南京大学杨修群教授团队揭示冬季北极变暖导致欧亚变冷的关键性观测证据和非线性涡流反馈动力机制

北极是全球变暖最为显著的地区，冬季北极变暖在幅度上可达全球平均变暖的四倍，被称为“北极放大（Arctic Amplification）”；自本世纪以来，放大的北极变暖呈现加速趋势，并伴随北极海冰快速减少，被称为“新北极(New Arctic)”。随着北极加速变暖，冬季中纬度大陆尤其是中纬度欧亚大陆却常常发生频繁而又强烈的寒冷天气事件，即所谓的暖北极-冷欧亚。然而，冬季北极变暖是否以及如何导致欧亚变冷一直是国际争议的问题。由于冬季北极变暖与欧亚变冷几乎同时发生，迄今为止，仍然缺乏直接的观测证据来表明二者的因果关系；此外，依赖于大气波动能量传播并适合解释远程下游影响的现有线性动力机制无法解释暖北极-冷欧亚模态的经向偶极型空间分布特征。杨修群教授团队针对北极逐日暖事件的影响，从天气涡旋-平均流非线性相互作用视角探究了暖北极-冷欧亚的因果关系，揭示了冬季北极变暖导致欧亚变冷的直接观测证据和涡-流反馈动力机制。

（1）通过识别逐日北极暖事件刻画了冬季北极整体加速变暖的新特征。鉴于自本世纪以来冬季北极呈现整体加速变暖趋势，以往研究基于北极变暖关键区（如巴伦支-卡拉海）平均的北极温度指数不能有效刻画北极整体变暖特征，该研究基于型投影方法定义了型依赖（pattern-dependent）的北极温度指数（ATI），进而在年际和年代际/长期趋势时间尺度上识别逐日北极暖事件（AWE），用AWE的出现频数来刻画整个北极变暖的变化特征（图1）。结果发现：原始的逐日北极暖事件出现频率在2000年之后的北极加速变暖时期显著增加（图1A），这实际上是冬季北极长期变暖趋势/年代际变化的表现；但在去除了长期变暖趋势和年代际变化之后，年际尺度逐日北极暖事件在整个时间跨度上基本上呈现均匀分布（图1C）。因此，为了揭示北极加速变暖时期增加的原始逐日北极暖事件的影响规律和机制，可利用年际尺度逐日北极暖事件来研究其影响规律和机制，这可增加时间样本的有效自由度，确保研究结果的稳健性。

图1冬季北极暖事件日数逐年变化（左图）与其伴随的滞后2天欧亚冷事件日数逐年变化（右图）的对应关系。其中，北极温度指数（ATI）大于 0.7被定义为强的北极暖事件（AWE），欧亚温度指数（ETI）为负值则被定义为欧亚冷事件（ECE）；上图结果基于原始数据，而下图结果基于年际尺度数据。北极加速变暖前期（1981-2001）和加速变暖期间（2002-2022）的AWE或ECE 总数及其百分比分别标记在灰色虚线的左侧和右侧。

（2）发现了冬季北极变暖导致欧亚变冷的关键性观测证据。使用定义的逐日北极温度指数（ATI）和中纬度欧亚温度指数（ETI），分别识别冬季逐日北极暖事件（AWE）和欧亚冷事件（ECE），分别通过对最强的300个AWE和最强的300个ECE进行合成分析，从伴随AWE逐日演变的ECE演变特征（图2A/B/C）和伴随ECE逐日演变的AWE演变特征（图2D/E/F）两个方面，在原始资料和年际尺度上，揭示了AWE 和ECE逐日演变之间的超前滞后关系。结果表明：冬季北极暖事件不仅在幅度上导致中纬度欧亚变冷，而且在频率上导致中纬度欧亚冷事件增多，滞后大约2天的影响最为显著（图2和图1B/D）。特别值得指出的是，尽管原始的冬季欧亚温度指数没有呈现明显的长期变冷趋势或年代际变冷，但在北极加速变暖之后，随着北极暖事件出现频率显著增加（图1A），滞后其2天的欧亚冷事件出现频率也随之显著增加（图1B和图2C）。揭示的这些观测事实提供了冬季北极变暖导致欧亚变冷的关键性观测证据。

