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中亚位于欧亚大陆腹地，是全球最大的干旱与半干旱区之一。该地区水资源匮乏且高度依赖降水补给，其中冬季降水在年水量收支中占据关键地位，并通过春季积雪融化过程调控河川径流、农业灌溉及生态系统演变。由于降水本身稀少且年际波动显著，中亚水文气候系统对内部变率高度敏感，极端干旱与异常湿润事件频发，对区域粮食安全与社会经济发展构成持续压力。长期以来，研究普遍认为热带海气相互作用，尤其是厄尔尼诺–南方涛动（ENSO），是调制中亚降水年际变化的主导因子（e.g., Yao et al., 2024）。然而，ENSO对部分显著异常年份的解释能力仍有限，表明中亚降水变率可能还受到其他关键气候区遥相关过程的调制。
围绕这一科学问题，中国科学院大气物理研究所博士研究生姚梦媛、黄刚研究员联合英国谢菲尔德大学唐颢苏博士、英国埃克塞特大学James Screen教授，在期刊《npj Climate and Atmospheric Science》发表最新研究成果。研究基于多源观测资料、再分析数据以及气候模式实验，识别出一个此前被忽视的重要前兆信号：南极地区秋季臭氧的年际变化，能够显著影响随后冬季中亚降水（图一）。这一来自极地平流层的信号不仅在统计上稳定存在，而且与ENSO基本独立，从而为理解中亚降水变率提供了新的物理线索与理论视角。
研究进一步揭示了这一跨半球影响的动力学机制。在大气环流路径中，秋季南极臭氧偏高首先通过改变平流层热力结构，使极区增温并削弱极地涡旋与高纬西风急流。该信号下传至对流层，在数周至数月尺度上调制南半球对流层环流，诱发南半球环状模进入负位相（图二）。在此背景下，南半球大尺度经圈环流发生系统性重组：费雷尔环流上升支增强并向低纬移动，下沉支扩展至副热带。该调整通过跨赤道的质量与能量输送耦合北半球哈德莱环流，使北半球中纬度环流整体南移，从而增强中亚上空低层水汽辐合与上升运动，促进降水增加。
除大气路径外，南极臭氧还通过海气相互作用触发另一条重要影响机制。在南半球环状模负位相下，地表风场异常通过埃克曼输运引起南大洋海温偶极异常，并在风–蒸发–海温反馈作用下维持与扩展，在南太平洋激发跨半球罗斯贝波列。该波列进一步调制热带环流，使中东太平洋海温升高并削弱沃克环流，导致热带对流东移，在太平洋–印度洋形成高空辐散–辐合偶极结构。中亚位于辐散异常边缘区，上升运动增强并有利于降水增加。同时，该波列还在欧亚大陆上空激发经向偶极环流，增强副热带西风急流并促进大西洋水汽东输，与大气路径协同放大降水响应。
基于上述机制，研究构建了融合南极臭氧与ENSO的统计预报模型。结果显示，引入臭氧信号可显著提升中亚降水的预测技巧，证明其在传统ENSO之外具有独立的预报价值。此外，在未来气候变化背景下，两者的共同作用可能进一步加剧中亚地区降水相关的社会经济风险。
该研究从平流层过程出发，系统揭示了南极臭氧通过大尺度环流调制北半球水文气候的跨半球机制，表明南极不仅是全球气候变化的重要响应区域，同时也是影响中低纬气候的重要信号源（图三）。这一发现为理解气候系统中不同圈层与不同纬度之间的相互作用提供了新的科学证据，也为干旱区水资源预测与气候适应策略制定提供了重要支撑。本研究受到国家自然科学基金项目（42530606、42261144687）和国家重点研发计划项目（2025YFF0812000）的联合资助。
文章信息：
Yao, M., Tang, H.*, Huang, G.*, & Screen, J. A. (2026). Antarctic Ozone as a Precursor to Winter Central Asian Precipitation Beyond ENSO. Npj Climate and Atmospheric Science.
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41612-026-01423-7
相关文章：
Yao, M., Tang, H.*, Huang, G.*, & Wu, R. (2024). Interdecadal shifts of ENSO influences on Spring Central Asian precipitation. Npj Climate and Atmospheric Science, 7(1), 194. https://doi.org/10.1038/s41612-024-00742-x
图一、中亚冬季降水的年际变化及其大尺度气候驱动因子。（a）1979年至2023年中亚冬季降水年际异常序列（黑线）、前一秋季（10–11月）南极臭氧指数（蓝线）以及冬季厄尔尼诺–南方涛动指数（红线）。灰色柱状表示原始降水序列。图中数字为对应相关系数。（b–d）分别为中亚冬季降水与秋季南极臭氧、冬季厄尔尼诺–南方涛动指数以及反相冬季南半球环状模指数之间的相关系数空间分布。白色点表示在90%置信水平下显著的区域。（e）与（b）相同，但基于1979年至2014年CMIP6多模式模拟结果。白色点表示在至少70%的模式中具有一致信号的区域。
图二、秋季南极臭氧指数及其相关海表温度异常所对应的大气环流响应。（a）南极臭氧指数与冬季200百帕纬向风（阴影）及925百帕风矢量（黑色箭头）的相关分布。绿色箭头表示气候态200百帕风场。（b）南极臭氧指数与冬季500百帕气温（等值线）及其经向梯度（经向北向为正；阴影）的相关分布。实线与虚线分别表示正相关与负相关。（c–e）分别为南极臭氧指数与海表温度（阴影）及200百帕纬向风（等值线）在同期10–11月、11–12月以及随后12月至次年2月的相关分布。（f）反相南半球环状模指数与同期（12月至次年2月）海表温度（阴影）及925百帕风矢量（黑色箭头）的相关分布。图中紫色框表示南太平洋指数区域。白色点表示在90%置信水平下显著的区域。
图三、南极秋季臭氧增强影响中亚冬季降水年际变化的机制示意图。地表层中，蓝色与橙色阴影分别表示冬季海表温度负距平与正距平，绿色阴影表示中亚冬季降水增加区域，黑色箭头表示925百帕风异常。高空200百帕层中，紫色与绿色阴影分别表示纬向风增强与减弱区域，黄色箭头表示与西风增强相关的水平风异常。灰色实线与虚线等值线分别表示正与负流函数异常，用于刻画南极秋季臭氧增强所激发的波列结构，红色曲线表示罗斯贝波列的传播路径。连接上下两层的大气符号表示垂直方向的耦合过程。棕色箭头表示高空辐散与低层辐合配置，紫色箭头表示相反结构。黑色与红色环流分别表示费雷尔环流与沃克环流。 | 
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