华南冬季降水（SCWP）的年际变化显著，常引发洪涝或干旱灾害。ENSO作为全球气候系统最强的年际信号，长期被认为是SCWP的主要驱动因子。传统研究多聚焦于西北太平洋低层反气旋异常的水汽输送作用，但对高层大气环流的影响机制认识不足。例如，2015/16年厄尔尼诺期间，华南冬季降水异常偏多，但同期低层反气旋强度并未显著增强，暗示存在未被揭示的动力过程。
中国科学院大气物理研究所黄刚研究员团队利用观测数据与气候模式模拟，通过回归分析、涡度收支诊断等方法，揭示了 ENSO 通过对流层上层大气路径影响SCWP的物理机制。
厄尔尼诺事件期间，东亚对流层上层（150-200 hPa）出现显著的准正压气旋异常，其强度在对流层上层达到峰值（图1）。该气旋异常东侧伴随中层南风异常，将南海暖湿气流向中国南方输送，形成沿东亚海岸线的暖空气平流。同时，西北太平洋低层（850 hPa）反气旋异常增强，其西北侧南风进一步加强水汽输送。
图1 ENSO相关冬季环流异常场 (a) 1979至2023年150hPa冬季风场（矢量）和流函数（阴影）对标准化冬季 Niño3.4指数的回归；(b) 500hPa 风场（矢量）和垂直速度（阴影）对Niño3.4指数的回归，等值线表示冬季平均500hPa温度场（单位：K）；(c) 850hPa风场（矢量）和降水（阴影）对Niño3.4指数的回归，等值线表示冬季平均低层比湿（地面至850hPa垂直平均，单位：kg/kg）。右列（d-f）展示的是1979至2014年期间11个AMIP模拟的集合平均结果，与左列对应项相同。打点区域表示通过95%置信水平统计显著性检验的区域。
基于线性化ω方程分解，团队量化了垂直上升运动的三个贡献项（图2）：涡度平流（20%）、温度平流（22%）和非绝热加热（24%），这三个过程在华南至日本以南区域形成上升运动走廊，与观测的正降水异常带高度重合。CMIP6 模型集合模拟结果验证了这一机制的可靠性。
通过涡度收支分析，研究发现 ENSO 通过沃克环流变化增强热带西太平洋上层辐合，引发向南的辐散流。这一过程通过平均涡度平流和涡旋拉伸，在东亚上层形成稳定的气旋异常。与传统低层路径相比，上层路径的响应更迅速，且受地形干扰较小，解释了厄尔尼诺事件中 SCWP 的超前响应现象。
该研究首次明确了 ENSO 影响 SCWP 的高层大气路径，揭示了高层动力过程与低层水汽输送的协同作用，补充了传统“热带-副热带遥相关”理论，为理解东亚冬季气候异常提供了新视角。
上述工作近期发表于《Geoscience Letters》，论文第一作者为中国科学院大气物理研究所博士生张迦文；通讯作者为胡开明研究员和黄刚研究员；合作者为汪亚副研究员。研究得到国家自然科学基金（42175040和42475046）与中国科学院青年促进会（2021072）的联合资助。