《Weather and Climate Extremes》：Predictability assessment of cold-wet-windy pan-Atlantic extremes
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本文介绍了一项针对“泛大西洋复合极端事件”（即北美寒潮与西欧湿风极端天气的跨洲同期发生）可预测性的研究。研究人员利用ERA5再分析和ECMWF S2S集合再预报数据，结合动力系统理论，评估了导致该复合极端事件的“波状”与“纬向”两种动力学路径的相对可预测性，并探讨了平流层极涡（stratospheric polar vortex）的作用。研究发现，相较于“波状”路径，“纬向”路径具有相对较高的内在可预测性，但二者均比常规冬季环流状态更难预测。研究强调了这类罕见、不寻常的环流结构对当前季节内预报系统的挑战，对极端天气的防灾准备具有重要参考价值。
冬季，一场猛烈的寒潮席卷北美东部，与此同时，狂风暴雨也肆虐在西欧的土地上。这种看似遥远却同期发生的极端天气现象，被称为“泛大西洋复合极端事件”，其背后是跨越整个北大西洋的天气系统联动。过去的研究表明，北美寒潮与西欧的湿风极端天气之间存在显著的统计和动力学联系，而这种关联可能通过不同的“大气高速公路”实现。其中，一条路径被称为“波状路径”，与源自北太平洋并向大西洋传播的Rossby波列有关；另一条则是“纬向路径”，与格陵兰以西的高压系统及随之南压的北美东部槽有关。这两种路径都能导致相似的跨洲极端天气表面“足迹”，但它们内在的驱动机制和可预测性是否存在差异？这是一个关键的科学问题，对提高极端天气的预报能力、增强社会防灾减灾韧性具有重要意义。传统观点可能认为，具有明显上游（太平洋）信号的“波状”路径相对容易预测，而看似缺乏大尺度前兆的“纬向”路径则难以捉摸。然而，事实果真如此吗？为了回答这个问题，来自瑞典乌普萨拉大学的研究人员Meriem Krouma和Gabriele Messori在《Weather and Climate Extremes》上发表了一项研究，系统评估了这两种导致泛大西洋复合极端事件的动力学路径的可预测性。
为了开展这项研究，作者团队综合运用了多种关键技术与方法。首先是数据基础，他们使用了高分辨率的ERA5再分析数据（1960-2022年）来识别极端事件和作为观测基准，并采用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的季节内到季节（S2S）集合再预报数据（2001-2021年，CY47R3版本）来评估预报技巧。其次是事件识别与分类，他们通过定义北美中部（CNA）和东北部加拿大（NEC）区域的寒潮，并利用k-means聚类方法分析北大西洋环流状态，将寒潮事件归类为“波状”和“纬向”两种动力学路径。最后是核心分析方法，他们结合了动力系统理论和集合预报验证：1. 利用大气流型相似体（flow analogs）的概念，计算了局部维度（local dimension, d）和极值指数（extremal index, θ）作为内在可预测性和持续性的代理指标；2. 采用连续排序概率技巧评分（Continuous Ranked Probability Skill Score, CRPSS）来量化ECMWF再预报相对于气候基准的预报技巧；3. 通过分析300 hPa位势高度（Z300）合成图来评估高层流型的模拟能力，并使用10 hPa纬向风（U10）来表征平流层极涡的强度，探讨其对可预测性的调制作用。
3.1. 泛大西洋路径的特征
研究人员首先确认了两种连接北美寒潮与北大西洋-欧洲大尺度环流异常的动力学路径。合成图显示，“波状”路径与Z500异常正负交替的波列相关，这与先前研究的、源自北太平洋的Rossby波列传播一致。而“纬向”路径则以急流向赤道方向偏移为特征，这与西南欧气旋活动增强有关。对欧洲地表条件的分析进一步证实，在北美寒潮发生后的特定时间滞后（如+5、+10天），欧洲会出现异常低温、极端降水和大风事件，尤其是在不列颠群岛和伊比利亚半岛等地，这验证了“泛大西洋”复合影响的时空关联性。
3.2. 两种动力学路径的内在可预测性
