基于累积零下温度评估冬季气候变化

摘要：冬季平均温度及极端温度指数会掩盖与冻融过程相关的累积零下温度亏损。然而，关于这些过程的变率及其驱动因素的系统性评估仍然不足。本研究利用台站观测、再分析场以及CMIP6（第六次耦合模式比较计划）多模式模拟，评估了1960—2020年中国东北地区冬季累积负温（WANT）的时空变率、大气驱动机制及未来变化轨迹。WANT被定义为冬季日平均气温低于0 °C的累计值。结果表明，WANT以每10年32.86 °C d的速率显著增加（p < 0.01），且低海拔地区增幅最为明显。冬季平均气温以每10年0.38 °C的速率升高（p < 0.01），而冬季零下日平均气温以每10年0.33 °C的速率升高（p < 0.01），这表明仅依据冬季平均增暖可能会高估零下温度条件的衰减程度。WANT的长期变化并未表现出系统性的向北增强，而冷、暖时期的年际异常型在幅度及纬向组织结构上均存在差异。除海冰单一因子外，冷WANT期与暖WANT期分别对应于不同组合的秋季积雪覆盖、海冰和海表温度（SST）异常，这些边界条件共同预调制了差异性的冬季波导结构及东北地区下游波能汇聚。CMIP6集合平均趋势能够再现观测到的WANT变化，误差小于5%。在SSP5-8.5情景下，至2100年WANT预计将增加约600 °C d，超过历史年际变率的全部范围；而SSP1-2.6情景下的变化仅约110 °C d。上述结果强调，在寒冷地区气候评估以及针对冻融敏感生态系统与基础设施的适应策略制定中，应纳入WANT指标。

该文发表于《Advances in Climate Change Research》，围绕“冬季累积负温（WANT）”这一能够直接表征零下冷量累积的新指标，系统评估了东北中国冬季气候变化的历史事实、动力成因与未来演变。研究背景在于，传统冬季气候评估大多依赖季节平均温度、温度变率和极端指数，但这些指标会把零下与零上日温共同平均，难以准确反映冻融转化、潜热交换和生态过程真正依赖的“零下温度暴露”。尤其在接近0 °C时，相变引起的潜热缓冲会使常规温度指标对冬季热状况的判断产生偏差，因此有必要采用物理意义更直接、对冻融过程更敏感的累积零下温度指标。

当前研究中的核心问题主要有三点。其一，冬季平均增暖是否等同于零下冷量的减弱，尚缺乏严格检验。其二，WANT在区域尺度上的时空演变特征、空间异质性及其是否遵循简单的纬向梯度，并未被系统刻画。其三，影响WANT异常的环流动力机制虽然可能与海冰、积雪和海温有关，但这些因子如何共同作用、并通过行星波传播和同温层—对流层耦合影响东北中国冬季冷量状态，仍缺乏整合分析。东北中国位于西伯利亚冷源与东亚季风系统之间，是极地—热带相互作用和全球遥相关影响显著的过渡区，因此非常适合作为研究冬季累积负温变化及其成因的关键区域。

研究人员据此开展了多源资料联合研究，系统量化了1960—2020年东北中国WANT的变化趋势、冷暖异常年的空间结构差异，分析了相关海气边界条件、遥相关型、波活动通量（WAF）和罗斯贝波源（RWS）的作用，并利用CMIP6历史试验和未来情景预估WANT到21世纪末的变化。研究表明，东北中国WANT在过去60年显著增加，意味着冬季累积零下冷量总体减弱；与此同时，冬季平均气温的增暖速度高于零下日平均气温增暖速度，说明传统冬季平均增暖可能高估了零下热状况的衰减幅度。研究还发现，WANT的长期变化并不表现为简单的“越往北变化越强”，而是具有明显的相位依赖性和空间非均一性。冷期与暖期分别对应不同的秋季积雪、海冰和海表温度异常组合，并通过差异化的冬季行星波导结构、下游波能汇聚以及垂直波传播，塑造东北中国不同的冬季冷量状态。

