BAMS:张人禾院士团队从北极‒热带多因子协同作用角度解释了2020/21年冬季欧亚和北美大陆三次极端寒潮的成因
发布时间: 2022-09-15


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--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2021AGU年会。

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(PDFGEV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。

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, gWACCM控制试验中冬季有无SSW的差异:(aSATZ500,(d)平流层极涡信号下传(Polar Cap Height; PCH,gSSWPCH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.



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