通过对比两种路径与其大气流型相似体的动力系统指标（局部维度d和极值指数θ），研究人员评估了其相对内在可预测性。结果表明，对于NEC区域的寒潮，与“波状”路径相比，“纬向”路径表现出相对更高的持续性（更小的θ）和更低的局部维度（更小的d），意味着其内在可预测性相对更高。对于CNA区域，两种路径与其相似体之间的差异较小，趋势不那么明显。然而，当将两种路径的指标与冬季气候态（climatology）比较时，一个更清晰的图景出现：无论是“波状”还是“纬向”路径，其d和θ值都倾向于高于气候态平均值。这意味着，与典型的冬季环流状态相比，这两种与极端事件相关的动力学路径所对应的大气状态，占据了相空间中维度更高的区域，且持续性更短，因此内在可预测性更低。不过，由于极端事件样本量有限，这些差异的统计显著性有限，但趋势是连贯且具有物理意义的。
3.3. 平流层对可预测性的调制
研究考察了平流层极涡状态对路径可预测性的影响。他们发现，可预测性的调制作用是路径依赖的。高可预测性的“纬向”路径事件（特别是NEC和CNA），在事件发生前数周内，频繁地与一个强而稳定的平流层极涡状态相关联。相反，“波状”路径与平流层变率的耦合则较弱，系统性不强。对事件前极涡强度变化趋势的分析显示，尽管“纬向”路径的低可预测性事件有时对应着极涡的加强，但所有关于极涡强度变化的信号在统计上都不稳健。这表明，平流层的影响很可能是通过与其它过程相互作用来调节路径可预测性，而非唯一决定因素。
3.4. 在S2S ECMWF模式中两种泛大西洋路径的预报技巧
利用CRPSS评估ECMWF集合再预报的预报技巧发现，对于这两种路径相关的Z500环流型，在短至中期的预报时效内（约1-10天），预报技巧相对气候基准有适度的提升（CRPSS为正值）。但大约10天之后，技巧迅速恶化，并变得不如气候预报（CRPSS转为负值）。进一步分析Z300合成图揭示，ECMWF再预报在初始时刻（lag 0）对“波状”路径的再现存在明显不足：与ERA5再分析相比，再预报中的波状异常振幅偏弱，脊槽结构的位置略有偏移，表明模式低估了“波状”路径的波状振幅。相比之下，对“纬向”路径的捕捉则相对更准确。这种在模式中对高度波状流型表征能力的不足，很可能是导致“波状”路径预报技巧较低的原因之一。
3.5. 两种泛大西洋路径大气环流型的独特性
通过大气流型相似体分析，研究人员探讨了与两种路径相关的Z500环流型有多“不寻常”。结果显示，在ERA5再分析中，这些路径日的相似体质量（以平均欧氏距离Q衡量）虽然优于它们自身的相似体，但比随机选取日期的相似体质量要差。这意味着，与两种路径相关的环流型在历史上是相对罕见和独特的。在ECMWF再预报数据中，要找到高质量的相似体则更加困难，即使降低相似性阈值，找到的相似体也寥寥无几，尤其是在20天以上的预报时效。这从另一个角度印证了这些环流型的动力稀缺性，以及模式在再现这些不常见动力学状态时面临的挑战，从而共同导致了其较低的可预报性。
综上所述，这项研究系统地评估了导致北美寒潮与西欧湿风极端天气同期发生的两种动力学路径——“波状”与“纬向”路径的可预测性。研究得出的核心结论是：尽管“纬向”路径在与其自身流型相似体比较时，表现出比“波状”路径相对更高的内在可预测性，并且高可预测性的“纬向”事件常与强而稳定的平流层极涡状态相伴，但总体而言，这两种泛大西洋复合极端事件相关的动力学路径，其大气状态都比常规冬季环流状态具有更低的可预测性和持续性。在业务预报层面，ECMWF季节内预报系统对这些路径的预报技巧仅在约10天内有微弱优势，之后迅速丧失，且模式对“波状”路径的高度波状结构存在低估现象。深层原因在于，与这些极端事件相关联的大尺度环流型本身在动力学上是罕见和独特的，这既构成了其内在的可预测性极限，也对当前数值预报和潜在的数据驱动预报模型提出了严峻挑战。
这项研究的重要意义在于，它将极端事件的可预测性研究从单纯关注“是否发生”或“强度如何”，推进到识别和区分导致相似表面影响的、不同的“动力学故事线”上。它明确指出，即使对于已被识别、具有清晰环流特征的复合极端事件类型，其预报仍然非常困难，这既源于事件本身动力学的复杂性，也受限于当前预报模式对某些特定流型（如高度波状结构）的再现能力。该研究为理解和改进对跨洲尺度复合极端事件的预报提供了新的动力学视角和量化证据，强调了在防灾减灾中，需要对这些罕见但高影响的天气关联模式保持警惕，并持续改进预报系统对不寻常环流状态的表征能力。
