南京信息工程大学陆气相互作用团队博士研究生以第一作者在《Journal of Climate》揭示海冰变化对我国南方地区冬季极端低温事件影响机制

      我国南方地区冬季极端低温事件（extreme cold days, ECDs）频发对区域社会经济与民生构成严重威胁。例如，2008年1月持续近一个月的冰冻灾害造成了129人死亡以及大约538亿元人民币的直接经济损失。在全球变暖和北极增暖持续加剧的背景下，北极海冰呈现显著退缩趋势，然而我国南方冬季极端低温事件却屡有发生，这一看似矛盾的现象背后的物理机制一直不太清楚。NUIST陆气相互作用团队李根教授与其博士研究生袁金鹏基于多源观测资料、再分析资料以及数值模拟，系统地探究了巴伦支海海冰浓度（Barents Sea ice concentration, BRSIC）变化对我国南方地区冬季ECDs的影响。该研究揭示了北极海冰影响中低纬度极端天气的年际尺度和天气尺度耦合机制，成果发表于国际期刊《Journal of Climate》。主要结论如下：

一、核心发现：巴伦支海海冰减少能导致我国南方地区极端低温事件更加频发

      本研究首先对中国大陆1978-2020年间ECDs进行了经验正交函数（EOF）分析。结果显示，我国南方是ECDs年际变率最为显著的区域之一（图1）。研究根据区域平均的结果进一步定义了南方极端低温日数指数（SECCDs index），该指数能够有效表征整个我国南方地区的极端低温变化特征。研究结果表明巴伦支海（40°-60°E，68°-78°N）冬季海冰浓度（BRSIC）与我国南方ECDs之间存在显著的负相关关系（r = -0.41, p < 0.01）（图2）。换言之，巴伦支海海冰越少，我国南方冬季极端低温事件越多；海冰越多，极端低温事件则越少。

图1.（a）1978-2020年冬半年（11月至次年3月）中国大陆冬季极端寒冷天数（ECDs；单位：天）EOF第一模态（EOF1）的空间分布。（b）EOF1模态的归一化时间序列与SCECDs指数的时间序列。（a）中的绿色矩形代表中国南方地区（105°E-120°E，21°N-33°N）。（a）右上角的数字（32%）表示EOF1模态对应的方差解释率。（b）右上角给出了EOF1时间序列（PC1）与SCECDs指数之间的相关系数（r）及其显著性水平（p）。

图2.（a）1978-2020年冬季北极海冰密集度异常与SCECDs指数的年际相关系数。（b）BRSIC指数和SCECDs指数的归一化时间序列。（a）中的黑点表示相关系数达到p < 0.01的显著性水平；（a）中的绿色方框代表巴伦支海区域（40°E-60°E，68°N-78°N）。（b）右上角给出了两条时间序列之间的相关系数（r）及其显著性水平（p）。

二、物理机制：从BRSIC减少到我国南方ECDs增加的三步接力过程

      研究结果揭示了一条完整的物理因果链，将巴伦支海海冰变化与我国南方极端低温事件联系起来。

1、海冰减少和北极增暖（海冰-大气耦合正反馈）

      BRSIC减少触发正反馈机制（图3）：

（1）冰-反照率正反馈：BRSIC减少使地表反照率降低，更多太阳辐射被吸收，加剧局地增暖；

（2）水汽-潜热反馈：BRSIC减少增加局地水汽，水汽凝结释放的潜热进一步加热大气；

（3）暖平流反馈：BRSIC导致大气环流异常，异常反气旋将低纬度暖空气输送到巴伦支海，反过来加速海冰融化。

      这三重反馈使巴伦支海区域从地表到500 hPa显著增暖。

图 3.（a）1978-2020年表面反照率异常与BRSIC指数的年际相关系数分布。（b）比湿与BRSIC指数的年际相关系数分布。（c）、（e）、（g）分别为1978-2020年1000 hPa、850 hPa、500 hPa气温异常与巴伦支海（40°E-70°E，68°N-78°N）区域平均表面反照率异常的年际相关系数分布。（d）、（f）、（h）与（c）、（e）、（g）相同，但相关对象为巴伦支海区域平均比湿异常。黑色点表示相关系数达到p < 0.01的显著性水平。绿色方框代表巴伦支海区域。

