大氣因其對天氣氣候的顯著影響而被列為世界天氣氣候研究計劃前沿科學研究領域。同時，作為航空到航天的過渡空間，中高層大氣被視為國防安全的“高邊疆”。然而，由于觀測數據不足以及缺乏完備的中高層大氣模式，我國對中高層大氣環境變異及其天氣氣候致災效應的認識還很薄弱。為了加深對中高層大氣的認識，國家自然科學基金委資助了重大研究項目“中高層大氣環境變異及天氣氣候致災效應”，該項目旨在：1）發展中高層大氣成分觀測的新技術和方法，開展“天空地”一體化多要素協同觀測，獲取中高層大氣的多時空尺度觀測資料;2）研究跨大氣層相互作用和多源擾動對中高層大氣的影響，量化外部強迫因子和內部變率對中高層大氣變異的影響及貢獻;3）完善模式的中高層大氣物理化學過程，發展中高層大氣資料同化系統;4）揭示中高層大氣環境變異對東亞極端天氣氣候的影響和機制，評估其致災效應和風險。該研究將為防災減災、氣候變化應對以及國防安全保障提供重要的科技支撐和決策依據。本文簡要介紹了該項目的研究背景和內容、關鍵科學問題及最新研究進展。

關鍵詞中高層大氣;協同觀測數據同化;化學-輻射-動力反饋;地球系統模式;極端天氣氣候事件

1 研究背景和科學目標

中高層大氣處于大氣科學和空間科學研究的過渡區，是從對流層頂到一兩百千米高度左右的大氣層（圖1），它是地球大氣圈層的重要組成部分。傳統的大氣科學研究聚焦對流層大氣，中高層大氣變化并未受到足夠的重視。近些年來，大量研究表明中高層大氣內物理、動力和化學過程的變化可以影響對流層的天氣氣候，是提高延伸期預報和短期氣候預測水平的潛在因子（Baldwin and Dunkerton，2001;胡永云，2006;卞建春，2009;田文壽等，2011;Nowack et al.，2015;Tian et al.，2023）。中高層大氣內的熱動力過程以及化學成分的變化在一些特定的條件下甚至會引發對流層內的極端天氣氣候事件（吳國雄等，2013;黃榮輝等，2018;Huang et al.，2021）。目前國際上已有一些預報預測系統（如ECMWF、UKMO等）把中高層大氣過程應用于天氣預報及季節預測當中，其結果顯示在預測系統中考慮了中高層大氣后，預報預測系統對歐洲及北美地區冬季極端天氣的預報、預測能力有效改善（Büeler et al.，2020）。另一方面，傳統的空間科學研究側重200 km以上更高的深空領域，而中高層大氣所在部分區域又被稱為“臨近空間”，是航空航天飛行器上升的第一過渡空間，也被視為國防安全的“高邊疆”。因此，越來越多的國家從國防安全的角度關注中高層大氣變化的研究，深入認識中高層大氣氣象和環境要素的分布及其變化特征對國防安全保障具有非常重要的戰略意義（蔣建政等，2012），是國家的重大戰略需求。

我國在中高層大氣領域的研究起步相對較晚，研究力量薄弱，同時面臨著觀測手段不足、觀測數據缺乏、模式系統發展緩慢等問題。在觀測資料方面，缺乏高質量的連續觀測數據以及先進的探測手段和技術。在中高層大氣的演變過程和機理方面，創新性的成果不足，尚不能在國際上引領該方向的研究。在預報預測模式系統方面，缺乏具有自主知識產權的包括中高層大氣的數值模式系統。在中高層大氣的應用研究方面，中高層大氣的研究成果還未被有效地應用于提升對流層天氣氣候預測的能力和水平。長期以來，國內中高層大氣的研究嚴重依賴于國際上的數據和模式，這使得我國對中高層大氣的認識和理解受到了很大的制約，甚至面臨著“卡脖子”問題?；谏鲜鍪聦崳l展中高層大氣的探測和觀測技術，深入研究中高層大氣演變過程和機理，完善中高層大氣預測預報的模式系統，有效地把中高層大氣的研究成果應用于天氣氣候預測及國防安全保障是亟待展開的研究工作，這不僅可為克服延伸期天氣預報和短期氣候預測的瓶頸提供科學依據，還可為應對氣候變化、防災減災，乃至“臨近空間”資源的有效利用提供重要的理論支撐和決策依據。

