欧亚冬季温度的变异性因大尺度北极变暖及其引发的海冰变化而加剧

《Global and Planetary Change》：Eurasian winter temperature variability amplified by synoptic-scale arctic warming and the corresponding sea ice responses

巴伦支海-卡喀海海冰快速减少通过开放海面的湍流热通量和长波辐射增强，对欧亚大陆冬季温度产生显著回暖效应，且该关联自2010年起趋于稳定。模型实验证实海冰减少是欧亚变暖的主因，其机制与北极湿空气侵入引发的强迫作用密切相关，揭示北极放大效应对欧亚气候的长期影响。

　　

张燕|蔡雷|陈文|耿涛|连宇|杨若文

中国昆明，云南大学，大湄公河次区域气象灾害与气候资源重点实验室

摘要

关于巴伦支-喀拉海（BKS）海冰减少与欧亚冬季温度之间的关系一直存在争议。我们发现，随着北极湿气的侵入，欧亚地区的温度先下降后上升，这是导致北极变暖的重要天气尺度大气强迫作用。特别是，欧亚地区的升温通常发生在BKS海冰快速减少后的4-8天内，而且自2010年以来这种关系变得更加明显。BKS海冰减少后的湿度侵入对大气环流没有显著影响。相反，开阔的海面会刺激向上的湍流热通量，其平流通过增强向下的长波辐射通量来使欧亚地区升温。这种热力学效应导致的温度异常与降温幅度相当。模型实验证实，BKS海冰减少是欧亚地区升温的主要因素。

引言

气候变化背景下北极加速变暖的现象被称为“北极放大效应”，其特征是欧亚地区在冬季变冷（Cohen等人，2014年；Kug等人，2015年；Cohen等人，2020年），形成了所谓的“暖北极-冷欧亚”（WACE）气温模式（Mori等人，2014年；Sung等人，2018年；Kim等人，2021年；Jun等人，2024年）。WACE是欧亚中高纬度地区典型的冬季气温模式，其变化显著影响了冬季气候极端事件，例如2020/2021年的破纪录寒潮（Zhang等人，2021年；Zheng等人，2022a；Zheng等人，2022b；Zhou等人，2023年）。与此同时，北极海冰正在减少，尤其是在巴伦支-喀拉海（BKS）地区。秋季BKS海冰覆盖减少可能通过平流层-对流层耦合触发大气环流的变化，导致平流层极地涡旋减弱和地表北极涛动的负相位，从而从季节平均或年际角度来看使欧亚地区出现寒冷冬季（Honda等人，2009年；Inoue等人，2012年；Kim等人，2014年；Nakamura等人，2015年；Jaiser等人，2016年；Siew等人，2020年；Jang等人，2021年；Zhuo等人，2022年）。

WACE模式与欧亚地区冬季气候的季内变率密切相关，表现为两种相反的气温模式之间的交替转换：即“冷北极-暖欧亚”（CAWE）模式（Xu等人，2022年；Zhong和Wu，2022年；Yin等人，2023年；Zhang等人，2023年）。特别是从2012年开始，WACE模式的季内转换变得更加频繁和明显（Yin等人，2023年），表现为冬季北极和欧亚地区平均气温对比度的减弱。WACE和CAWE之间的短期转换增强了冬季气温的变率（Zhang等人，2023年），并可能加剧欧亚地区的极端气候事件（Park等人，2011年；Park等人，2014年）。以往对WACE模式转换的研究将其归因于乌拉尔阻塞和行星波活动的变化（Luo等人，2022a；Luo等人，2022b；Xu等人，2022年；Yin等人，2023年；Xu等人，2024年）。乌拉尔阻塞的增强加上北大西洋涛动（NAO）的正相位促进了暖空气向北输送和冷空气向南侵入，从而形成了WACE模式（Luo等人，2016a；Luo等人，2016b；Kim等人，2021年）。值得注意的是，乌拉尔阻塞也受到大尺度大气环流模式的影响，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、拉尼娜现象、太平洋年代际涛动和大西洋多年代际涛动等（Luo等人，2021年；Luo等人，2022a；Luo等人，2022b；Luo等人，2024年）。当阻塞向东移动或减弱时，冷暖空气输送的动力学路径会受到干扰，导致CAWE模式的发展（Xu等人，2024年）。在转换过程中（Zhang和Screen，2021年；Nie等人，2022年；Zhang等人，2023年），BKS海冰的变化机制尚不清楚。

BKS海冰与欧亚地区气温的短期相互作用在年际尺度上存在一些不一致性。这是因为北极和欧亚地区之间的日常联系是变化的，并不能在整个冬季持续存在（Rudeva和Simmonds，2021年）。数值模拟显示，在北大西洋涛动负相位事件期间，BKS海冰减少会导致欧亚地区气温短暂下降，但短期暖空气平流会抵消这种动态降温效应（Nie等人，2022年）。尽管BKS海冰减少和欧亚地区降温同时发生，但它们都是北极变暖的结果，而非原因（Blackport等人，2019年；Yin等人，2025年）。尽管关于欧亚冬季温度变率的贡献因素及其与BKS海冰减少的关系存在争议，但这些研究通常忽略了北极变暖后较长时间内的气温响应，在此期间，之前减少的BKS海冰可能已经成为了新的影响因素。

随着气候变化，北极变暖，BKS地区的海冰变得更薄、覆盖范围更小，尤其是在2007年之后（Simmonds和Li，2021年）。较薄的冰层更容易受到天气尺度大气强迫的影响，例如来自大西洋的暖湿空气平流（Woods和Caballero，2016年）。在本研究中，我们关注BKS海冰减少作为北极湿气侵入事件的结果，探讨其对BKS和欧亚地区北方冬季气温变率的影响。我们设计并进行了模型实验，以量化BKS海冰减少对气温变率的贡献。

部分摘录

数据来源

我们使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据集作为大气背景（Hersbach等人，2020年）。由于其在高北极地区的可靠性，ERA5特别适用于本研究（Graham等人，2019年；Wang等人，2019年）。所选变量的空间分辨率为1°，包括向下长波辐射（DLR）、地势高度（GPH）、低云量（LCC）、地表潜热通量（SLH）和气温（SAT）等。

巴伦支-喀拉海海冰与欧亚冬季气温的协同变化

对2000年至2022年间23年中13年的BKS海冰浓度异常与欧亚地区气温异常进行滞后线性相关分析后发现，BKS海冰快速减少与欧亚地区气温异常呈正相关。在这13个冬季中，负相关系数在95%的置信水平下通过显著性检验，平均滞后时间为6天（±2.38天）。值得注意的是，只有4个年份的负相关性显著。

结论与讨论

本研究揭示了一个在双周时间尺度上调节北极和欧亚地区温度变化的重要过程。来自北大西洋的湿气侵入事件作为北极变暖的热源，导致欧亚地区在2-3天后变冷（Yin等人，2025年）。由湿气侵入事件引起的海冰减少及其在BKS地区的相应升温，在欧亚地区变暖中起主要作用。

资金支持

本研究得到了国家自然科学基金（42375042、42375050）和云南省自然科学基金（202401AT070429、202201AU070042、202501AT070028、202403AP140009、202301AV070001、202505AV340011）的共同资助。

作者贡献声明

张燕：撰写——初稿、可视化、方法论。蔡雷：撰写——审稿与编辑、软件开发、方法论、资金筹集、概念构思。陈文：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。耿涛：撰写——审稿与编辑。连宇：撰写——审稿与编辑。杨若文：项目管理、方法论、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。