随着全球变暖的发生，北半球中纬度地区极端天气气候事件频繁发生，如夏季高温热浪、冬季寒潮低温等。在这个背景下，刚刚过去的2020/21年冬季北半球接连发生了3次破记录的极端寒潮事件，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。这一系列极端寒潮事件受到了国内外学者的广泛关注。
冬季中纬度地区极端寒潮的成因复杂，以往研究通常将其归结为北极变化以及大气内部变率的影响，这也一直是学术界讨论的热门和前沿话题。针对这一科学问题，学术界争议较大，往往出现不同声音：（1）北极海冰可以影响中纬度气候异常，但小于大气内部变率；（2）北极海冰没有影响，大气环流异常同时主导了中纬度气候异常以及北极海冰变异；（3）北极-中纬度联系存在间歇性以及因果关系的不确定性。事实上，由于北半球中纬度地理位置的特殊性，像2020/21年如此强度的系列极端寒潮事件，往往是不同纬度信号的共同影响。因此，依据传统研究，仅仅把目光放在北极是不够的，需要从极地-热带多个纬度来审视本次极端寒潮事件的成因。
近日，我系张人禾院士团队从北极和热带海-冰-气多因子协同作用的角度，研究了2020/21年欧亚和北美3次寒潮过程的成因和物理机制。利用2020/21实况观测的北极海冰和北太平洋海温作为外强迫，考虑不同区域海冰和海温的影响，设计了多组敏感性试验；为了最大程度减小大气内部变率的影响，每组试验包含200个不同初值的大样本（PAMIP标准）。WACCM试验结果表明：（1）前冬，欧亚中纬度寒潮与北极海冰的强烈消融以及PDO−型海温异常有关，二者通过对流层和平流层相互作用，导致了极涡的减弱以及西伯利亚高压的增强，从而引发欧亚中纬度低温异常；（2）隆冬，欧亚中纬度寒潮北撤到高纬度地区，La Niña型海温异常有利于极涡的减弱以及NAO负位相的形成，伴随对流层乌拉尔山脊的增强，引发了欧亚高纬度地区带状低温异常；（3）后冬，北美大陆寒潮爆发，这说明极涡的影响由东半球转移到西半球，极涡形态和位置的变化对北美寒潮的爆发起了重要作用。La Niña所激发的PNA负位相对应阿留申低压的减弱，同时，北极海冰和La Niña的协同作用调制了平流层爆发性增温（SSW）的地面影响，这些物理过程都极大地加强了北美的低温响应（Fig. 1-2）。上述研究成果从非线性影响（Zhang and Screen 2021）和多因子协同影响（Zhang et al. 2022a, b）两个角度解释了北极‒中纬度联系的不确定性的来源，促进了对北极‒中纬度联系的认识，对解决当前气候领域研究难题有重要意义，作为特邀报告参加2021年AGU年会。
图1 观测2020/21冬季欧亚和北美大陆3次极端寒潮事件的气温和环流特征：（a-c）前冬欧亚中纬度极端低温和环流异常、冬季气温逐日演变、该区域历史同期（图b灰色窗口）日气温距平概率密度分布（PDF；GEV拟合）；（d-f）和（g-i）与（a-c）类似，但分别为隆冬欧亚高纬度寒潮和后冬北美西部寒潮。
图2 北极海冰和La Niña协同作用调制平流层爆发性增温（SSW）的地面影响。
（a, d, g）WACCM控制试验中冬季有无SSW的差异：（a）SAT和Z500，（d）平流层极涡信号下传（Polar Cap Height; PCH）,（g）SSW后PCH逐日滞后响应。（b, e, h）类似，但为北极海冰和La Niña协同试验中有无SSW的差异。（c, f, i）类似，但为协同与控制试验的差值，体现了北极海冰和La Niña的调制作用。
论文信息：
1. Zhang, R.N.*, J. A. Screen, and R.H. Zhang, 2022: Arctic and Pacific Ocean Conditions Were Favourable for Cold Extremes over Eurasia and North America during Winter 2020/21. Bulletin of the American Meteorological Society, DOI: 10.1175/BAMS-D-21-0264.1
2. Zhang, R.N.*, R.H. Zhang, G. Dai, 2022: Intraseasonal contributions of Arctic sea ice loss and Pacific decadal oscillation to a century cold event during early 2020/21 winter. Climate Dynamics. 58: 741–758. https://doi.org/10.1007/s00382-021-05931-5
3. Zhang, R.N.*, J. A. Screen, 2021: Diverse Eurasian winter temperature responses to Barents-Kara sea ice anomalies of different magnitudes and seasonality. Geophysical Research Letters. 48, e2021GL092726.
