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近期北半球冬季日极端冷暖事件

GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS

Kristen Guirguis,1 Alexander Gershunov,1 Rachel Schwartz,1 and Stephen Bennett1

摘要

[1]2009-2010年和2010-2011年的冬季给欧洲、俄罗斯和美国部分地区带来了寒冷的气温。我们在过去63年的历史背景下，分析了连续两个冬季的区域和北半球(NH)日极端气温。虽然一些部分清楚地经历了非常冷的温度，但NH并不异常冷。极端热事件在幅度和空间上都更为普遍。重要的是，北大西洋涛动（NAO）的持续负状态解释了观测到的大部分冷异常，但是暖极端是异常的，甚至包括NAO以及太平洋十年振荡（PDO）和厄尔尼诺南方涛动（El Nintilde;o Southern Oscillation, ENSO）的状态。这些冬季广泛和强烈的温暖极端现象，加上半球持续下降的冷潮活动，与近几十年来观察到的持续变暖趋势完全一致。

1.绪论

[2]2009-2010年的冬天（W10），美国和欧洲部分地区暴风雪肆虐，气温极度寒冷，成为头条新闻。根据英国气象局的数据，英格兰和威尔士经历了自W79以来最寒冷的冬天，苏格兰经历了1960年代以来从未有过的气温[气象局Met Office，2010]。佛罗里达州迈阿密海滩录得有记录以来最冷的1-2月份，马里兰州、特拉华州、华盛顿特区和宾夕法尼亚州部分地区创下了季节性降雪记录[国家海洋和大气管理局National Oceanic and Atmospheric Administration，2010]。接下来的2010-2011年的冬天（W11）同样异常寒冷，事实上对大多数美国人来说更加极端。这些寒冷的异常引发了关于近期观测对未来前景意味着什么的重要问题。

[3] 最近的冬天是短期异常还是冬天来临的征兆？在全球变暖方面，这意味着什么？什么是暖极端的现象？它们在冬天不那么有新闻价值，但也同样重要。即使在出现变暖趋势的情况下，自然气候的变化也可能导致特定季节和区域或多或少的冷暴发。自然气候模式的耦合可以改变气候状态数年甚至数十年，包括长期的变暖和冷却[Tsonis et al.，2007]。气候变化下的模型预测显示了叠加在总体变暖趋势上的没有或降低的温度趋势的时期[例如，Easterling和Wehner，2009]。在极端气候中，极端冷漠的行为仍然存在很多不确定性。使用固定的阈值，正如迄今为止的常规情况，全球将由于平均温度的升高而减少极端寒冷。然而，极端寒冷在区域上或多或少可能由于大气或海洋环流的变化而变得可能[Vavrus et al.，2006；Kharin et al.，2007；Favre和Gershunov，2009]。

[4] W10和W11期间观察到的一个重要共性是负NAO的持久性。以负NAO状态为特征的压力模式(亚速尔群岛和冰岛之间的压力梯度降低)建立了促进北极气流进入美国东部和欧亚北部的阻塞模式[例如，Hurrell，1995；Hartley and Keables，1998]。这种异常模式在W10中达到了前所未有的强度，并持续到W11。王等[2010]展示了NAO如何在W10推动北极空气向南平流进入美国；他们预测由于NAO最近的下降趋势，冷暴发将更加频繁。其他研究表明，打破W10的NAO记录可能是由于北极变暖和海冰融化[Overland and Wang，2010；Petoukhov and Semenov，2010]。卡蒂奥等[2010]研究发现，尽管欧洲冬季的平均气温在W10非常寒冷，但考虑到NAO的强度，我们原本应该预料到天气会变得更冷。他们得出结论，长期变暖趋势有助于减轻NAO的影响。

[5]一个重要的问题是，NAO和/或其他自然气候模式，如ENSO和PDO，如何解释观测到的日极端温度。在这篇论文中，我们关注每天的极端天气，包括温暖和寒冷，来回答这个问题：与前几年和几十年相比，最近的气温有多极端？当与历史并列时，这些冬天实际上在北欧、美国东南部和西伯利亚北部等北海的一些地区非常寒冷。然而，我们发现，这些区域性冷极端的大小在很大程度上可以用异常NAO的空前强度来解释。另一方面，温暖的极端比寒冷的暴发更加严重、持久和扩大。与寒冷极端相反，NAO或其他自然气候模式的状态不能很好地解释最近的暖极端。