針對如何加深我們對中高層大氣的認識這一前沿科學問題，項目從4個方面進行深入研究（圖2）。第一，針對中高層大氣探測能力和水平不足的問題，擬開展“天空地”一體化的全大氣層多要素協同觀測，發展中高層大氣成分觀測的新技術和方法，從而獲取中高層大氣的多時空尺度觀測資料，為研究中高層大氣的演變過程和機理以及預報預測提供支撐。第二，針對中高層大氣機理和過程認識不足的問題，本項目擬開展跨大氣層相互作用和多源擾動對中高層大氣影響方面的研究，量化外部強迫因子和內部變率對中高層大氣變異的影響及貢獻。針對中高層大氣預報預測能力不足的問題，第三，基于現有模式系統，完善和補充全大氣層模式系統中的物理化學過程的描述及資料同化系統，試圖提升對中高層大氣的預報預測能力。

第四，針對如何將中高層大氣的信號有效應用于提高對流層天氣氣候的預報預測水平這一問題，項目擬開展中高層大氣環境變異對東亞極端天氣氣候的影響和機制以及致災效應和風險評估的研究，為氣象災害預報預測提供新的基礎理論和技術方法。

2 研究現狀及研究內容

2.1 中層大氣協同探測新技術與新方法

中層大氣化學組分（如臭氧、水汽、氣溶膠等）對中層大氣的熱力結構起著至關重要的作用，與其有關的化學-輻射-動力反饋對對流層的天氣氣候具有顯著的影響（Tian and Chipperfield，2005;Nowack et al.，2015;Haase and Matthes，2019;周天軍等，2023）。此外，中層大氣成分數據還可為中高層-對流層大氣模式的發展提供觀測數據支撐，改善模式的模擬能力。因此，開展中層大氣成分的觀測具有十分重要的意義。

目前，平流層常規氣象要素以及臭氧、水汽的觀測技術已經相對比較成熟，而氣溶膠理化特性等方面的觀測還存在挑戰。平流層氣溶膠壽命較長，對化學-輻射平衡有不可忽視的影響（肖子牛等，2013;Marshall et al.，2020），二氧化硫在平流層氣溶膠的形成中起著重要作用（English et al.，2011）。雖然現有球載粒子計數器可以實現對中層大氣氣溶膠數譜（即不同粒徑氣溶膠的數量）的原位觀測，但是無法獲取氣溶膠的理化特性（如氣溶膠化學成分、氣溶膠折射指數等）。機載采樣設備可以實現氣溶膠理化特性的原位測量，但是此類設備重量太大，無法適用于氣球探空觀測。另外，中層大氣氣溶膠前體物二氧化硫的球載探測技術在國內還是空白。因此，迫切需要研發針對中層大氣化學組分探測的新技術，開展中層大氣氣溶膠揮發性和二氧化硫的觀測研究，這不僅可以提升我們對中層大氣組分的認識，還可為改進中高層大氣模式中的氣溶膠化學和輻射模塊提供觀測數據支持。

關于中層大氣其他成分（如臭氧、水汽、一氧化碳、甲烷等）的探測，目前的探測方式有天基、地基和空基探測。天基探測主要依賴于衛星，如搭載在Aura衛星上的微波臨邊探測器（MLS），其觀測范圍可覆蓋上平流層至熱層下部，可觀測包括H2O、CO、O3、CH4等一系列大氣成分（Livesey et al.，2015）。正交偏振云氣溶膠激光雷達（CALIOP）的觀測數據由于白天受太陽光的干擾，僅夜間數據能用于分析平流層氣溶膠的變化。在中高層大氣成分的空基探測方面，美國、歐洲已經利用高空飛機搭載不同探測儀器，實現對流層頂附近云、氣溶膠等大氣成分的探測，先后開展了氣溶膠、極區平流層冰晶云、極區臭氧、熱帶對流層頂卷云等的觀測（Stefanutti et al.，1999）。地基探測中高層大氣的主要手段是激光雷達，包括瑞利激光雷達、金屬熒光散射激光雷達、臭氧激光雷達、平流層氣溶膠地基激光雷達等，可監測平流層氣溶膠、臭氧等成分（Ansmann et al.，1992;Kremser et al.，2016;WMO，2022）。

