人类活动导致北半球极端寒潮减弱：中高纬度地区温度梯度减弱的驱动机制

本研究针对全球变暖背景下极端寒潮(extreme cold surges)的变化趋势展开研究，通过分析ERA5再分析数据和多模型大集合模拟，发现中高纬度大陆地区秋冬季节极端寒潮强度显著减弱，而低纬度变化不显著。研究通过近地表热力学收支诊断，揭示温室气体强迫通过减小经向温度梯度导致非线性水平温度平流变化是主要驱动机制，预测SSP3-7.0情景下世纪末冬季中高纬度寒潮强度将减弱8%-13%，为极端天气事件风险评估提供科学依据。

　　

在全球气候变暖的背景下，极端寒冷事件的变化一直备受关注。世界气象组织最新报告显示，2024年全球平均地表温度已比工业化前基线升高1.55°C。虽然普遍认为寒冷极端事件的频率和强度在减少，但近年来一些极具破坏性的极端寒潮事件——如2021年造成美国得州能源系统崩溃的寒潮和2024年影响中国春运的极端降温事件——引发了科学界对这类特殊寒冷事件变化趋势的重新思考。这些极端寒潮（extreme cold surges）定义为短时间内温度急剧下降的现象，不仅威胁人类健康（加剧呼吸道疾病死亡率），还会对农作物造成霜冻伤害，更可能引发能源供应危机和交通瘫痪。然而，与常规寒冷极端事件不同，科学界对极端寒潮的长期变化趋势及其驱动机制仍知之甚少。

这项发表在《Nature Communications》的研究，由Yu Nie、Ying Sun等科学家合作完成，系统分析了北半球极端寒潮的历史变化和未来趋势。研究团队利用ERA5再分析数据（1960-2022年）和三个地球系统模型（CESM2、CanESM5和MIROC6）的大集合模拟，将极端寒潮强度定义为季节内最大日温度下降率（?T/?t）。通过信号噪声分析、热力学收支诊断和多情景未来预测等方法，揭示了人类活动对极端寒潮变化的显著影响。

关键技术方法包括：1）使用ERA5再分析数据和伯克利地球观测数据识别极端寒潮事件；2）采用CESM2、CanESM5和MIROC6的大集合模拟进行归因分析，包括单独强迫（温室气体、人为气溶胶等）实验；3）通过近地表热力学收支方程（?T/?t = -V·?T + Q/c_p + Res）量化温度平流和 diabatic heating（非绝热加热）的贡献；4）采用信号噪声比评估人类影响的显著性；5）基于SSP1-2.6、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景进行未来预测。

研究结果部分：

"Historical changes in extreme cold surges"显示，1960-2022年间中高纬度（50°N-80°N）陆地区域秋冬季节极端寒潮强度显著减弱（1-2°C/十年），而低纬度（20°N-50°N）变化不显著。这一模式在三个模型的大集合模拟中得到验证。

"Human influence on changes in extreme cold surges"通过信号噪声分析发现，中高纬度寒潮减弱信号最早在2005年（相比MIROC6模拟）就达到统计显著性。温室气体（GHG）强迫是主要驱动因素，而人为气溶胶（AAER）强迫的影响相反但量级较小。

"Physical mechanisms of changes in extreme cold surges"部分的热力学收支分析表明，极端寒潮日温度变化主要由水平温度平流驱动，其中非线性温度平流（-v'?T'/?y）起主导作用。进一步分解显示温度梯度变化（?T'/?y）是主要贡献者，而风场变化（|v'|）的贡献不显著。

"Future projections"预测到世纪末（2065-2099年），SSP3-7.0情景下中高纬度冬季极端寒潮强度将减弱7.83%（CESM2）至13.36%（CanESM5），SSP5-8.5情景下减弱幅度可达10-15%。

讨论部分指出，这项研究首次系统揭示了北半球极端寒潮的非均匀变化特征——中高纬度显著减弱而低纬度变化不显著，这与常规寒冷极端事件的半球尺度变暖模式形成鲜明对比。研究否定了"北极放大效应导致寒潮增多"的假说，证实温室气体强迫通过减小经向温度梯度来削弱非线性温度平流是核心机制。研究意义在于：1）为理解极端天气事件的变化机制提供新视角；2）预测结果有助于能源系统和公共卫生的风险评估；3）方法学上创新性地将热力学收支分析应用于极端事件归因研究。作者特别强调，虽然寒潮强度总体减弱，但类似2021年得州事件的破坏性仍可能发生，这突显了提高基础设施韧性的重要性。