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。北京大学胡永云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