2、北极增暖和欧亚西风急流减弱

      北极增暖导致高纬度大气厚度增加，形成了南北厚度的偶极子，南北厚度梯度减小。根据热成风原理，这种经向厚度梯度的减弱直接导致中纬度欧亚西风急流（EWJS）减弱（图4）。

图4.（a）1978-2020年500 hPa风场（黑色箭头）、大气厚度（填色；1000 hPa与500 hPa位势高度之差）和500 hPa位势高度（等值线）异常与BRSIC指数的年际相关。（b）1978-2020年EWJS指数和厚度指数的归一化时间序列。（a）中灰点表示大气厚度与BRSIC指数的相关达到p < 0.01的显著性水平；仅显示通过p < 0.01显著性检验的风场；绿色方框区域（30°E-100°E，40°N-60°N）用于计算欧亚西风急流（EWJS）指数。（b）右上角给出了两指数间的相关系数（r）及对应的p值。

3、急流减弱引起乌拉尔阻塞延长，导致冷空气南下

      研究团队引入位势涡度经向梯度（PV_y）这一诊断工具。理论推导表明：急流越弱，PV_y越小，阻塞的非线性强度越强、能量频散越弱，从而更容易维持更长的持续时间。图5清晰展示了这一链条：急流减弱引起了乌拉尔区域PV_y降低，从而使得乌拉尔阻塞持续时间（UBD）延长（EWJS与PV_y的相关系数为0.44，PV_y与UBD的相关系数为-0.51，均通过0.01显著性检验）。在此基础上，UBD的延长将进一步在年际尺度和天气尺度上影响下游天气气候事件。

图5.（a）1978-2020年冬半年310 K等熵面上PV_y与EWJS指数的年际相关系数。（b）EWJS指数、PV_y指数（乌拉尔区域平均的310 K PV_y）和UBD指数的归一化时间序列。（a）中黑点表示相关达到p < 0.01的显著性水平；（a）中绿色方框代表乌拉尔区域（40°E-70°E，50°N-70°N）；（a）右侧小图给出了（40°E-70°E）平均的PV_y值，红色虚线表示p < 0.05的显著性水平。（b）中给出了EWJS与PV_y指数、PV_y与UBD指数、EWJS与UBD指数之间的相关系数（r1, r2, r3），每个相关系数后附有其对应的显著性水平（p）。

（1）年际尺度

      在年际时间尺度上，UBD可诱发显著的高压系统（图6a）。如图6所示，从500 hPa至925 hPa的大气环流异常呈现相当正压结构，随着高度降低，高压系统向南移动。在925 hPa，高压系统与青藏高原相互作用，并受地形影响向东延伸至东亚（图6c）。伴随高压系统的东北亚异常低压，可能在维持乌拉尔阻塞以及将冷空气向南输送至华南（而非聚集于东北地区）的过程中起着重要作用（图6a）。图6d给出了地表环流与UBD指数的相关系数。结果表明，异常高压可诱发中低纬度地区的地面反气旋环流。该反气旋环流的右侧分支通过西北风将冷空气输送至整个中国，导致全国范围显著降温，但由于各地ECDs的阈值较高，并非所有降温区域均能发展为ECDs。从年际尺度看，UBD相关的持续冷平流显著增强了华南ECDs的发生。

图6. 1978-2020年（a）500 hPa、（b）850 hPa和（c）925 hPa位势高度异常（填色）与UBD指数在欧亚大陆上的年际相关。（d）1978-2020年海平面气压（等值线）、2米温度（填色）和10米风场（黑色箭头）与UBD指数的年际相关。未通过显著性检验（p > 0.05）的区域未填色；仅显示达到p < 0.05显著性水平的风场。

