近日，国际著名期刊Science Advances以《Anthropogenic intensification of Arctic anticyclonic circulation》为题，在线发表了我室刘忠方教授与合作者研究成果，揭示了人为变暖在最近40年北极大气环流变化中的主导作用。
近年来，我国多地频繁遭遇强烈寒潮，冷空气席卷南北，北方大雪纷飞，南方也罕见结冰。许多人不禁疑问：全球变暖不是应该使冬天更温暖吗？为什么寒潮反而更频繁？答案或许藏在遥远的北极。刘忠方教授团队发表在《Science Advances》上的这项研究揭示了最近40年北极冬季大气环流变化的主要原因，而这一变化或许正是我国寒潮频发的关键因素。
大气环流是地球气候系统的核心组成部分，像一台巨大的“天气引擎”，驱动着全球热量、水汽和动量的空间分布，塑造着我们的天气和气候。观测数据显示，过去40年间，北极冬季主要受增强的巴伦支-喀拉海（BKS）反气旋环流控制 （图1）。这一环流不仅加剧了局地的变暖和海冰消融，还可能通过大气遥相关影响我国和整个北半球的天气与气候。然而，导致BKS反气旋环流增强的原因尚不清楚。此前，学术界普遍认为北极环流的变化主要由气候内部自然波动（如北极振荡、北大西洋涛动等）驱动，但刘忠方团队的这项研究提出了不同的看法，指出人类活动，尤其是温室气体和气溶胶排放，才是背后的主要推手。
图1. 观测的北极冬季大气环流变化. (A) 300-hPa位势高度（Z300）线性趋势; (B) 位势高度（Z）线性趋势的经度-高度剖面分布; (C) 巴伦支-喀拉海（BKS）反气旋环流指数时间序列及其线性趋势
结合观测数据、CMIP6气候模式数据和最优指纹法，该研究系统评估了外部强迫和气候内部变率对BKS大气环流变化的影响。结果发现，人为温室气体是BKS反气旋环流增强的主要驱动因素，人为气溶胶次之，两者共同解释了80%以上的环流变化趋势（图2和3）。
该研究揭示：温室气体和气溶胶导致的变暖与BKS地区海冰消融耦合，引发局地增温放大效应，并通过大气热力膨胀抬升位势高度，形成反气旋环流；该环流进一步通过向极的水热输送和下沉绝热增温，加剧局地变暖和海冰消融，形成 “越暖越强、越强越暖”的正反馈。增强的反气旋环流加剧了BKS东部的偏北风，可能显著增加了我国寒潮事件的发生频率和强度。随着人为变暖持续，北极反气旋环流或将进一步加强，放大局地增温和海冰消融，并可能影响北极及北半球中纬度极端天气的频率和强度。
图2. CMIP6多模式模拟的北极冬季大气环流（Z300）对不同外部强迫的响应. (A) 全强迫; (B) 人为温室气体强迫; (C) 人为气溶胶强迫；(D) 自然强迫
图3. BKS反气旋环流变化检测与归因分析.（A）基于双因子（人为与自然强迫）和三因子（温室气体、气溶胶和自然强迫）估算的比例因子及其5-95%置信度区间；（B）可归因的BKS反气旋环流变化趋势及5-95%置信度区间
该论文的第一和通讯作者均为我室刘忠方教授，合作者来自法国索邦大学和美国犹他大学。该研究受国家自然科学基金委杰出青年科学基金项目资助。
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads4508