北极变暖如何导致欧亚大陆变冷？新研究揭示关键机制

《SCIENCE ADVANCES》：Amplified wintertime Arctic warming causes Eurasian cooling via nonlinear feedback of suppressed synoptic eddy activities

为探究北极变暖是否及如何导致欧亚大陆变冷，研究人员经分析发现二者因果关系及相关机制，意义重大。

　　

北极变暖与欧亚大陆变冷：气候谜题的新解

在全球气候持续变化的大背景下，北极地区的冬季变暖现象愈发显著。近几十年来，北极的冬季变暖速度远超其他地区，这种现象被称为北极放大（Arctic Amplification，AA）。然而，北极变暖是否会导致欧亚大陆变冷，以及背后的作用机制，一直是科学界争论不休的话题。

一方面，随着北极不断变暖，欧亚大陆的冬季却频繁出现极端寒冷天气。这种看似矛盾的现象引发了人们对两者关系的深入思考。另一方面，现有的研究成果存在诸多争议。基于月或季节平均数据的观测研究虽提出了多种机制，如大气环流变化、罗斯比波列、平流层 - 对流层相互作用等，但这些研究结果大多呈现的是北极变暖与欧亚大陆变冷的同时性关系，并不能直接证明因果联系。而且，模型模拟的结果也不一致，不同模型对欧亚大陆气温对北极变暖或海冰减少的响应差异较大，这与模型存在的各种缺陷有关，如对北极海冰浓度日变化模拟不佳、海冰范围偏差、空间分辨率粗糙、边界层参数化方案不当等。这些问题使得人们对北极变暖与欧亚大陆变冷之间的关系认识模糊，亟待更深入的研究来揭开这一气候谜题。

为了解开这一谜题，研究人员开展了相关研究。虽然文中未提及具体研究机构，但他们通过创新的研究方法，为这一复杂的气候问题提供了新的见解，研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》杂志上。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：

1. 数据处理与指数定义：使用 1981 - 2022 年美国国家环境预报中心气候预测系统再分析（NCEP CFSR）的每日数据集，通过去除气候平均日年周期得到每日异常值。利用快速傅里叶变换滤波提取不同时间尺度的异常值，如年际尺度的每日异常值和季节平均异常值。同时，定义了模式依赖的北极温度指数（Arctic Temperature Index，ATI）来表征北极变暖，以及欧亚大陆温度指数（Eurasian Temperature Index，ETI）来量化欧亚大陆的冷却情况。
2. 动力学诊断：通过计算最大埃迪增长率（Eady growth rate，EGR）来衡量大气斜压性，以此探究天气尺度涡旋（synoptic eddies）的生成情况。利用涡旋有效位能（eddy available potential energy，EAPE）和涡旋动能（eddy kinetic energy，EKE）来量化天气尺度涡旋活动。运用准地转位涡（quasi - geostrophic potential vorticity，QGPV）方程对天气尺度涡旋活动及其对平均状态的反馈进行动力学诊断。

下面来看看具体的研究结果：

1. 表征冬季北极整体变暖：以往研究中用关键区域平均的地表气温（SAT）异常来定义北极变暖指数，如巴伦支 - 喀拉海（BKS）区域，但随着北极变暖加速且呈现整体变暖特征，这种方法难以准确描述北极变暖模式。研究人员通过计算两个年代际（2002 - 2022 年加速 AA 期和 1981 - 2001 年早期 AA 期）北极冬季平均 SAT 在 sigma 0.995 水平（CFSR 最低模式层）的差异，确定了加速冬季北极变暖模式。将北极地区（北纬 65° 以北）冬季 SAT 异常投影到该模式上得到投影系数，进而定义了模式依赖的 ATI。研究发现，原始每日 ATI 识别出的 AWEs 大多出现在加速 AA 期，而去除长期变暖趋势和年代际变化后的年际每日 ATI 识别出的 AWEs 在整个时间跨度上分布更均匀。
2. 北极变暖导致欧亚大陆变冷的观测证据：对加速 AA 期的前 300 个原始每日 AWEs 和整个时间跨度的前 300 个年际每日 AWEs 进行合成分析，发现两者都呈现出类似暖北极 - 冷欧亚大陆（WACE）的模式，即北极变暖时，中纬度欧亚大陆（45°N - 65°N）出现显著的负 SAT 异常。通过对 AWEs 和 ECEs 进行超前 - 滞后合成分析，发现 AWEs 发生后约 2 天，中纬度欧亚大陆会出现明显的冷异常，表现为 ECEs 的发生频率增加以及平均 ETI 显著为负。同时，ECEs 发生前约 2 天，北极地区会出现明显的变暖。这为北极变暖导致欧亚大陆变冷提供了直接的观测证据，且这种影响不仅体现在温度变化幅度上，还体现在 ECEs 的发生频率上。此外，对伴随 AWEs 后的欧亚大陆冷 SAT 异常的大气环流异常进行合成分析，发现其呈现出等效正压垂直结构，在北极地区为正的位势高度异常，中纬度欧亚大陆为负的位势高度异常。在静力平衡和地转平衡的约束下，这种结构导致中纬度欧亚大陆近地面气温冷却。
3. 北极变暖导致欧亚大陆变冷的非线性机制：研究人员通过合成 AWEs 滞后 1 - 3 天的相关变量异常，对滞后的天气尺度涡旋活动及其对平均状态的反馈进行动力学诊断。结果表明，北极变暖导致高纬度欧亚大陆 60°N 附近的低层经向温度梯度减小，进而使低层斜压性减弱，天气尺度涡旋活动受到抑制。根据中纬度波流相互作用理论，受抑制的天气尺度涡旋活动作为平均经向偶极子涡度强迫，产生等效正压的平均位势倾向异常。在 60°N 以北，表现为正的平均位势倾向和低层变暖，有利于北极进一步变暖；在 60°N 以南，表现为负的平均位势倾向和低层冷却，导致中纬度欧亚大陆冷却。在近地面，涡度强迫产生向冷异常中心的东北风倾向，通过增加冷平流加剧了中纬度欧亚大陆的表面冷却。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次提供了北极变暖导致欧亚大陆变冷的直接观测证据，揭示了这一过程的非线性机制。北极变暖通过抑制高纬度欧亚大陆的天气尺度涡旋活动，引发一系列动力学反馈，形成了暖北极 - 冷欧亚大陆的模式，这种模式本质上是由天气尺度涡旋 - 平均流相互作用决定的内在偶极子。这一研究成果具有重要意义，它不仅加深了人们对北极变暖与欧亚大陆气候关系的理解，也为后续研究提供了新的方向。例如，研究人员可以进一步量化这种非线性反馈对北极放大的贡献，探索不同时间尺度涡旋之间更复杂的非线性相互作用，利用高分辨率气候模型评估该机制，以及定量分析北极变暖与其他因素在欧亚大陆温度变化中的相对作用。