Sub-seasonal predictability of winter tornado regimes in Europe captured through disruptions to the stratospheric polar vortex

人们通常认为欧洲是一个天空普遍平静的地方，这与主导美国中西部新闻头条的剧烈龙卷风爆发形成了鲜明对比。然而，这个大陆并非对严酷风暴免疫。虽然气象学家可以可靠地提前几天预报危险天气，但若要进一步展望——即看向三到四周的次季节窗口期——仍然是一个令人沮丧的盲区。这一差距使得应急规划者和社区在面对可能造成重大破坏的事件时，缺乏至关重要的早期预警。挑战在于低层大气的混沌性质，在那里，天气模式在约一周后往往会消散并变得难以预测。为了看得更远，科学家必须向上看，超越我们所能感受到的天气，看向平流层——这是一个变化更为缓慢且能够影响下方空气的对流层。

由里昂大学和埃沃拉大学的马修·拉克鲁瓦（Matthieu Lacroix）及其同事开展的一项近期研究，破解了这个长期存在的谜题中的一环。研究人员发现，欧洲冬季发生龙卷风的风险并非随机，而是与极地涡旋（一个环绕北极的强风环）的大规模扰动有关。然而，故事并未就此结束。研究表明，高层大气的扰动并不一定会自动在地面产生龙卷风威胁。相反，结果完全取决于大西洋上空特定的、预先存在的气压模式。通过结合这两个因素，该团队开发出了一种能在提前一个月左右预测高风险严酷风暴窗口期的新方法，提供了一种能够从根本上改变欧洲应对冬季天气方式的工具。

几十年来，科学家们一直知道平流层可以作为可预测性的储库。极地涡旋是冬季位于北极上空的一个巨大的、旋转的冷空气柱。偶尔，这个涡旋会被“平流层突然升温”事件所扰动，在这种事件中，高层大气的温度会在短短几天内飙升数十度，导致风速减慢甚至转向。这些事件已有详尽记录，并且人们早已知晓，它们会向下传递信号，最终将急流（引导天气系统横跨大陆的快速移动气流）向赤道方向推移。这种偏移通常会给欧洲带来寒潮和降雪。但问题在于：这种同样的偏移是否也会创造出制造龙卷风所需的特定且危险的条件？

为了回答这个问题，研究人员首先必须解决一个测量问题。在美国，科学家使用一个公式来预测龙卷风风险，该公式将两个要素相乘：大气中的热能和随高度变化的风速。如果其中任何一个要素缺失，公式就会判定不会形成龙卷风。这在美国运作良好，因为那里的风暴通常既需要强烈的热量，也需要强风。然而，欧洲的冬季龙卷风则不同。它们经常发生在热能极低的冷空气中，但其风力异常强劲，且在靠近地面处方向发生剧烈变化。美国的公式依赖于将这些因素相乘，因此会错误地预测欧洲风暴的风险为零，因为其中的“热量”要素缺失了。为此，团队创建了一个新的指数——“欧洲龙卷风环境指数”。他们没有将要素相乘，而是将它们相加。这一简单的改变使得该指数能够识别出，即使在冷空气中，仅凭强风本身也能创造出危险的龙卷风环境。他们利用数十年的风暴报告和大气数据训练了这个新工具，证明它能够准确识别导致欧洲各地严酷天气的特定条件。

有了可靠的风险测量方法后，团队观察了1950年至2025年间发生的50次重大平流层升温事件。他们追踪了在这些事件发生后的几周内，龙卷风风险指数的变化情况。结果令人惊讶。当他们把所有事件放在一起观察时，信号显得混乱且模糊。有时风险上升，有时风险下降，而且往往看起来完全消失了。这种缺乏清晰模式的现象表明，平流层的信号正被低层大气的某种其他因素阻挡或改变。研究人员意识到，大气层并不会以统一的方式对单一的推动做出反应；其反应取决于信号到达时刻大气的状态。

解锁这一模式的关键在于“东大西洋模式”，即欧洲以西大西洋上空的一种大规模高压和低压排列。研究人员根据平流层信号到达地面时，该模式处于“正相位”还是“负相位”，将他们的50次事件分为两组。两者的差异是巨大的。当平流层扰动发生于东大西洋模式处于正相位期间时，特定地区的严重龙卷风环境风险会增加两倍甚至三倍。位移的急流结合从地中海和亚热带大西洋向北流动的温暖湿润空气，创造了风暴的完美配方。这一高风险区域从葡萄牙和西班牙延伸，横跨法国南部，进入意大利和巴尔干地区。

形成鲜明对比的是，当同样的平流层扰动发生在东大西洋模式处于负相位期间时，几乎整个大陆的龙卷风风险都消失了。在这种情景下，大气由寒冷、干燥的空气和高压阻挡统治，阻止了温暖、不稳定的空气向北移动。尽管急流仍然向南偏移，但由于缺乏水分和热量，严酷风暴的条件无法形成。平流层的信号实际上被下方的寒冷、稳定的空气所抵消。这一发现解释了为什么以往的预测尝试会失败：如果不了解东大西洋模式的状态，平流层信号就仅仅是噪音。

研究结论指出，预测欧洲的严酷冬季天气需要分两步走。首先，气象学家必须监测平流层以寻找极地涡旋扰动的迹象。其次，他们必须检查东大西洋模式的相位。如果扰动发生时东大西洋模式处于正相位，那么它就是一个强有力的早期预警，预示着三到四周后，特别是在南欧和西欧，将会开启一个严酷风暴的高风险窗口。这并不保证在某一天一定会发生龙卷风，但它识别出了大气要素趋于一致、使此类事件可能性大增的时段。通过整合这些知识，预报员可以超越目前的一周限制，为社区提供急需的预警，从而在风暴抵达前进行更好的准备和资源分配。