平流层极涡作为存在于冬半球极区上空，并可作用于广泛中纬度地区的行星尺度涡旋系统，其本身在气候系统中扮演着重要角色。能否准确模拟出平流层极涡的基本态，对研究其变化机理及多尺度影响尤为关键。此前，中高层大气科学团队饶建教授等人基于国际耦合模式比较计划（CMIP）的百余个模式对北半球平流层极涡的模拟进行了全方位的诊断分析和评估。作为对前期研究的扩展和深化，团队在读研究生冯柯翔和饶建教授等人利用三代CMIP模式的百余个模式的历史试验，对南半球平流层极涡的基本态进行了评估分析。
研究结果表明，相较于模式中北极平流层普遍存在的冷偏差，模式对南极平流层的模拟普遍呈现暖偏差，而这一现象在CMIP6模式中得到了最大幅度的改善（图1）。为了量化平流层极涡的强度及形态，团队利用四项参数—极涡面积、极区平均位势高度、极涡纵横比和中心位置—对南极平流层极涡进行了系统性的诊断。研究发现，一些普遍存在的偏差一直存在于三代CMIP模式之中，包括偏弱的极涡强度、过度拉伸的形状以及偏西的中心经度。总体而言，三代CMIP模式对极涡参数的模拟在稳步改进，多模式综合的平均结果表明，一些偏差在逐代改进。与模式中广泛存在的北极平流层极涡面积过大的偏差不同，CMIP6模式能够更为准确地模拟南极平流层极涡的面积。
图1 (a)–(c) 不同再分析资料中南半球冬季 (6–8月) 纬向平均温度 (填色) 和纬向风 (等值线) 高度-纬度剖面图。(d)–(f) 同 (a)–(c)，但代表每代CMIP的MME。其中叉号表示10 hPa的极夜急流中心，圆圈表示90°S的最低温度中心。(g)–(i) 每个CMIP的MME与再分析资料集合平均之差。其中灰色实心点和紫色等值线分别表示温度和风速的偏差通过了95%的信度检验。
除此之外，团队还发现模式对南极平流层极涡模拟的改进与模式模拟出的海表温度（SST）的改进呈现出一致性。具体而言，热带南太平洋（STPO）的冷偏差和南半球Niño1+2区域的暖偏差与极涡参数的偏差显著相关。随着这两大重点海域SST模拟的逐代改善，极涡参数的偏差也相应减少（图2）。尽管如此，对于单个模式和CMIP而言，导致极涡模拟偏差的因素往往是复杂的，模式间较小的解释方差也同样说明，影响极涡模拟的因素远不止SST一个因子，更多因子诸如QBO、交互臭氧的引入对极涡模拟的贡献有待进一步探索。
图2 (a)–(c) 三代CMIP模式中热带南太平洋SST与极涡面积的散点图。(d)–(f) 南半球Niño 1+2区域内SST与极涡强度的散点图。三代CMIP的MME用红色实心点表示(A/B/C代表CMIP3/5/6)，三对观测资料用绿色实心点表示(a、b、c分别代表ERA5&HadISST、JRA-55&COBE2、NCEP-I&ERSSTv5，黑色参考线代表它们的平均值)。关注区内SST与极涡参数间逐模式的相关系数(
)及对应的显著水平(
)被标注在每幅图的左上角。
文章已在《Climate Dynamics》期刊发表：
Feng, K., Rao, J.*, Chen, H. et al. 2024: Improvement of the simulated Southern Hemisphere stratospheric polar vortex across series of CMIPs. Clim. Dyn. 62, 5605–5621, https://doi.org/10.1007/s00382-024-07250-x.