雖然目前國內外已經發展出了針對中層大氣化學組分的天基、地基和空基等多種探測方式，但是單一的探測方法仍存在不足。比如衛星探測覆蓋范圍廣，有較好的時間連續性，但其垂直分辨率較低，且很多反演產品不確定性大，需要機載或球載原位探測的驗證;部分空基和地基探測方式（如平流層飛艇）成本高，難以實現在空間上密集、持續地觀測，且易受天氣的限制（Chen et al.，2019;趙兵科等，2022）。因此，亟須設計針對中層大氣成分的“天空地”一體化的多化學組分協同觀測新方法，開展中層大氣多時空尺度觀測，這對于豐富中層大氣化學組分數據庫以及為中高層-對流層大氣耦合模式提供初始場具有重要意義。

中高層大氣上部是同電離層底部融合的中間層頂區域，是地球大氣溫度最低的部分，在地球系統各圈層之間的能量和物質輸送過程中扮演著重要的角色。在中高層大氣中開展原位探測需要克服多種極端條件，需要非常先進的能量供給、動力系統和實時通訊技術，加強中高層大氣狀態及物理過程的探測是大氣科學和空間科學領域的迫切需求，也是各國探測能力所面臨的挑戰。

在地基探測方面，自20世紀80年代以來，國內多家科研院所自主研制出中高層大氣探測激光雷達（吳永華等，2000，2001;龔順生等，2009;程學武等，2011;王國成等，2012;Dou et al.，2014;王強等，2015;張飛飛等，2015;易帆等，2019）、氣輝儀（Xu et al.，2021）和流星雷達（方欣等，2013;潘凌云等，2017;陳志青等，2024）等地基遙感探測儀器，并獲得了中高層大氣溫度、密度、風場、電子密度和化學成分等重要參數的觀測數據。同時，中國研制并發射了多種氣象火箭，豐富了空基探測手段，獲取了20～60 km高度處的溫度、密度、風場等氣象要素資料。此外，20世紀國外發射的一系列衛星，如：UARS、TIMED、COSMIC、CALIPSO和Aura等，實現了對中高層大氣風場、溫濕度、大氣密度、電子密度和大氣成分等的觀測。近十年來，我國的中高層大氣衛星觀測和應用取得了重要進展，特別是風云系列衛星和高分五號衛星，實現了對中高層大氣溫度、濕度、臭氧、溫室氣體等的全天候三維監測（蔣耿明和金亞秋，2012;張鵬等，2016;Yan et al.，2019;閆歡歡等，2019;Cai et al.，2020）。

近年來，中層大氣雷達、氣象火箭和氣象衛星等探測技術的進步增加了對中高層大氣底部（如50 km以下的平流層）的觀測數據。然而，由于探測手段有限，缺乏對中高層大氣上層區域環境參數的實測數據。中高層大氣在不同高度具有不同的物理特性和過程，因此需要綜合利用大氣科學、空間科學等多領域的觀測手段和技術，以有效開展中高層大氣探測和研究。為提升我國對中高層大氣的監測能力，需要在我國關鍵區域進行中高層大氣與空間協同觀測，獲取中高層大氣密度、溫度和中高層瞬態放電等環境參量，以加深對中高層大氣電磁、輻射和動力等過程的理解，為臨近空間資源的開發提供科學支撐。

圍繞以上在探測方面存在的問題，項目擬研發中層大氣成分觀測的新技術;發展中層大氣“天空地”一體化的多要素協同觀測新方法;開展中層大氣成分以及中高層大氣擾動（如放電過程、重力波擾動、地磁擾動等）的多時空尺度觀測（圖3）。