2.资料和方法

[6]利用NCEP-NCAR全球再分析的近地表(995sigma层)日温度确定日极端值[Kalnay et al.，1996]。从Gershunov等人[2009]的方法出发，提出了一种局部“温度严重指数”。该指数计算为局部（基于网格单元）冬季（十二月至二月）超过非季节性日温度的阈值。首先利用最小二乘回归分析从全年日气温中剔除季节(年和半年)谐波周期。为了识别极端事件，我们使用低于局部第5百分点阈值（“严寒指数”，SCI）和95百分点以上（“严热指数”，SHI）的绝对每日偏差。区域指数是局部日超出值的空间平均值，因此代表强度和空间范围。然后，将冬季严重性指数定义为SCI或SHI的季节和，其中包含季节频率和极端温度的持续时间。本文重点研究八个区域，以覆盖NH大陆中纬（图1）。

图1 文中讨论的八个区域

[7] 对站内温度数据进行区域性和局部性的再分析。例如，在美国东部，来自再分析和站数据（来自国家气候数据中心的475个站[2003]）的每日SCI显示出0.94的平均相关性。站点稀疏的西伯利亚和中亚地区对于四个被选为具有由Brohan等人定义的1961-1990年的适当平均值的站点具有合理的一致性。〔2006〕。西伯利亚平原的日平均温度相关系数在0.9以上。最近几十年来，在喜马拉雅山脉的高山地区（海拔4508米，r=0.74）对应关系最差。

[8] 为了量化气候模式对W10和W11极端值的解释作用，我们对每个网格单元的季节SCI和SHI进行了排序，并应用线性回归操作。由于这些指标的偏斜性质，采用了排名。我们首先通过将排序的局部季节性SCI和SHI回归到DJF平均NAO指数，确定由NAO引起的观测异常的比例。接下来，我们在逐步多元回归模型中包括12-2月NIO3.3和PDO指数。ENSO和NAO指数来自气候预测中心(http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/monitoring_and_data)，PDO数据来自华盛顿大学(http://jisao.washington.edu/pdo)。最后，我们将线性趋势纳入逐步模型，以量化任何长期线性变化的贡献。不同复杂度的回归模型是在W50—W09上拟合的最小二乘，并用于预测W10和W11的季节极端。

3.冬季极端天气

[9] 历史数据表明，对于NH大陆，定义为横跨这八个区域的区域，自2000年以来的冷事件不如过去几十年中的任何一个时期显著（图2i）。事实上，自1970年代以来，冷事件一直在减少。最近几年，极端暖事件的总体规模有所增加。在一些地区（加拿大、地中海/中东、阿拉斯加/育空和远东），W10和W11比过去大多数年份或所有年份都经历更强烈和更频繁的暖事件，最近暖极端超过冷极端的趋势（图2和3）。对于其他国家（北欧/俄罗斯，西伯利亚和美国）极端冷漠显然占主导地位。

图2季节性严寒指数（SCI、蓝色）和严热指数（SH，红色）。实线为2点的滑动平均值。

图3 W10和W11的逐日SCI和SHI

[10] 就NH整体而言，W10和W11在极端寒冷暴发方面相对温和，分别排名第21和34位。温暖的事件更加严重和广泛。在极端温暖天气方面，W10（W11）位列前12（4）个冬季，在区域上，温暖事件的数量超过了寒冷事件的数量。图4显示了W10和W11在冬季严重程度方面的排名。NH的一些地区经历了创记录的寒冷天气——墨西哥、美国东南部和欧亚大陆在W10，西南部、东南部、美国中部、英格兰和斯堪的纳维亚半岛在W11。然而，在空间上有更多的地区经历非常极端的温暖条件。W10和W11的暖极端在空间上强度有多大？从图4e-4h中可以看出，大约25-30%的NH总面积（预期面积的2.5-3倍）在最严重地区出现极端温暖，因此对于这些地区，W10和W11是63年冬季记录中10%的最温暖冬季之一。同时，最冷的极端情况比基于气候学的预期要少（即，在3-4个最冷的类别/箱子中每个类别的面积低于10%）。对于NH大陆，将近20%的地点（预期面积的两倍）在最温暖的10%的冬季经历过极端温暖，而极端寒冷覆盖面积小于预期面积。综上所述，从63年冬季的观点来看，W10和W11的冷极端（平均面积上）比气候学的范围要小，而暖极端比平均严重得多，范围要广。