方法概括：研究基于中国气象局112个高质量地面气象站1960—2020年逐日平均气温资料，计算东北中国冬季累积负温（WANT）；结合NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海表温度和海冰资料、遥相关指数以及32个CMIP6全球气候模式历史与SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5情景模拟，采用百分位法识别冷暖WANT年，并利用合成分析、相关分析、REOF（旋转经验正交函数）、k-means聚类、波活动通量和罗斯贝波源诊断大尺度动力机制。

3.1. WANT的时空特征
该部分首先建立了东北中国WANT的长期演变事实。研究显示，1960—2020年WANT以每10年32.86 °C d的速率显著增加，表明区域冬季累积零下温度赤字持续减弱。按20%和80%分位数划分，1964—1986年冷年更为常见，而1987年以后暖年明显增多，说明20世纪80年代中后期存在显著年代际转折。空间上，WANT并不呈现均一变化，而具有明显异质性。研究指出，长期趋势并无系统性向北增强；相反，在异常冬季中，南部地区的WANT异常幅度往往大于北部。冷期以区域大部负变化占优为特征，暖期则表现为南部负变化集中、北部正异常更广泛分布。海拔效应同样重要：高海拔地区WANT变化通常更缓慢，说明近冰点热状况对气候变暖的响应具有明显高程依赖性。该部分的意义在于表明，东北中国冬季变化不能仅由纬度控制的平均增暖加以概括，而应从累积冷量及其空间重组角度理解。

3.2. 冷期与暖期对比的大尺度环流型
该部分通过合成分析揭示了WANT异常背后的大尺度环流背景。研究发现，冷期与暖期均与多个遥相关型和环流指数显著相关，包括北大西洋涛动（NAO）、西太平洋型（WP）、东大西洋/西俄罗斯型（EA/WR）、极地—欧亚型（POL）、斯堪的纳维亚型（SCA）以及北半球极涡强度指数（NHI）、亚洲纬向环流指数（AZC）和亚洲经向环流指数（AMC）。在冷期，近地层北大西洋与西太平洋出现冷海温异常，欧亚大陆存在显著低温，北大西洋海冰浓度偏高，北西伯利亚积雪覆盖减少；北欧亚大陆海平面气压（SLP）以正异常为主，中高纬度地区地面盛行偏北风。500 hPa和200 hPa高度场同时呈现类波列结构：北西伯利亚高纬和格陵兰为两个正位势高度异常中心，而西欧、东亚和北美东部为三个负异常中心。暖期则基本呈现相反位相，地面偏南风增强，高空表现为与冷期镜像相反的波列型。该部分说明，WANT冷暖异常并非单纯热力过程结果，而与半球尺度海气异常及其调控的大尺度环流组织密切相关。

3.3. 冷期与暖期动力结构的主导机制
为证明上述环流型并非抽样偶然性，研究进一步使用Plumb波活动通量、Takaya-Nakamura水平波活动通量和线性化罗斯贝波源开展动力诊断。结果显示，源自东欧的中纬度罗斯贝波列是影响东北中国WANT的重要动力通道。冷期时，50°—70°N平均的Plumb波活动通量呈现更强的垂直耦合特征：200—10 hPa的30°—120°E区域以上传分量占优，而120°E上空及0°—30°E对流层内波活动增强，说明同温层—对流层之间的垂直波传播被强化。与此同时，巴芬湾、西北欧、东亚和楚科奇—博福特海存在负RWS异常，巴伦支—喀拉海和北大西洋中纬度则为正RWS异常，这种配置有利于局地涡度强迫维持和波列再生，并增强东北中国上空的下游波能汇聚。暖期中，0°—60°E上空100—10 hPa以下传特征增强，而90°—120°E的上传波活动减弱；对应的RWS异常符号也与冷期相反，显示扰动维持能力减弱、同温层反馈受抑。由此可见，冷期更有利于形成强的垂直波耦合和持续性冷季扰动，暖期则对应较弱的上传能量输送和不利于冷扰动维持的动力环境。该部分将WANT异常与秋季边界强迫—冬季波导结构—东北中国下游能量汇聚这一链条联系起来，揭示了其动力学基础。