2.2 中高層大氣環境變異的過程與機制及其天氣氣候效應

中高層大氣環境變化復雜，如平流層極渦、熱帶平流層準兩年周期振蕩（quasi-biennial oscillation，QBO）、大氣臭氧濃度等均具有強烈的多尺度變化特征（田文壽等，2020;Wang et al.，2022）。在全球變化背景下，中高層大氣動力過程、化學成分等出現了一些新的變異現象。例如，自20世紀80年代以來，北極平流層極渦在2月持續向歐亞大陸偏移（Zhang et al.，2016）;自1953年以來，QBO的振幅有顯著減弱的趨勢（Kawatani and Hamilton，2013;Richter et al.，2019），且QBO在2015／2016、2019／2020年出現了罕見的位相阻斷現象（Anstey et al.，2022）。未來在全球變暖背景下，極渦偏移是否會持續發生（Seviour，2017），QBO位相阻斷是否會反復出現，這些尚不清楚，有待研究。隨著蒙特利爾協議的簽訂，平流層臭氧在21世紀初開始逐漸恢復，但是北極地區強臭氧損耗事件卻時有發生（如2011和2020年），尤其在2020年北極上空出現了一個巨大的臭氧空洞（Rao and Garfinkel，2020;Witze，2020）。未來這種北極臭氧空洞事件將如何變化還尚未可知。在全球增暖、增暖停滯和增暖加速不同背景下中高層大氣動力過程、熱力結構和化學成分分別具有怎樣的變化特征，需要進一步的研究和評估。

中高層大氣環境變化受到多種因子影響，這些因子可以分為氣候系統內部變率、人類活動和自然因素。中高層大氣環境變化首先受其內部不同尺度的擾動過程影響。在這些擾動中，秒級尺度的中高層大氣放電現象受對流層雷暴活動的影響，雷暴活動不僅通過激發重力波影響中高層大氣的電子密度，還能產生強靜電場和高能電磁輻射場，從而在短時間內擾動中高層大氣的高能電子和能量，影響通信和導航系統等無線電信號（郄秀書和王俊芳，2010;Parra-Rojas et al.，2015;張義軍和張陽，2016;陸高鵬等，2020;呂凡超等，2023;Malagón-Romero et al.，2023）。小時到天尺度的重力波活動傳播至中高層大氣發生破碎后，可以擾動中高層大氣的能量和物質，使得中高層大氣的氣象要素以及化學成分發生變化（曲維政等，2006;李建平等，2013;Xu et al.，2021;陳權亮等，2022;姚彬彬，2022;Tian et al.，2023）。此外，天到次季節尺度的平流層爆發性增溫（stratospheric sudden warming，SSW）和年際尺度的QBO也會影響中高層大氣的環境和大氣成分（Wallace，1973;Holton and Tan，1980;Baldwin and Dunkerton，2001;Zhang et al.，2019，2021）。人類活動造成的溫室氣體、氟氯烴等臭氧損耗物質以及氣溶膠等污染物上傳，也會引起中高層大氣化學成分和大氣環流的變化。另一方面，自然因素如太陽活動引起的物質和能量擾動也是中高層大氣環境變化的重要因素（Meehl et al.，2009;徐寄遙，2013;劉睿等，2019;王赤等，2021;柳丹等，2023;顏毅華等，2023）。太陽向地球系統輸送的太陽風不僅會引起中高層電子密度在短時間內快速上升，影響航天器的軌道衰變速度，還會通過調制地磁活動、宇宙射線等，劇烈擾動中高層大氣（呂達仁，1996;Schunk，2000;趙亮等，2011;Gray et al.，2012;肖子牛等，2013;Kuchar et al.，2015;丁一匯，2019）。太陽輻射的11 a周期會引起中層大氣熱力結構和大氣環流的明顯改變（Haigh，1996;Gray et al.，2009;Meehl et al.，2009）。以往研究多關注單一因子對中高層大氣環境變異的影響，對于多因子通過化學-輻射-動力耦合過程影響中高層大氣環境的機制研究不足。全球變化背景下，這些因子對中高層大氣環境變異的相對貢獻會呈現怎樣的變化還需要深入診斷。

