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  气候变化研究进展   2017, Vol. 13 Issue (5): 512-516.  DOI: 10.12006/j.issn.1673-1719.2017.005
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赵宗慈, 黄建斌, 闻新宇, 等. 评估气候模式模拟暖北冰洋与大陆寒冬以及未来变化预估[J]. 气候变化研究进展, 2017, 13(5): 512-516. DOI: 10.12006/j.issn.1673-1719.2017.005.
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Evaluation on Warm Arctic and Cold Winter Continents as Simulated by Climate Models and Its Projection in Future[J]. Climate Change Research, 2017, 13(5): 512-516. DOI: 10.12006/j.issn.1673-1719.2017.005.
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资助项目

科技部重大项目（2013CBA01805）；国家自然科学基金（41305054）
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
评估气候模式模拟暖北冰洋与大陆寒冬以及未来变化预估
赵宗慈 1,2, 黄建斌 4, 闻新宇 3, 罗勇 1    
1. 清华大学地球系统科学系, 北京 100084;
2. 中国气象局国家气候中心, 北京 100081;
3. 北京大学大气与海洋科学系气候与海-气实验室, 北京 100871;
4. 瑞典哥德堡大学地球科学系, 哥德堡 40530, 瑞典
资助项目：科技部重大项目（2013CBA01805）；国家自然科学基金（41305054）

在研究全球变暖中，发现了相应北冰洋的异常变暖和夏、秋季海冰迅速融化，另一方面注意到冬季北半球大陆中纬度经常出现寒冬和暴雪。本文综述近些年来国外的有关研究，首先给出观测到的暖北冰洋与大陆寒冬的联系[1-10]，然后重点给出气候模式是否可以模拟出这个特征与可能机制以及预估未来的变化[11-22]。

1 观测到的暖北冰洋与大陆寒冬

许多研究工作[1-10]利用观测资料和再分析资料计算了暖北冰洋与大陆寒冬的联系，表 1给出主要的研究结果，可以注意到：(1) 观测到的现象表明，不论30年的再分析资料研究还是个例研究都一致表明，21世纪以来暖北冰洋对应冬季中高纬度大陆(如西伯利亚地区、远东地区、东亚地区、北美大陆等)出现寒冬频繁和暴雪增多；(2) 机制研究表明，夏、秋季北冰洋明显变暖，海冰大量融化且面积减少，环极高压异常，冬季西伯利亚高压异常，负北极涛动(AO)异常，造成冬季中高纬度大陆寒冬频繁发生；(3) 多年代际尺度变率表明，20世纪的北极冷和冬季中高纬度大陆暖的特征，到21世纪转为北极暖和冬季中高纬度大陆冷的特征，这与前期秋季海冰年代际减少关系密切。

表 1 自2009年以来对暖北冰洋与大陆寒冬主要的观测诊断分析研究 Table 1 Observed investigations on warm Arctic and cold continents since 2009
2 气候模式模拟暖北冰洋与大陆寒冬

利用气候模式是否可以模拟出暖北冰洋和大陆寒冬的特征是一些研究者关注的问题[1, 4, 11-22]，如表 2所示，大约60多个模式(多数是全球模式，少数是区域模式)被用来做这方面的研究，有的研究是做个例分析，多数研究是考虑北冰洋夏、秋季海冰减少，运行模式计算秋、冬季的大气环流变化和气候变化。研究表明：(1) 多数模式可以模拟出北冰洋增暖夏、秋季海冰减少，其后出现中纬度地区寒冬。但是有些模式模拟不出冬季中纬度寒冬与北极海冰减少的联系；(2) 部分模式可以模拟出北冰洋变暖夏、秋季海冰减少，对应大气环流的变化；(3) 夏、秋季巴伦支海和喀拉海等暖异常和海冰变化是影响中纬度地区寒冬和相应大气环流变化的主要源地；(4) 多个模式模拟表明，低于30%的欧洲寒冬发生是与夏、秋季北极海冰减少有关，即模拟表明，多种因素造成欧洲寒冬的出现。

表 2 自2009年以来对暖北冰洋与大陆寒冬主要数值试验研究 Table 2 Main models simulations on warm Arctic and cold continents since 2009
3 气候模式对未来夏、秋季北冰洋和冬季大陆气候变化的预估

利用气候模式做未来北冰洋和中纬度大陆冬季气候变化的预估研究较少，有些研究[9, 12, 14, 16]利用气候模式考虑一些人类排放情景，对未来北冰洋的气候变化与中纬度气候变化的联系做了进一步的预估。多数研究采用CMIP5模式及其集合，考虑人类排放情景RCP4.5 (中排放)和RCP8.5 (高排放)或SRES A1B (中排放)，计算并分析到21世纪后期的气候变化预估(见表 3和表 4)。预估表明：(1) 多数CMIP5模式在RCP4.5情景下，预估2079—2100年相对于1979—2000年北半球冬季各地区变暖，尤以北冰洋地区最明显(变暖在4℃以上)，最大在白令海可达6~7℃；(2) 有些研究给出，巴伦支海和喀拉海海冰减少10%以上，对应欧洲出现冷冬的比率明显增大；(3) 21世纪前50年尽管全球和欧洲年平均气温继续变暖，但是冬季欧洲中纬度地区出现寒冬的频次还是会多于气候平均值；(4) 需要强调的是，多数气候模式预估研究没有很肯定地给出这样的预估结论：夏、秋季北冰洋海冰明显减少，对应冬季中纬度大陆一定是出现寒冬。

表 3 自2009年以来气候模式做北冰洋与中纬度大陆冬季气候变化的预估 Table 3 Projections of climate change over Arctic and continents of Northern mid-latitudes since 2009