图2 冬季北极暖事件（AWE）和 欧亚冷事件（ECE）之间以及 AWE 与异常天气涡旋活动之间的超前/滞后关系。（A）1981-2022年期间最强的300个年际尺度AWE 北极温度指数（ATI）合成值（实线）和北极加速变暖期间（2002-2022）最强的300个原始AWE北极温度指数（ATI）合成值的超前/滞后曲线；（B）与AWE对应的欧亚温度指数（ETI）合成值；（C）与AWE对应的ETI<0日数的出现频率（OF，%）。（D–F）与（A–C）类似，但为（D）ETI<0的最强300个ECE的ETI合成值；（E）与ECE对应的ATI合成值；（F）与ECE对应的ATI>0 日数的出现频率（OF，%）。（G）与AWE对应的850 hPa最大Eady增长速率（EGR，30°E -120°E and 50°N-60°N）；（H）与AWE对应的500 hPa涡旋有效位能（EAPE，30°E-120°E and 50°N-60°N）；（I）与AWE对应的300 hPa涡旋动能（EKE，30°E-120°E and 45°N-60°N）合成值的超前/滞后曲线。

（3）揭示了冬季北极变暖导致欧亚变冷的非线性涡流反馈机制。研究发现冬季北极变暖对中纬度欧亚大陆的滞后影响不仅仅限于地表温度，可显著影响三维大气异常，在位势高度和气温异常场中主要呈现经向偶极子的三维结构（图3A/B）。在欧亚扇面，位势高度异常呈现高低层位相一致的相当正压垂直结构（图3A/B填色），北极上空为相当正压的高压异常，而中纬度欧亚上空为相当正压的低压异常；气温异常则呈现高低层位相相反的斜压垂直结构（图3A/B，等值线），即北极上空低层大气为暖异常，而中纬度欧亚上空低层大气为冷异常。进一步研究揭示：北极变暖在高纬度欧亚扇面显著减小了低层大气南北温度梯度，减弱了低层大气斜压性，进而抑制了逐日天气扰动（称为天气尺度瞬变涡旋或天气涡旋）的活动（图2G/H/I）。正是这种减弱的天气涡旋活动通过天气涡旋向平均流的非线性（跨时间尺度）动力反馈导致了中纬度欧亚（北极）上空出现相当正压的低（高）压异常和低层冷却（变暖）的经向偶极型（图3C/D）；同时，中纬度欧亚上空的低压异常引起了近地表东北风异常，通过冷平流加剧了欧亚地表变冷。因此，研究得出结论：冬季暖北极–冷欧亚本质上是由天气涡旋–平均流非线性（跨时间尺度）相互作用决定的内禀（intrinsic）偶极子（图4）。揭示的这一新的动力机制成功解释了北极变暖对中纬度欧亚大陆影响的经向偶极性，为深入认识北极变暖的天气气候效应提供了重要动力学基础。

图3 冬季北极变暖通过减弱天气涡旋活动及其向平均流的非线性反馈导致欧亚中高纬位势高度异常和气温异常的经向偶极型空间分布。（A）1981-2022期间最强300个年际尺度北极暖事件（AWE）合成、滞后这些暖事件1-3天平均、并沿着欧亚扇面（30^oE-120^oE）平均的位势高度异常（填色）和气温异常（等值线）的纬度-高度剖面图；（B）同（A）,但为北极加速变暖期间（2002-2022）最强300个原始北极暖事件（AWE）合成。(C, D) 同 (A, B), 但为合成的滞后北极暖事件1-3天平均的天气涡旋涡度强迫异常引起的平均位势倾向异常（填色）和平均气温倾向异常（等值线）。

图4 冬季北极变暖通过减弱高纬度低层大气斜压性和天气涡旋活动、进而通过天气涡旋–平均流的非线性反馈导致中纬度欧亚变冷的动力机制示意图

该成果于2025年3月19日以“Amplified wintertime Arctic warming causes Eurasian cooling via nonlinear feedback of suppressed synoptic eddy activities”为题发表于Science Advances。南京大学大气科学学院印曼曼博士研究生和杨修群教授为论文共同第一作者，杨修群教授为论文唯一通讯作者，合作作者包括南京大学孙林元博士、南京信息工程大学陶凌峰副教授、挪威卑尔根大学Noel Keenlyside教授。该研究得到了国家重点研发计划项目/政府间国际科技创新合作重点专项/中国和挪威政府间科技合作项目（2022YFE0106600）和江苏省研究生科研创新计划（KYCX21_0042）项目支持。

论文引用：Manman Yin^†, Xiu-Qun Yang^†*, Linyuan Sun, Lingfeng Tao, Noel Keenlyside, 2025, Amplified wintertime Arctic warming causes Eurasian cooling via nonlinear feedback of suppressed synoptic eddy activities, Science Advances, 11(12), eadr6336, doi: 10.1126/sciadv.adr6336.

论文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adr6336