中高層大氣的異常信號會隨時間向下傳播至對流層，對近地面天氣氣候產生顯著影響。平流層極渦作為中層大氣重要的環流系統之一，其強度和位置的變化可以通過平流層-對流層動力耦合影響對流層中高緯度大氣環流，繼而影響中高緯度地區的天氣氣候。特別是在北半球SSW期間，極渦異常信號可以在延伸期、次季節-季節（S2S）尺度上顯著增加北半球特別是歐亞地區寒潮、暴雪等災害性天氣發生的概率（Wang et al.，2002;陳文和魏科，2009;Kolstad et al.，2010;Wang and Chen，2010;吳國雄等，2013;Zhang et al.，2016;Kretschmer et al.，2018;Huang et al.，2021）。除平流層極渦外，熱帶QBO振幅和位相的變化也會影響對流層的天氣氣候。研究表明，QBO的位相轉變不僅與熱帶氣旋的強度和頻率存在聯系，也與北半球中緯度近地面極端溫度事件密切相關（李崇銀和龍振夏，1997;陳文等，2004;王會軍等，2007;Garfinkel and Hartmann，2011;Yoo and Son，2016;Son et al.，2017;Gray et al.，2018;黃榮輝等，2018;Zhang et al.，2019）。盡管中高層大氣環流系統對對流層天氣和氣候的影響已經得到了較好的認識，但是將這些信號有效地應用于延伸期、S2S以及年際-年代際尺度預測中還面臨諸多挑戰。一方面，中高層大氣環流異常在不同區域不同類型的極端天氣事件中扮演著怎樣的角色還不清楚;另一方面，中高層大氣異常影響對流層極端天氣氣候事件超前的時間尺度和相對貢獻也存在爭議。

除了中高層大氣動力過程對對流層天氣氣候的影響外，中高層大氣中一些重要的化學成分，特別是平流層臭氧，可以通過化學-輻射-動力反饋過程對對流層天氣氣候產生影響。研究發現20世紀南極平流層臭氧空洞會導致副熱帶急流加強并向極移動、哈德萊環流變寬、副熱帶干旱區向極地移動等（Son et al.，2010;Min and Son，2013;Solomon and Polvani，2016）。近些年，北極也出現了和南極相當幅度的臭氧損耗（Manney et al.，2011，2020）。一些研究表明北極臭氧損耗可以顯著影響北半球大部分地區對流層風場、溫度和降水等（Xie et al.，2017;Hu et al.，2019;Xia et al.，2021;Friedel et al.，2022）。還有研究指出北極臭氧損耗與北極海冰、北太平洋海溫以及熱帶海溫異常存在密切聯系（Xie et al.，2016，2018;Zhang et al.，2022）。然而，以往的研究主要聚焦于中高層化學成分對氣候長期變化的影響，這些化學成分異常影響對流層極端天氣氣候事件的機理、程度和時間尺度目前還不清楚。中高層大氣環境異常在重度霧霾、極端高溫、干旱、野火以及對流層高臭氧等災害性事件中也扮演著非常重要的角色（Zou et al.，2017;Lim et al.，2019;Lu et al.，2022）。然而，中高層大氣的致災效應目前還缺乏系統全面的認識。考慮到這些極端天氣氣候事件往往會對基礎設施、社會經濟、生命安全以及生態環境等造成嚴重的損害，因此，深入研究中高層大氣變異的致災效應，不僅對提高此類極端事件的預報精度和預報時效有重要的科學意義，而且對保障民眾的生命財產安全等具有重要的社會價值，可為防災減災等提供科技支撐和決策依據。

針對上述研究現狀和存在的問題，項目擬識別中高層大氣環境變異的新特征;揭示中高層大氣環境變異的機理;量化評估大氣內部變率、人類活動和自然外強迫的貢獻（圖4）。在上述研究的基礎上，項目擬進一步分析北半球中高緯對流層大氣環流對中高層大氣環境變異的響應和機制;揭示中高層大氣環境變異對東亞極端天氣氣候的影響和機制;評估中高層大氣環境變異的致災效應和風險（圖5）。

