极端天气气候事件及其影响
a.北极海冰的非线性影响依赖于海冰强迫的季节和强度
在全球变暖背景下，北极海冰减少对北极局地气候产生了重要影响。然而，海冰减少是否以及如何对中纬度地区的天气气候产生影响仍待商榷，存在很大的不确定性，因此基于不同方法、不同数据和不同模式得到的结论不一致。我们基于多模式大样本（660）敏感性试验，发现这种不确定性的可能来源是北极海冰与冬季欧亚大陆气温之间的间歇性联系，并设计了一系列的模式试验来研究这种间歇性。结果表明，北极海冰与冬季欧亚大陆气温联系的间歇性源于北极海冰异常的季节性、不同强度和不同符号。显著的冬季低温响应只出现在秋季海冰存在中等强度的消融时，平流层动力过程在其中起了重要的跨季节桥梁作用；而冬季海冰消融没有引发明显的欧亚大陆低温，反而当海冰完全融化时，欧亚大陆更出现了暖异常，这说明热力过程主导。这些研究结论给出了北极-中纬度联系的确定性部分，协调了其他模式研究结论不一致的问题（图1; Zhang and Screen, 2021）。
b.2020/21冬季中纬度极端低温事件对北极海冰和太平洋海温的协同响应
2020/21年冬季北半球中纬度地区发生了强烈的寒潮事件，主要分成3个阶段，即12月的欧亚中纬度寒潮、1-2月的欧亚高纬度寒潮、2月的北美寒潮。利用WACCM模式进行一系列敏感性试验，我们发现，前冬的第1阶段寒潮与北极海冰的消融以及热带外低温PDO负位相有关，二者的共同作用通过对流层和平流层相互作用，有利于西伯利亚高压的增强，从而引发欧亚中纬度低温异常；隆冬的第2阶段寒潮与北极海冰消融以及La Nina海温异常有关，二者均会对极涡的减弱以及NAO负位相的形成起重要作用，进而引发欧亚高纬度低温异常；后冬第3阶段寒潮与La Nina所激发的PNA负位相有关，对应阿留申低压的减弱，其次，北极海冰和La Nina的协同作用调整了平流层大气内部变率（如SSW），这极大地加强了北美的低温响应（图2; Zhang et al. 2021）。
图1 多模式大样本试验集合平均的冬季气温（阴影）和海平面气压场（曲线）响应：-1sd, -2sd, ice free分别代表海冰强迫减小1倍和2倍标准差和无冰状态
图2 ERA5再分析资料中的前冬欧亚中纬度地区、隆冬欧亚高纬度地区、后冬北美西部地区寒潮事件气温和环流变化特征
c.冬季北半球降水和气温与北极海冰的年代际联系
北极海冰对北半球气候的影响非常复杂，一方面不同区域海冰的影响不同，另一方面不同季节海冰的影响也不尽相同。我们分析了1958-2020年北极不同海区（Pan-Arctic、大西洋巴伦支-喀拉海-拉普捷夫海区BKL、太平洋东西伯利亚-波福特EsCB和白令海Ber海区）、不同季节（秋季和冬季）海冰的年代际变异特征及其与冬季北半球气候的联系。结果发现：（1）不管是秋季还是冬季，Pan-Arctic和BKL海冰与冬季北半球大尺度大气环流和气候的联系非常相似，即：当海冰减少，在年际尺度上欧亚中纬度气温偏低；但在年代际尺度上，欧亚和北美中纬度地区均有气温偏低；尽管冬季海冰消融对应的气候异常较弱，且在统计上不显著。平流层极涡的减弱和下传的动力影响至关重要。（2）秋季EsCB海冰年际变异与中纬度气温联系不紧密，但对应年代际尺度上欧亚和北美中纬度气温偏低，这与BKL海冰相似。（3）冬季白令海海冰的影响与其他海区截然不同。年际尺度上海冰偏少对应冬季北美低温异常，而年代际尺度偏少时，对应欧亚大陆中高纬度地区气温偏高（图3; He and Zhang, et al., 2021）。
d.冬季巴伦支海增温放大效应（BSW）与增强的巴伦支海涛动（BO）的联系