图4图示（a，c）W10和（b，d）W11在严寒（图4a和4b）和严暖（图4c和4d）方面的局部排名。具体而言，W10和W11根据其严重程度(SCI/SHI的季节总和)与历史记录相比进行排序，使得100的值是63个冬季的最极端值。排名超过第八十百分位数的位置被遮蔽。线图显示了(e，f)NH总面积和(g，h)NH中纬度大陆面积的比例，其中W10(图4e和4g)和W11(图4g和4h)的SCI和SHI指数值落在它们各自气候的10%增量范围内。使用每个大陆网格单元的63年记录来计算经验SCI和SHI百分位，因此每个网格单元的预期气候（即平均冬季）值为0.1（面积的10%，黑线），每年的极端指数值预计有10%的概率会落入十个仓中的每一个。利用网格余弦的纬度对网格单元进行加权。

[11]图5给出了回归分析的结果，以量化气候模式解释W10和W11温度极端的程度。极端寒冷事件在很大程度上是由NAO解释的，但不能解释极端温暖事件。考虑到所有用NAO很好地模拟了冷极值的位置（其中回归在95%水平上是显著的），W10中只有10个观测值（网格单元），W11中有33个观测值，其中观测值落在NAO回归的95%置信区间（CI）之上。对于温暖的极端，有更多的外围网格单元（W10中有336个和W11中有195个）。

图4 地图显示了（a，c）w10和（b，d）w11在严寒（图4a和4b）和严寒（图4c和4d）方面的局部排名。具体来说，与历史记录相比，w10和w11根据其严重程度（sci/shi的季节总和）进行排名，因此100是63个冬季中最极端的。排在第80个百分点以上的位置是阴影部分。线图显示了（e，f）NH总面积和（g，h）NH中纬度大陆面积的比例，其中观察到的W10（图4e和4g）和W11（图4g和4h）中的SCI和SHI指数值在百分位范围内，并以各自气候的10%增量为基数。使用每个大陆网格单元的63年记录计算经验Sci和Shi百分位数，因此每个料仓的预期气候（即平均冬季）值为0.1（面积的10%，黑线），因为每年的极端指数值具有10%的下降概率。

图5 季节SCI(蓝圈)或SHI(红圈)在(a，c)W10和(b，d)W11的NAO回归的95%置信区间以上的位置。阴影显示NAO回归在95%水平显著的位置。

[12]进行了类似的分析，以确定多种气候模式(NAO、PDO、ENSO)的贡献以及暖极值的线性趋势(结果未示出)。对于W10，发现由NAO、PDO和ENSO组成的多元回归模型与仅NAO的模型相比，额外解释了15%的暖极端。包括作为第四个预测因子的线性趋势解释了额外的50%的暖极端，与NAO/PDO/ENSO模型的276相比，在95%CI以上留下了138个网格单元。这与1990以来暖极端的明显加速度一致（图2I）。在W11期间，NAO/PDO/ENSO模型比仅NAO模型解释额外的8%的暖极端，而线性趋势进一步解释51%(NAO模型、NAO/PDO/ENSO模型和NAO/PDO/ENSO 趋势分别在95%CI之外的194、178和87个网格单元)。总而言之，主要的气候模式没有解释记录的暖极端以及寒极端。一个线性趋势更好地占（但仍然低估）W10和W11温暖极端。然而，自然变异，即NAO，解释了W10和W11中绝大多数极端寒冷的原因。

4.总结

[13]2009-2010年和2010-2011年的冬天给欧洲部分地区和美国东南部带来了极端寒冷的天气，对交通、基础设施和日常生活造成破坏，这是近年来罕见的。这引起了广泛的猜测，这是否标志着回到1970年代和80年代更严酷的冬季条件。本文结合63年的历史记录描述了过去两个冬天的极端寒冷和温暖的温度。从这个角度来看，类似于人类成熟经历的时间尺度，最近两个冬天的极端寒冷天气看起来并不特别，尽管一些当地记录被打破。这些异常病例主要发生在欧亚大陆北部和美国东南部，主要由异常和持续的负NAO所解释。更广泛的半球和区域图片显示，在最近两个冬季发生的暖事件比冷暴发更极端，并且与长期和加速变暖趋势相一致。对于较长期的预测，在以后的工作中，将修改这里提出的方法以考虑非平稳性，并将其应用于AR5模型积分，以研究气候变化对所有季节极端天气的影响。

致谢

[14]这项研究部分是由VETTLSEN基金会通过斯克里普斯危险与环境应用研究伙伴关系（SPEKE）资助的。这项工作还由大学大气研究公司在博士后应用气候专家（PACE）奖学金下提供支持。这篇文章得益于两位匿名审稿人的意见和建议。

[15]编辑感谢匿名审稿人对本论文的评价提供帮助。

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