2.3 中高層-對流層大氣模式及預報預測技術

具備更高模式層頂以及完備的中高層大氣物理、化學過程的數值模式可以顯著地改善中高層大氣化學組分、電離特性和環流系統的模擬，為大氣科學和空間科學等地球科學交叉研究提供重要的科學工具（Polavarapu et al.，2005;Elbern et al.，2010;Blanc et al.，2018;McCormack et al.，2021）。目前，越來越多的氣候模式包含了中高層大氣過程。其中最有代表性的模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）開發的全大氣層通用氣候模式（The Whole Atmosphere Community Climate Model，WACCM），其對中高層大氣動力、物理和化學過程均有較好的模擬能力（Marsh et al.，2013;Gettelman et al.，2019）。相對而言，我國的中高層大氣數值預報模式的研發工作尚處于初期階段，對中高層天氣和環境預報的研究基礎相對薄弱。本項目團隊與中國氣象局合作研發了耦合中層大氣化學過程的化學-氣候模式BCC-Strato-Chem，這使得我國的氣候模式初步具備了中層大氣化學、物理過程及其相互作用的模擬能力。但是，該模式依然存在中高層-對流層大氣耦合模式普遍具有的問題：1）模式層頂高度偏低，缺少與中間層-熱層-電離層的耦合;2）重力波參數化方案過于簡化（易帆，1997;張紹東等，2001，2002;Liu and Roble，2002;Yigˇit et al.，2009），導致中高層大氣環流模擬不準確，極地地區存在“冷極（cold-pole）”問題（Hamilton et al.，1999;Austin et al.，2003）;3）模式中的物理、化學過程尚不完善，如未考慮中高層大氣放電過程對大氣化學的影響（Arnone et al.，2014;Pérez-Inverńon et al.，2019），中高層大氣模式中的平流層氣溶膠模塊較為簡單（Kremser et al.，2016;Tian et al.，2023）。上述這些問題極大地限制了模式對中高層大氣環境模擬和預報的準確性，更使得利用中高層大氣信號預報對流層天氣氣候面臨困難。因此，亟須改進我國中高層大氣模式對動力過程的模擬性能，完善模式中的物理和化學方案，提高我國中高層大氣模式的國際競爭力。

除了上述提到的模式中動力、物理和化學過程描述不完善等問題之外，缺乏資料同化系統也是制約中高層大氣數值預報發展的重要挑戰（謝衍新等，2017;陶正達等，2018）。資料同化的重要性在于為模式提供更準確的初始場，提升天氣氣候預測水平，并將模式結果與觀測資料融合，生成高質量的再分析數據集。近年來，一些國內學者已開始研究中高層大氣溫度、風場等物理場資料的同化（鐘亦鳴等，2016;謝衍新等，2018;敬文琪等，2020;謝飛等，2022）。然而，這些研究大多僅涉及單一探測資料（如溫度、風）的同化，且主要依賴國外數值模式和觀測資料構建同化系統。我國中高層大氣研究和國防氣象保障面臨著“卡脖子”的挑戰。因此，發展具有自主知識產權的中高層多源、多要素數據同化系統將顯著提升我國中高層大氣氣象要素和大氣成分的預報預測水平。

針對我國中層大氣模式發展的現狀和存在的不足，項目擬基于國家氣候中心的氣候系統模式，發展、完善氣候模式的中高層大氣重力波參數化方案;耦合并完善中高層大氣模式不完備的物理、化學過程;試圖構建中高層大氣多源、多要素數據同化系統及預報預測系統。

3 項目最新研究進展與展望

項目最近的工作圍繞中層大氣環境變異對對流層環流、天氣氣候的影響及動力學機理開展了研究。主要進展如下：

1）項目最新的研究表明，不同的對流層先導異常導致的平流層爆發性增溫（SSWs）會造成不同的對流層環流演變（Zhang C Y et al.，2024）。我們的分析發現，在強烏拉爾脊（SUR-SSWs）和弱烏拉爾脊（WUR-SSWs）型的SSWs后對流層環流演變存在顯著差異。SUR-SSWs在隨后的一個星期內表現出東亞大槽的增強，而增強的格林蘭阻塞脊和負對流層環狀模異?？梢猿掷m一個月。相比之下，WUR-SSWs則表現出歐亞北部地區的地表降溫，但沒有顯著的對流層環狀模異常。在SUR-SSWs期間，由增強的烏拉爾阻塞造成的波動傾向于在對流層內傳播，從而增強東亞大槽。此外，由于波相速的降低，先前存在的烏拉爾脊異常向西遷移并增強格林蘭阻塞脊。在WUR-SSWs發生前，東北亞的降溫向西遷移并加劇歐亞北部地區的降溫。因此，SSWs發生前的烏拉爾脊異常顯著影響SSWs后對流層的環流（圖6）。

