北极增暖对东亚冬季极端温度事件的两极化影响机理

The Arctic is a critical region, which is especially susceptible, vulnerable and sensitive to the global climate change. Past studies suggest the varied weather and climate in the Arctic may modulate the atmospheric circulations at mid-high latitudes, and directly affect the climate in Eurasia and China. Human-induced Arctic warming is unequivocal, substantial and ongoing, which in turn affects climate and weather extremes in mid-latitudes via the effect of Arctic amplification (AA). However, it remains controversial to what extent and how the AA affects the mid-latitude climate and weather extremes, instead of the influence of internal variability of atmospheric circulation, such as in Arctic Oscillation (AO). For instance, China was repeatedly attacked by the unexpected cold spells during the warmest Arctic winter of 2015/2016, but the daily surface air temperature (SAT) extremes exhibited a polarized patterns (i.e., concurrently with cold and warm extremes). In this regard, we intend to investigate changes of the variability of daily SAT (the SAT variance between warm and cold extremes) during winter over East Asia, and reveal the possible effect of AA on the extreme temperature in this region based on thermodynamical and dynamical analyses. A moving window will be utilized to discuss the cooperative impacts of AA and AO on the polarized daily SAT variability on interannual and decadal timescales. The coming results may enhance the understanding of AA effect, and benefit the seasonal prediction of winter temperature extreme events in China in science.

北极地区是全球气候变化的关键、敏感和脆弱区域，与其紧密相关的中高纬度气候状况对我国的气候产生直接影响。人类活动导致的北极变暖毋庸置疑，北极剧烈而持续的增暖，并通过北极放大（AA）效应影响北半球中纬度的天气气候。然而，由于中高纬大气环流自身变率（例如北极涛动AO）的影响，北极增暖对中纬度极端温度事件的影响和机理存在较大争议。例如，2015/2016冬季在北极极端偏暖背景下，中国却遭遇极端寒潮事件，温度极端事件表现出两极化（冷暖极值均偏多）特征。为此，本项目将中国冬季温度变率（冷暖极值间的离差）作为主要研究对象，分析中国冬季逐日温度变率的年际和年代际变化特征，从热力和动力两个方面探讨北极放大效应对东亚冬季温度变率的影响，通过比较不同阶段北极涛动和北极增暖的协同变化和影响，揭示中国冬季温度变率的年际和年代际变化机理，并为东亚冬季天气和极端事件的季节预测提供科学依据。

北极是影响我国冷空气的重要源地，在全球变暖背景下，北极地区出现了剧烈增暖趋势，增温幅度远大于中低纬地区，被称为北极放大效应。大量的研究指出了北极增暖对东亚极端天气气候事件增多的可能影响，但是具体的影响机理依然存在较大争议。2015/16年冬季，在超级厄尔尼诺和全球平均温度创历史新高背景下，东亚多次遭受极端寒潮重创，温度极端事件表现出两极化（冷暖极值均偏多）特征。2016年1月下旬的寒潮使多地最低气温突破历史记录，被称之为“Boss”级寒潮。受此启发，本项目分析了东亚冬季温度变率在北极放大效应显著时期的变化，旨在揭示北极增暖影响东亚冬季温度变率的热动力学机制和关键物理过程。.本项目采用资料诊断、理论分析和数值试验相结合的研究方法，指出了北极快速增暖对东亚极端气候事件的热动力影响物理过程。具体包括：.（1）全球变暖本身的热力作用利于地表温度的上升和极端暖事件的增加。由于北极放大效应，中高纬地区的温度梯度减小，欧亚大陆上空的西风减弱，促使经向度增大，利于乌拉尔阻塞事件的出现。响应于北极快速的增暖，欧亚上空的波列增强了乌拉尔上空的高压脊，利于阻塞的形成和维持。另一方面，减弱的西风和增强的乌拉尔地区的高压脊利于西伯利亚高压的增强。由于乌拉尔阻塞事件的增多和西伯利亚高压的增强，东亚地区的冷平流显著增强，从而利于极端低温的出现。在北极放大效应时期，东亚冬季极端冷暖事件均增多且增加的速率相当，温度变率增大，季节平均温度几乎无变化。.（2）东亚“Boss”级寒潮相关的大气寒流机制主要表现为乌拉尔阻塞高压的极端正异常和地表西伯利亚高压的破纪录正异常，且该大气环流机制主要受大气内部变率控制。但是，由于北极放大效应的动力作用，人类活动引起的全球变暖通过增强相对应的自然大气环流机制，使极端寒潮发生的概率增加。.（3）由于北太平洋海温异常年代际变化显著影响，欧亚东部和北美地区冬季温度冷极值对北极增暖的区域响应表现出反向的变化特征。相关研究结果为东亚冬季天气和极端事件的季节预测提供了重要科学依据。