全球平均海平面上升加剧东亚冬季极端寒冷事件的气候机制与风险预警

《Nature Communications》：Intensification of extreme cold events in East Asia in response to global mean sea-level rise

本研究针对全球平均海平面（GMSL）上升对极端天气的影响机制尚不明确的问题，通过气候模型实验发现，GMSL上升会削弱中高纬度西风强度、增加欧亚阻塞事件频率，从而显著加剧东亚冬季极端寒冷事件（ECDs）的强度与频次。这一成果揭示了海平面上升通过调控天气尺度系统威胁内陆气候安全的新机制，为全球气候变化风险评估提供了关键科学依据。

　　

随着全球气候变暖，海平面持续上升已成为不容忽视的威胁。过去一个世纪，全球平均海平面（GMSL）已上升约0.2米，预计到2100年可能再上升0.38米（SSP1-1.9情景）甚至0.77米（SSP5-8.5情景）。传统认知中，海平面上升主要威胁沿海地区，但近年研究发现，即便是厘米级的海平面均匀上升，也可能通过改变大气和海洋环流影响全球气候系统。然而，海平面上升如何调控天气尺度系统（如极端寒冷事件）仍是未解之谜。

东亚地区近年来频发破纪录的极端寒冷事件，例如2020/2021年冬季中国60多个气象站气温创历史新低，2022/2023年日韩半岛因寒潮造成人员死亡。这些事件常与乌拉尔阻塞高压等大气环流异常相关，但其与海平面上升的潜在关联尚未被系统揭示。为此，研究人员在《Nature Communications》发表最新研究，通过高分辨率气候模型实验，首次揭示GMSL上升对东亚冬季极端寒冷事件的放大效应及其动力机制。

研究团队利用挪威地球系统模型（NorESM1-F）设计了10组实验，包括预工业对照组（PI）、无海平面上升对照组（SL0m）以及8组不同GMSL上升幅度（0.15-20米）的敏感性实验。所有实验固定CO₂浓度为400 ppm，模拟时长2200年，分析最后200年数据。同时，通过大气单独实验（CAM4模型）验证北大西洋海表温度（SST）异常的关键作用。关键技术包括：自组织映射（SOM）用于识别大气环流模态、阻塞事件梯度逆转指数（REV）量化阻塞频率、潜在涡度梯度（PV_y）分析阻塞持续性，以及大气能量传输计算。

冬季极端寒冷事件增强

实验表明，当GMSL上升超过0.625米时，东亚地区极端寒冷日（ECDs，定义为日平均温度低于10%分位数）的累积强度和频率显著增加。

非线性分析显示，GMSL升至1.25米后，ECDs增强趋势趋于稳定，但0.3米以下的上升影响有限。

天气尺度大气环流响应

SOM分析识别出三类关键环流模态，其中SOM1模态（北正南负的500 hPa位势高度偶极型）与阻塞高压结构相似，是东亚寒潮的主要推手。

海平面上升使SOM1出现频率和最大持续天数显著增加，即使GMSL仅上升数十厘米（p<0.1）。进一步聚类发现SOM1包含欧洲阻塞、乌拉尔阻塞和鄂霍次克阻塞三类子模态，均通过延长槽脊结构维持时间，促进北极冷空气南侵。

阻塞事件与西风减弱

GMSL上升导致欧亚中高纬度西风背景场减弱，使大尺度涡旋更易停滞，阻塞事件频率显著增加。

相关分析显示，55°-75°N、0°-150°E区域阻塞频率与ECDs强度呈显著正相关（R²>0.8）。同时，中纬度潜在涡度梯度（PV_y）减弱进一步延长阻塞生命周期。

半球尺度环流调整

北大西洋增温触发向东传播的罗斯贝波，在北半球中高纬度形成波列状异常：北欧至俄罗斯东部为正位势高度异常，东亚为负异常，共同削弱西风急流和经向温度梯度。

西伯利亚反气旋异常增强向极能量传输，导致北极对流层增温、东亚降温，进一步削弱极向温度梯度。此外，北大西洋增温抑制纬向波数1波动，使极涡偏向北美，间接促进欧亚阻塞。

大气单独实验验证

仅施加北大西洋SST异常的实验复现了ECDs增强、西风减弱和阻塞频率增加等关键现象，证实北大西洋增温是海平面上升影响东亚寒潮的核心环节。

本研究揭示全球海平面上升通过“北大西洋增温→罗斯贝波激发→西风减弱→阻塞频发”的链式反应，显著增强东亚冬季极端寒冷事件。这一机制在厘米级海平面上升时已显现，且响应呈非线性特征。研究突破性地将海平面上升的威胁从沿海拓展至内陆气候安全，强调未来需开发新一代气候模型以精准评估海平面上升的全球灾害风险。尽管高CO₂情景下变暖效应可能部分抵消海平面影响，但其长期气候效应不容忽视，亟需纳入气候变化适应策略。