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聂羽，孙颖等 国家气候中心气候研究开放实验室 2025年09月08日
“一夜降温20℃”、“暴雪冻雨致春运交通瘫痪”、“北美极寒冲击能源统”……近年来，极端寒潮事件频发，对民生、经济与社会运行带来严峻挑战。一些研究认为，在全球气候变化、尤其是北极快速增暖的背景下，中纬度极端寒潮反而增强。但一项刚刚发表于《Nature Communications》的最新研究却揭示：北半球中高纬度地区的极端寒潮强度，实际上在过去60年中显著减弱！该研究由国家气候中心联合加拿大维多利亚大学、美国加州大学洛杉矶分校共同完成，系统量化了北半球极端寒潮的长期变化，并揭示其背后的物理机制与人类活动影响。
极端寒潮是指在短时间内出现的大幅降温现象，对人类社会健康、能源供应和生态系统具有重大影响。尽管学界对气候变暖背景下温度逐日变率和极端低温事件的变化已有充分认识，但对极端寒潮的长期变化及其驱动机制的理解仍存在不足。本研究揭示：北半球中高纬度大陆地区的秋冬极端寒潮强度在过去60年间已显著减弱，而低纬度地区则基本保持不变。人类活动导致的非线性温度平流减弱是极端寒潮减弱的关键驱动因素。
极端寒潮强度在中高纬显著减弱的观测证据：综合最新多源观测资料，量化了北半球极端寒潮强度（季节内最大降温）的气候变化趋势。研究利用多套观测数据和大样本数值模式模拟发现，北半球中高纬度地区的极端寒潮强度在过去60年间显著减弱1-2℃，而低纬度地区变化不大（图1）。这种空间型态显著不同于极端低温的整体减弱。
图1 1960-2022年极端寒潮强度（日温度变化率∂T/∂t）的历史变化趋势。(a)基于ERA5再分析数据的秋季趋势，(b)冬季趋势。(c-h)分别为CESM2、CanESM5和MIROC6模式在历史全强迫(ALL-forcing)模拟中的集合平均趋势单位均为K/day/decade。(a)(b)图中黑点表示通过5%显著性检验的趋势，(c)-(j)图中黑点表示大样本集合中超过75%成员达成趋势方向一致
人类活动对极端寒潮的影响：研究发现，中高纬度地区观测到的极端寒潮强度变化与全强迫条件下的模拟结果高度吻合，表明外部强迫在这些变化中起关键作用。为量化人类活动的影响程度和时间节点，研究将观测趋势（信号）与模式模拟趋势的变率（噪声）进行对比，计算了1960年起不同时段的信噪比。结果显示：与CESM2和MIROC6模拟的噪声相比，ERA5数据在中高纬度的寒潮减弱信号自2005年起就达到统计显著性（图2）。这一结果表明，人类活动显著减弱了极端寒潮的强度。
图2 极端寒潮强度趋势的信噪比随时段的关系。横坐标表示以1960年（冬季DJF）或1961年（秋季SON）为起点的时段终止年份。左两列为50°N-80°N区域平均结果，右两列为20°N-50°N区域结果。上、中、下三行分别对应使用CESM2、CanESM5和MIROC6模型模拟计算趋势噪声的结果。(a,e,i)和(c,g,k)为秋季(SON)结果，(b,f,j)和(d,h,l)为冬季(DJF)结果。ERA5再分析数据计算的信号（趋势）以粗实线表示，各模型单独运算结果用灰色线条表示，品红色线表示5%显著性水平的阈值
物理机制—非线性温度平流主导：通过近地面热力学收支诊断，揭示了极端寒潮强度变化的物理机制。中高纬度寒潮强度主要受水平温度平流驱动，非绝热加热次之，绝热过程在青藏高原和落基山等大地形附近作用显著。进一步分解表明：非线性温度平流（异常风对温度梯度异常的平流输送）是总温度平流变化的主导因素。ERA5与CESM2大样本集合均显示，非线性温度平流的长期趋势与寒潮强度变化趋势高度一致。非线性温度平流的分解表明：长期趋势主要源于温度梯度变化，而风场因素仅在ERA5数据中表现为欧洲减弱和北美部分增强的区域性影响，模式中则不显著（图3）。
图3 温度梯度与风场对非线性温度平流长期趋势的贡献分解。(a)基于ERA5再分析数据的冬季(DJF)非线性温度平流趋势；(c,e)分别展示温度梯度变化和风场变化的贡献分量。(b,d,f)为对应的CESM2集合平均结果，单位均为K/day/decade
未来预估极端寒潮将继续减弱：大样本集合模拟预估表明，相较于历史时期（1980-2014年），中高纬度地区极端寒潮强度在2065-2099年间将持续减弱。到21世纪末，三个模式均显示中高纬寒潮强度呈减弱趋势。这种寒潮减弱趋势与水平温度梯度降低的预估结果高度吻合。低纬度地区无论是寒潮强度还是温度梯度，所有模式均预估仅会出现微弱变化。
尽管极端寒潮整体减弱，但其社会影响不容忽视。研究提醒，能源系统、交通和公共卫生的脆弱性可能因寒潮减少而被低估，一旦发生异常事件仍可能造成重大损失（如2024年中国春运寒潮）。未来需针对性加强极端天气早期预警，并优化基础设施韧性设计。
该研究由国家气候中心聂羽研究员（第一作者）、国家气候中心孙颖研究员（通讯作者）、加拿大维多利亚大学张学斌院士和加州大学洛杉矶分校陈刚教授等人合作完成。
【引文信息】
Nie Y, Sun Y, Zhang XB, and Chen G. 2025: Human-induced changes in extreme cold surges across the Northern Hemisphere. Nat. Commun., 16, 8086. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62576-2
拟稿：聂羽；校稿：孙小婷； 审核：吴捷、左金清 | 
发表于 2025-9-8 16:12:51