2）考慮到春季降水對中國農業生產的重要性以及春季可預測性壁壘的存在，項目深入研究了北極平流層臭氧（Arctic stratospheric ozone，ASO）對中國春季降水的影響，以及相關的機制。研究發現1980—2020年期間3月ASO對中國東部4月降水和蒸發的差異有顯著的影響（Hu et al.，2024a）。當3月ASO減少時，極地對流層頂往往較高且較冷，副熱帶急流較強，伴隨中國東部出現異常下沉運動的局地Hadley環流加強，從而導致該地區干旱，反之亦然（圖7）。此外，項目的研究還發現3月的ASO和4月以及5月中國的降水存在顯著的同位相關系（Zhang H M et al.，2024）。上述研究結果表明ASO指數可作為預測東亞地區降水的一個預報因子。

3）項目研究發現12月—次年1月的平流層北極極渦（stratospheric Arctic vortex，SPV）與亞洲2月地表氣溫（surface air temperature，SAT）存在顯著相關（圖8）。在1979—2022年期間12月—次年1月的SPV和2月SAT之間存在反相的年際關系，即強（弱）SPV 對應于亞洲的降溫（升溫）。大約25％的2月亞洲SAT變化可以通過12月—次年1月的SPV來解釋。SPV與SAT之間的這種關系與北極濤動無關。在亞洲，SPV相關的位勢高度伴隨著北大西洋和亞洲之間減弱的遙相關模態，其中包括從東北大西洋-東歐-亞洲的3個中心，以及較少從北大西洋傳播到亞洲的定常波。這些異常環流模態和2月在中亞的異常偏北風有利于將來自更高緯度的冷空氣輸送到亞洲，促進亞洲地表的降溫。研究結果闡明了SPV與亞洲SAT之間的年際聯系，表明12月—次年1月的SPV可以被視為亞洲2月SAT的一個有意義的預測因子（Hu et al.，2024b）。

4）項目研究發現平流層準兩年振蕩會顯著調制北半球夏季季節內振蕩（summer intraseasonal oscillation，BSISO）對長江-淮河流域（Yangtze Huaihe River basin，YHRB）降雨異常的影響（圖9）。在QBO的東風位相（EQBO）期間，與西風位相QBO（WQBO）相比，極端降水更傾向于在YHRB發生。這主要是因為BSISO在EQBO夏季比WQBO夏季更容易導致YHRB的降雨異常。EQBO可以導致背景平流層東風向下進入對流層，進而增強BSISO相關的水汽輸送和水汽輻合，進而導致YHRB的降雨異常更加強烈（Zhou et al.，2024）。此外，項目研究闡明了QBO在調節北極平流層極渦與歐亞大陸早冬近地面氣溫的關系中的角色以及可能的物理機制（Mo and Hu，2024）。

5）北大西洋濤動（NAO）和北大西洋海溫三極子（SST_tri）分別是北大西洋地區大氣和海洋中重要的模態。兩者之間存在緊密的聯系。然而，在1980年至2001年期間，這種聯系變弱，尤其在晚冬表現明顯，而在早冬并未被檢測到（圖10）。這種現象尚未得到很好的解釋，項目討論了NAO在上述關系變化中的作用。研究表明1980—2001年晚冬期間NAO南部中心向東顯著移動（最多東移20°經度），伴隨著NAO北部中心向東擴展。NAO的空間轉變導致了強烈的海-氣相互作用區域移動，最終導致了與NAO相關的SST_tri的崩潰（Song et al.，2024）。這些發現加深了我們對NAO在次季節尺度上的理解。