在近几十年，巴伦支海地区冬季气温增速为北极其他地区的2倍以上，但其具体成因却不太清楚。在本文中，我们基于ERA5资料利用地表能量收支分析对冬季巴伦支海增暖进行了定量评估，发现1979-2019年平均线性趋势为1.74℃/每十年。分析表明，冬季的巴伦支海表面气温增温（BSW）主要由增加的晴空向下长波辐射所主导，这与整层水汽相关。此外，研究发现，1979-2019年期间，北大西洋地区大气变化的第二模态即巴伦支海涛动（BO）对BSW的贡献很大，2003年出现了阶梯式跳跃。自2003年起，巴伦支海涛动转为强的正位相，其特点是北大西洋和巴伦支海南部出现异常高压，这促进了格陵兰岛南部沿挪威海和欧亚大陆到巴伦支海的两支热量和水分输送，增强了巴伦支海上空的水汽辐合，从而通过增强的晴空向下长波辐射导致了BSW。我们的研究结果突出表明，与BO有关的大气环流是通过增强北大西洋上空的经向大气热量和水汽输送而成为冬季BSW的新驱动力（图4; Cai et al., 2022）。
图3 冬季气温对秋季北极、BKL、EsCB海冰在（a-c）年际和（d-f）年代际尺度上的回归。（g-l）与（a-f）类似，但为对冬季海冰的回归
图4 巴伦支海涛动正位相影响巴伦支海增温放大效应的概念图
e.欧亚大陆冬季气温季节内冷暖反转的机理及预测
近年来，随着全球气候变暖，欧亚大陆冬季频繁出现“冰火两重天”的现象，极端严寒与温暖如春在一个冬季内相继出现，严重影响正常的生产生活秩序和社会经济的健康发展。如此强烈的冷暖位相转换给冬季气候的季节预测带来了极大挑战，是对整个社会灾害防治能力的巨大考验。因此，明确欧亚大陆冬季气温在季节内尺度上的演变规律及动力机理，并建立有效的预测模型来提高季节预报技巧不仅是当前气候研究领域亟待解决的问题，更是全社会关注的焦点。
我们的最新研究指出，欧亚大陆冬季气温的季节内变异具有两个典型的主模态：一致型和冷暖反转型。一致型以欧亚大陆冬季一致性偏冷/偏暖为主要特征（图5左），反转型表现为前冬（11-12月）和后冬（次年1-2月）欧亚大陆冷暖位相反转（图5右）。这两个模态的年际变化对应于不同的环流形势和物理过程。一致型环流异常主要为负位相/正位相的北大西洋涛动东移，且与北极涛动密切相关，主要由大气内部变率决定，同期的北极涛动指数能够解释其接近60%的方差变化。反转型的形成主要与前期秋季北极涛动异常、北太平洋偶极型海温异常（NPDP）和北极海冰-海温耦合型异常（ACP）相联系（图6）。进一步的研究表明，NPDP是由9-10月类似北极涛动的环流异常所激发，并在前冬引起大气反馈，通过局地海气相互作用和对遥相关波列的调控分别导致东北亚及西西伯利亚地区出现气温异常。ACP则受到前期秋季北极局地环流异常影响，在前冬引起北极地表热通量变化，但此时大气响应局限于极区内。北极海-冰-气相互作用使得大气对ACP的响应在后冬达到巅峰，最终导致欧亚大陆出现了显著的气温反转。位涡动力学也能很好地解释NPDP和ACP对反转型的影响过程。此外，基于前期秋季北极涛动和ACP指数建立的经验预报模型能够有效预测反转型的发生。因此，前期北极涛动和北极海冰-海温异常是反转型年际变化重要的可预报性来源。
上述研究指出了欧亚大陆冬季气温反转是气温季节内变异的典型主模态，并阐明了前期大气变率通过下垫面热力异常作用于反转型的物理过程（图7），这些成果对于认识欧亚大陆冬季气温季节内变异和对其进行季节预测具有重要的科学意义和应用价值。
图5 基于季节依赖经验正交函数的欧亚大陆冬季气温季节内变异（左）第一模态，即一致型和（右）第二模态，即反转型，白色交叉线（黑点）表示对应模态在该月的解释方差大于35%（在15~35%之间）
图6 与反转型相联系的下垫面异常：（a）10月北太平洋海温异常，（b）9-10月北极海温异常，（c）9-10月北极海冰异常；（d）反转型，NPDP和ACP指数的时间序列
图7 欧亚大陆冬季气温“前暖后冷”反转型的概念示意图