表 4 13个CMIP5模式和集合平均在4个时期模拟或预估的巴伦支海－喀拉海的海冰减少10%以上相应欧洲冷冬月数的比例[14] Table 4 Ratio of months of cold winters as the sea ice decreased by more than 10% over Barents and Kara Seas as simulated or projected by 13 CMIP5 models and their ensemble at four periods[14]

综上所述，多数气候模式可以模拟出21世纪以来夏、秋季北冰洋增暖、海冰减少，以及冬季中纬度大陆出现寒冬频繁的现象和相应的过程与机制，但是有些模式不能够模拟出这种联系。多数气候模式预估未来由于人类排放继续增加，全球变暖，北冰洋明显变暖和海冰减少。部分模式预估当巴伦支海和喀拉海海冰减少在10%以上，相应欧洲出现冷冬的比例明显加大。需要指出的是，由于气候模式的不确定性，因此有待进一步发展模式，进而做更深入的研究，探讨大陆寒冬频繁和暴雪增多是否与北冰洋变暖和海冰融化有因果联系。

参考文献
[1]
Honda M, Inoue J, Yamane S. Influence of low Arctic sea-ice minima on anomalously cold Eurasian winters[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(36): 262-275.
[2]
Cohen J, Jones J. A new index for more accurate winter predictions[J]. Geophysical Research Letters, 2011, 38: L21701.
[3]
Overland J E, Wang M, Walsh J E, et al. Climate model projections for the Arctic[R]//Snow, water, ice and permafrost in the Arctic (SWIPA):Climate Change and the Cryosphere. Oslo, 2011
[4]
Inoue J, Masatake E H, Takaya K. The role of Barents sea ice in the wintertime cyclone track and emergence of a warm-Arctic cold-Siberian anomaly[J]. Journal of Climate, 2012, 25(7): 2561-2568. DOI:10.1175/JCLI-D-11-00449.1
[5]
Outten S D, Esau I. A link between Arctic sea ice and recent cooling trends over Eurasia[J]. Climate Change, 2012, 110: 1069-1075. DOI:10.1007/s10584-011-0334-z
[6]
Liu J P, Curry J A, Wang J A, et al. Impact of declining Arctic sea ice on winter snowfall, proceedings of the national academy of sciences of the United States of America[J]. 2012, 109(11):4074-4079
[7]
Zhang X D, Lu C H, Guan Z Y. Weakened cyclones, intensified anticyclones and recent extreme cold winter weather events in Eurasia[J]. Environmental Research Letters, 2012, 7(4): 044044. DOI:10.1088/1748-9326/7/4/044044
[8]
Tang Q, Zhang X, Yang X, et al. Cold winter extremes in northern continents linked to Arctic sea ice oss[J]. Environmental Research Letters, 2013, 8(1): 014036. DOI:10.1088/1748-9326/8/1/014036
[9]
Cohen J, Screen J A, Furtado J C, et al. Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(9): 627-637. DOI:10.1038/ngeo2234
[10]
Sorokina S, Li A, Wettstein C, et al. Observed atmospheric coupling between Barents sea ice and the warm-Arctic cold-Siberian anomaly pattern[J]. Journal of Climate, 2016, 29(2): 495-511. DOI:10.1175/JCLI-D-15-0046.1
[11]
Petoukhov V, Semenov V A. A link between reduced Barents-Kara sea ice and cold winter extremes over northern continents[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2010, 115(D21): 6128-6129.
[12]
Deser C, Tomaas R, Alexander M, et al. The seasonal atmospheric response to projected Arctic sea ice loss in the late twenty-first century[J]. Journal of Climate, 2010, 23(2): A53.
[13]
Kay J E, Raeder K, Gettelman A, et al. The boundary layer response to recent Arctic sea ice loss and implications for high-latitude climate feedbacks[J]. Journal of Climate, 2011, 24(1): 428-447.
[14]
Yang S T, Christensen J H. Arctic sea ice reduction and European cold winters in CMIP5 climate change experiments[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(20): L20707.
[15]
Rinke A, Dethloff K, dorn W, et al. Simulated Arctic atmospheric feedbacks associated with late summer sea ice anomalies[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2013, 118(118): 7698-7714.
[16]
Grassi B, Redaelli G, Visconti G. Arctic sea ice reduction and extreme climate events over the Mediterranean region[J]. Journal of Climate, 2013, 26(24): 10101-10110. DOI:10.1175/JCLI-D-12-00697.1
[17]
Screen J A, Simmonds I, Deser C, et al. The atmospheric response to three decades of observed Arctic sea ice loss[J]. Journal of Climate, 2013, 26: 1230-1248. DOI:10.1175/JCLI-D-12-00063.1
[18]
Walsh J E. Intensified warming of the Arctic:causes and impacts on middle latitudes[J]. Global and Planetary Change, 2014, 117(3): 52-63.
[19]
Vihma T. Effects of Arctic sea ice decline on weather and climate:a review[J]. Surveys in Geophysics, 2014, 35(5): 1-40.
[20]
Mori M, Watanabe M, Shiogama H, et al. Robust Arctic sea-ice influence on the frequent Eurasian cold winters in past decades[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(12): 869-873. DOI:10.1038/ngeo2277
[21]
Peings Y, Magnusdottir G. Response of the wintertime Northern Hemisphere atmospheric circulation to current and projected Arctic sea ice decline:a numerical study with CAM5[J]. Journal of Climate, 2014, 27(1): 244-264. DOI:10.1175/JCLI-D-13-00272.1
[22]
Kug J S, Jeong J H, Jang Y S, et al. Two distinct influence of Arctic warming on cold winter over North America and East Asia[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(10): 759-762. DOI:10.1038/ngeo2517
Evaluation on Warm Arctic and Cold Winter Continents as Simulated by Climate Models and Its Projection in Future