上文簡要介紹了項目實施一年來的一些主要研究成果。要加深對中高層大氣的認識，需要發展中高層大氣多要素協同觀測新技術和新方法，探究中高層大氣演變的特征和機理，發展中高層-對流層大氣模式及預報預測技術，并研究中高層大氣變化和變異的影響和效應，推動大氣科學內部各分支領域的融合，促進大氣科學與空間科學等其他學科的交叉。因此，項目從探測與觀測、機理分析與建模、技術開發和落地應用等幾個方面考慮，設置五個課題。課題一重點關注平流層內的氣象要素和臭氧、水汽以及氣溶膠等大氣組分的探測與觀測，為課題三的中高層大氣環境變異的過程與機制的研究提供觀測數據，并為課題四要研發的全大氣層數值模式預報系統提供可靠的觀測數據支撐。課題二與課題一在垂直范圍和觀測要素上形成互補，兩者聯合可形成對中高層大氣的多要素、全覆蓋觀測。課題二的觀測數據和研究結果可用于課題三中高層大氣環境變異的過程與機制的分析，為課題四研發中高層大氣模式內的重力波過程和放電過程參數化方案等提供科學依據。課題三是關于中高層大氣變異機理的研究，將豐富和深化我們對中高層大氣環境的理論認知，直接服務于項目目標。同時，相關研究成果可以為課題四完善和補充模式中不完備和缺失的物理化學過程提供理論依據。此外，課題三關于中高層大氣環境變異的過程與機制的研究將為課題五提供理論基礎。課題四綜合利用課題一、二的觀測數據以及課題三的研究成果，旨在發展和完善中高層-對流層大氣耦合模式，該模式將為課題五的研究提供預報預測預報工具，以期提升對中高層和對流層天氣氣候的預報水平。課題五聚焦于中高層大氣環境變異引發的對流層大氣環流變化，揭示中高層大氣環境變異對極端天氣氣候事件的影響及其致災效應和風險。該課題與其他課題共同完成決策咨詢報告和服務工作，實現重大項目研究成果的落地應用。

通過本項目的研究，將有效提升中高層大氣的探測能力、豐富中高層大氣觀測數據庫，把相關研究成果有效地應用于對流層天氣氣候特別是極端天氣氣候的預報預測，為突破延伸期天氣預報和短期氣候預測瓶頸提供新理論和新思路。通過本項目的實施，進一步促進大氣科學內部各分支領域的融合，推動大氣科學與空間科學等其他學科交叉，為防災減災、臨近空間資源有效利用、國防安全保障等領域提供重要科技支撐和決策依據，更好地發揮大氣科學在國家高質量發展中的支撐作用，提升我國在該研究領域的整體水平和國際影響力，助力建設“美麗中國”“健康中國”和“氣象強國”的戰略目標。

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4State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;

5School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Abstract The middle-upper atmosphere has been identified as a frontier scientific research area in the World Weather and Climate Research Program due to its significant impact on tropospheric weather and climate.Moreover，as a transitional space from aviation to space，it has been regarded as the new “high frontier” for national defense security.In China，due to insufficient observational data and a lack of comprehensive middle-upper atmospheric models，our understanding of variations in the middle-upper atmospheric environment and their weather／climate disaster effects is not sufficiently profound.To deepen our understanding of the mid-to-upper atmosphere，the major project “Variations in the middle and upper atmospheric environment and their impacts on weather and climate disasters” was granted by the National Natural Science Foundation of China.This project aims to conduct the following research：1）Develop new technologies and methods for observing the composition of the middle-upper atmosphere，carry out integrated “sky-to-ground” multi-element collaborative observations，and obtain multi-temporal and multi-spatial scale observations of the middle-upper atmosphere.2）Study the impact of cross-atmospheric layer interactions and multi-source disturbances on the middle-upper atmosphere，quantify the influences and contributions of external forcing factors and internal variability on the variations in the middle-upper atmosphere.3）Improve the physical and chemical processes of the middle-upper atmosphere in the model，and establish a data assimilation system for the middle-upper atmosphere.4）Investigate the impacts and mechanisms of variations in the middle-upper atmosphere on extreme weather and climate，particularly in East Asia，assess their disaster effects and risks.The expected results will provide new insights for extreme weather forecasting and early warning，and offering important technological support and decision-making basis for disaster prevention，mitigation，climate change response，and even national defense security.This article briefly introduces the research background，content，and key scientific issues of the project as well as recent main achievements of this project.

Keywords middle-upper atmosphere;collaborative observations and data assimilation;chemical-radiative-dynamical feedback;earth system model;extreme weather and climate event

DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20241201003

（責任編輯：張福穎）