3.4. CMIP6对WANT历史变化与未来变化的模拟
在模式评估与预估部分，研究将台站结果与CMIP6历史模拟进行对比。多模式集合平均给出的1960—2014年WANT趋势为每10年34.5 °C d，与观测的每10年32.86 °C d高度一致，区域平均误差低于5%，说明CMIP6能够较好再现东北中国冬季累积负温的历史变化事实。但模式在空间上普遍呈现更平滑、更均一的增暖分布，难以充分表达台站记录中存在的局地异质性和斑块状差异，这与集合平均会平滑局地极端温度空间变率的认识一致。未来情景方面，不同共享社会经济路径（SSP）之间差异显著：SSP5-8.5下WANT增速达每10年77.4 °C d，明显高于历史水平；SSP2-4.5下约为每10年33.6 °C d，接近历史趋势；SSP1-2.6下则限制在每10年13.7 °C d。到21世纪末，SSP5-8.5情景下WANT累计增加约600 °C d，SSP2-4.5约300 °C d，SSP1-2.6约110 °C d。尤其在高排放情景下，未来变化幅度将超过历史年际变率范围，意味着东北中国将进入近代观测经验之外的冬季累积冷量新状态。该部分的重要结论是，减排路径将直接决定冬季零下热状况的未来强度与风险上限。

讨论部分进一步强调了WANT相较传统冬季平均温度指标的独特价值。研究指出，1960—2020年东北中国冬季平均气温升高速率为每10年0.38 °C，而冬季零下日平均气温仅升高每10年0.33 °C。由于冬季平均气温同时整合了零下和零上日温，对0 °C附近相变潜热缓冲更敏感，因此容易放大对“零下热环境衰减”的判断。换言之，若仅依据冬季平均增暖，可能会高估冻融敏感系统所经历的零下条件减弱程度。讨论还指出，WANT在东北中国揭示的是一种相位依赖的累积冷量重组，而不是简单的由南向北增暖；1986/1987年前后转折后，冷暖冬季出现更清晰分化。进一步地，秋季海冰、积雪与海温异常的组合具有明显预调制作用，它们通过改变冬季行星波导和东北中国所处的动力位置，分别对应冷期的下游波能汇聚与暖期的扰动耗散。最后，未来WANT的大幅增加意味着多年冻土退化、寒冷适生物种风险增加、供暖需求与基础设施压力上升等生态和社会经济脆弱性可能增强，因此累积零下温度指标应纳入寒区气候风险评估框架。

结论：本研究揭示，1960—2020年东北中国WANT显著增加，其空间变率受纬度、经度和地形海拔共同调制，且低海拔地区增幅更为突出。冬季平均气温以每10年0.38 °C的速率升高，而零下日平均气温以每10年0.33 °C的速率升高，表明冬季平均增暖可能高估零下条件衰减的程度。1986/1987年前后存在统计显著的转折，之后暖冬出现得更频繁。观测到的WANT变率反映出热力—动力耦合机制：秋季地表边界条件调制冬季行星波导结构及东北中国下游波能汇聚，从而塑造冷、暖WANT期的对比。CMIP6预估能够以低于5%的误差再现观测趋势；到21世纪末，东北中国WANT在SSP5-8.5情景下预计增加约600 °C d，在SSP1-2.6情景下约增加110 °C d。这些发现表明，在持续零下和频繁冻融转换显著的地区，采用累积零下温度指标诊断冬季气候变化具有重要科学意义与应用价值。