北极是影响全球气候变化的敏感区，尤其对北半球冬季大陆气候有着深远且重要的影响。在近几十年，北极海冰无论从密集度还是厚度，都发生了巨大变化，其天气气候影响也不仅限于北极局地，更延伸至中纬度甚至热带地区。然而，这种大尺度影响和关联在百年时间尺度上是否依然显著？答案我们并不清楚。关于这个科学问题，当前研究热点主要集中于近代海冰年际变率所造成的气候异常，对长时间尺度下的影响研究还相对欠缺。因此，填补百年尺度上海冰影响研究的空缺，对回溯历史以及预测未来海冰持续消融背景下北半球气候变化具有重要意义。
近日，我系硕士生何旭龙（第一作者）和张若楠副教授（通讯作者）在《Geophysical Research Letters》期刊上发表论文，对秋/冬季北极海冰与冬季欧亚大陆中纬度地区气温的联系进行研究，发现其在百年尺度上是不稳定的，其年际联系存在明显地年代际转折。尽管暖北极-冷大陆（Warm Arctic Cold Eurasia, WACE）气温模态在过去百年间一直存在，强度和中心位置略有差异，但北极海冰与欧亚大陆冬季气温的联系仅在近30年来才变得显著，且秋季海冰与冬季气温的联系更加稳健。
根据二者关系的年代际演变，研究将时段分为P1（1901-1945年）、P2（1946-1985年）和P3（1986-2013年）。随着时间的推移，这种关系从P1的负相关向P2的弱关联以及P3的正相关逐渐演变，并在P3变得显著；同时相关联的大气环流异常也逐渐从NAO正位相向负位相演变，平流层路径由增强的极涡向削弱的极涡演变，对流层乌拉尔山阻塞逐渐增强。这表征了北极和欧亚大陆地面气温由大气主导（P1）逐渐演变为由海冰反馈作用主导(P3)。
为对以上结果进行验证，本文使用CMIP6历史模拟数据集开展研究，结果表明多模式对于海冰的模拟具有较强一致性，即多模式集合平均（MMEM）的海冰变量能捕捉到P1-P3阶段的演变以及P3阶段的快速消融，但对于欧亚大陆气温变量，模式倾向于模拟出P3阶段暖欧亚，受此影响北极海冰与欧亚大陆气温关联较差。考虑关键物理过程，选取出P3阶段能够反映真实平流层路径的模式作为Best Group模式组，结果能再现历史上秋季海冰与冬季欧亚大陆气温关联的年代际演变，验证了平流层路径和对流层乌拉尔山阻塞活动是沟通二者的重要桥梁。
论文信息：He, X., Zhang, R.N., Ding, S., You, Q., & Cai, Z. (2023). Decadal changes in the linkage between autumn sea ice and the winter Eurasian temperature in the 20th century. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL103851. https://doi.org/10.1029/2023GL103851
图1. (a) 秋季巴伦支-喀拉海海冰密集度(BKSIC, 蓝线；SIBT1850资料), 冬季欧亚大陆中心区域温度(CEU SAT, 红线；NOAA 20C)，以及二者的29年滑动相关情况(黄线)，×与○表示使用NCEP/NCAR，ERA5再分析资料与Hadley中心海冰资料延长的滑动相关情况，虚线表示滑动相关系数通过95%置信度水平时的阈值。(b) 33个CMIP6模式中的冰温滑动相关情况（灰线），及其MMEM的BKSIC (蓝线)、CEU SAT (红线)以及冰温滑动相关系数（黄线），橙线为最接近观测冰温滑动相关系数的模式CMCC-ESM2。(c) 与（a）类似，但为冬季海冰与冬季欧亚大陆中心区域温度的情况。
图2. 百年尺度上不同阶段（P1-P3）冬季北半球气温（a）, 海平面气压(填色) 和500-hPa位势高度(等值线; b), 极地帽位势高度(PCH; c)异常场对秋季北极海冰指数的回归情况，打点表示通过90%置信区间。
图3. 与图2类似，但是为CMIP6多模式中Best Group与Worst Group的情况。打点表示组内有超过半数模式成员表现一致且显著。
