在全球变暖背景下，地球三极（北极、南极、青藏高原）的海冰、陆面冰川和积雪融化速率加快，水分相态的变化通过反照率效应和水文效应等影响海表和地表净辐射、地表能量分配、水循环等，进而通过反馈过程影响局地和全球天气气候。近年来，研究发现北极海冰消融加剧了北半球中纬度极端天气和气候发生，青藏高原雪盖异常与长江流域暴雨的发生也存在密切关联。然而，三极热力异常强迫对极端事件的协同影响并没有受到足够的关注。中心张杰教授、陈海山教授、尹志聪教授等合作，针对2022年夏季极端事件及其与三极热力异常之间的关联性开展了研究，最新成果发表于国际期刊npj CAS。主要结论如下：
1. 2022年夏季极端事件的群发性特征
图1显示了2022年7-8月北半球气温异常和极端降水的空间分布，北美西部、西欧-东欧、东西伯利亚和中国长江流域等地出现了3℃以上的温度正异常，较好地反映了这些区域的夏季极端高温事件。此外，在温度负异常的几个区域则出现了三次破纪录的极端强降水事件，包括巴基斯坦夏季洪涝、5月21日至6月21日的华南龙舟水、8月7日至11日的韩国洪涝和中国东北夏季的极端降水。上述极端事件具有明显群发性特征，研究建立基于温度的群发性指数（TCI）能较好再现极端温度和强降水发生日数的分布。TCI高值年（2003、2006、2012、2013、2018和2022）均有极端事件发生；；例如2018年中国和欧洲的热浪、2003年东亚热浪、2013年全球高温以及2010年频繁发生的极端事件等，部分极端事件被证明受到北极增暖和海冰消融的影响。
图1. 2022年7-8月气温异常及三个极端降水区域的春-夏季降水量分布
2.极端事件群发性与春末夏初三极暖异常的关联
用TCI对南北极4-6月地表气温和5-6月土壤湿度进行了回归分析。表明群发性极端事件与北极、南极和青藏高原的水热异常之间存在密切关联。图2给出2022年的4-6月异常气温和5-6月土壤湿度异常分布，反映了2022年春末夏初北极和南极关键地区的显著变暖，气温异常超过4°C；变暖异常加剧青藏高原5-6月的融雪和土壤湿度上升，三极的暖异常均达到了自1979年以来的破纪录值。对应三极水热因子的高值年份与TCI的高值年份相一致，表明三极水热因子与群发性极端事件之间可能存在关联性。将三极水热因子、温度极端事件日数和降水极端事件日数进行相关性分析，发现三极水热因子之间、极端温度与降水、三极水热因子与极端温度与降水之间均具有显著相关性，表明三极之间的关联、极端事件的群发性特征以及三极与群发性极端事件之间的联系。基于CESM模式对春末初夏三极关键区冰盖和雪盖减少50%的试验进行模拟，模式基本能模拟出极端事件关键区的温度正异常和降水正异常，也能模拟出大部分的关键环流特征的变化（图3），说明三极水热异常对北半球极端事件的群发性有重要影响，并对2022年群发性极端事件有明显的放大效应。
图2. 2022年4-6月北极、南极表面温度和5-6月青藏高原土壤湿度异常分布以及关键区温度和土壤湿度的时间序列
图3. 由CESM模式模拟的春末初夏三极热异常四种强迫试验得到的5个温度关键区夏季2米气温（a）、3个北半球关键区和2个南半球关键区降水（b）及环流因子（c-e）的统计结果（四种强迫试验分别为北极区海冰消融和雪盖减少50%、南极区海冰消融50%和SST上升、青藏高原雪盖减少50%、三极冰雪减少50%协同强迫，南半球ESAF和BR的降水量为4-5月，PK和SC的降水量是为6-7月，NEC的降水量为7-8月）
3. 春末夏初三极热力影响夏季群发性极端事件的主要途径
春末夏初三极水热异常影响夏季群发性极端天气的途径存在明显差异。北极暖异常减小北极与中低纬度的温度梯度及NAO模态，进而造成西风急流、波列及副热带高压向北伸展，同时造成波动振幅加大，有助于阻塞活动和极端温度和降水发生；另外，春季北极暖异常也影响春季陆面雪盖和土壤湿度异常，陆面反馈为夏季极端温度的发生提供非绝热加热。南极暖异常减小南极与中低纬度的温度梯度，进而造成波列及副热带高压向南极伸展；作为亚洲季风的成员之一，偏南的马斯克林高压将拉大季风环流的空间范围进而减弱南北半球季风环流系统之间的气压梯度，进而减弱亚洲季风。此外，也会使得整个季风环流系统偏南，有助于水汽在巴基斯坦及华南辐合，加强暴雨发生；南极增暖还通过影响垂直洋流变化影响AMOC，进而对北半球天气气候产生影响。偏高的青藏高原春季土壤湿度减少了高原热力作用，一方面促进了北非和西太副热带高压的对接；另一方面，使得亚洲季风减弱。此外，三者均可激发异常涡旋和波列直接影响极端天气气候，季风和波列还可以通过影响春末夏初陆面土壤湿度和温度，对夏季极端温度和降水产生影响（图4）。
图4. 2022年春末夏初三极暖异常影响夏季群发性极端天气的关键物理过程
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Jie Zhang, Haishan Chen, Xinyu Fang, Zhicong Yin, Rui Hu. 2024. Warming-induced hydrothermal anomaly over the Earth’s three Poles amplifies concurrent extremes in 2022. npj Climate and Atmospheric Science, DOI : 10.1038/s41612-023-00553-6