（2）天气尺度

      为研究UBD对ECDs的天气尺度影响，本文基于5个典型的长UBD事件进行合成分析（图7）。结果表明，长UBD事件在500 hPa及以下大气层中激发出相当正压结构的高压系统，且高压中心随高度降低逐渐向南倾斜，并在对流层低层与青藏高原地形相互作用，向南延伸至东亚低纬度地区（图7a-c）。地面环流合成显示（图7d），中纬度高压中心配合显著的地面反气旋，将高纬冷空气向南输送至华南，从而增加华南ECDs。从天气尺度看，UBD相关的持续冷平流显著增强了华南ECDs的发生。

图7. 基于5次长持续UBD事件合成的（a）500 hPa、（b）850 hPa和（c）925 hPa位势高度（填色，单位：gpm）。（d）基于5次长持续UBD事件合成的海平面气压（等值线，单位：Pa）、2米温度（填色，单位：K）和10米风场（黑色箭头，单位：m/s）。（d）中仅显示达到p < 0.05显著性水平的风场和温度；未通过显著性检验（p > 0.05）的区域未填色。

三、模式验证与因果分析

      研究进一步通过CAM6模式敏感性试验和CMIP6多模式历史模拟对上述机制进行了验证。在CAM6实验中，研究者在巴伦支海区域叠加了海冰减少的异常强迫（图8a）。结果发现，海冰减少后中国南方极端低温日数显著增加（图8b）。CMIP6的10个气候模式中有7个支持这一结论。我们对敏感性试验中物理链条的各重要中间变量进行了量化分析（表1），结果显示BRSIC的减少显著影响着中纬度EWJS的强度、UBD的持续时间以及中国南方ECDs。此外，研究还采用信息流因果分析方法对整条物理链进行了定量检验，结果验证了本研究物理机制的稳健性。

图8.（a）敏感性试验中施加于巴伦支海的海冰密集度异常（%），时段为1981-2000年冬半年。（b）敏感性试验后15年冬半年扰动试验（PERT）与控制试验（CTRL）气候平均极端寒冷日数（ECDs，单位：天）的差值。（a）中绿色方框代表巴伦支海区域（40°E-60°E，68°N-78°N）；（b）中黑点表示异常达到p < 0.05的显著性水平。

表1 观测（OBS）与敏感性试验（PERT和CTRL）中的关键大气变量（EWJS、UBD及华南ECDs）。

符号*表示PERT与CTRL试验的异常值（ΔX）超过p < 0.05的显著性水平。

      我国华南地区ECDs可引发冻雨、暴雪、大风等严重气象灾害，严重影响生产生活。巴伦支海是影响欧亚大陆气候的关键冷空气源区之一。本研究利用观测数据、再分析数据以及数值模拟，系统地探讨了BRSIC对我国冬季南方地区ECDs的影响。结果表明：BRSIC与华南ECDs的变化密切相关，BRSIC减少（增加）时，华南ECDs增多（减少）。其物理机制为：BRSIC的变化通过热成风关系调节中纬度欧亚西风急流（EWJS）的强度，进而改变乌拉尔阻塞事件（UBD）的持续时间。当UBD延长（缩短）时，在年际和天气尺度上，其伴随的反气旋环流将更多（更少）冷平流输送至华南地区，从而导致当地ECDs增加（减少）（图9）。

      同时极端事件变化有别于平均态变化。本文发现巴伦支海海冰减少对南方冬季平均气温的影响并不显著，但却能显著增加极端低温事件的发生频次。这意味着不能用平均态的变化来推断极端事件的变化。而随着北极持续增暖、巴伦支海海冰持续减少，理论上我国南方冬季极端低温事件的风险可能进一步增加。巴伦支海海冰变化可作为我国南方冬季极端低温事件的一个潜在预测因子，为冬季气候预测提供新的参考依据。

图9. 巴伦支海海冰减少影响我国南方冬季极端低温事件的物理机制示意图。示意图展示了在年际时间尺度上，BRSIC减少影响华南ECDs发生的物理机制。蓝色（黑色）实线箭头表示过程的单向（双向）因果关系。

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Yuan J, Li G* (2026) The Impact of Barents Sea Ice Concentration on the Interannual Variation of Winter Extreme Cold Days over South China. Journal of Climate, 39, 3775–3791. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-25-0634.1