北极海冰是全球气候变化的指示器，全球变暖在北极地区表现最为明显，即北极影响放大(Arctic Amplification，AA)现象(Overland et al，2004)。观测研究表明，近年来夏季的北极海冰覆盖范围加速缩小(Serreze et al，2007；Comiso et al，2008)，多年冰不断减少(Comiso，2012)，海冰厚度也不断减小(Kwok et al，2009)。一系列研究表明，北极海冰的变化对北半球气候有重要影响。Francis等(2012)研究表明，北极影响放大现象导致北半球中高纬度对流层低层的经向温度梯度以及1000—500 hPa等压面层间厚度的经向梯度减小，引起罗斯贝波向东传播的速度降低，从而导致北半球中纬度极端天气事件多发。但Screen等(2013)指出，北极影响放大对北半球中纬度天气的影响存在区域差异以及不确定性。同时，大量研究表明，秋季北极海冰覆盖范围的变化对冬季北半球的天气存在滞后影响。Francis等(2009)及Hopsch等(2012)研究指出，秋季北极海冰覆盖范围的变化影响北半球冬季的天气形势，但这种影响存在区域差异。Honda等(2009)研究表明，欧亚大陆冬季的异常寒冷天气与秋季北极海冰覆盖范围的极小值有关。此外，Liu等(2012)研究表明，在秋季北极海冰异常偏少年，冬季北半球的海平面气压场表现出类似但又区别于典型负相位北极涛动(AO)的分布型，在这种环流型及海冰减少提供更多水汽的共同作用下，北半球冬季的气温偏低且降雪显著增多。

关于北极海冰对中国天气及气候的影响，中国学者做了大量研究。武炳义等(1999，2001，2011a，2011b)的研究分别表明，冬季喀拉海和巴伦支海的海冰面积与同期的东亚冬季风强弱成反相关关系；冬季巴伦支海海冰面积与后期春季的北太平洋中部海平面气压成正相关而与阿留申低压强度成反相关，且与后期夏季的亚洲大陆热低压强度、西太平洋副热带高压强度以及东亚夏季风均为正相关；秋冬季北极海冰面积与冬季西伯利亚高压强度为负相关而与亚欧大陆中高纬度地表温度为正相关，且9月的海冰面积可为西伯利亚高压强度的预测提供前期信号；春季北极海冰可作为东亚夏季风和中国夏季降水变化的先兆因子。高清清等(2011)和解小寒等(2006)研究表明，冬季北极海冰异常与同期的中国气温、西伯利亚高压、阿留申低压以及东亚冬季风的变化关系密切。王小兰等(1992)和柏晶瑜等(2000)分别讨论了长江汛期水情和华北地区旱涝等灾害性天气与北极海冰的关系。

目前，国际上关于北极海冰对北半球天气及气候的影响方面比较一致的研究结论是，北极海冰确实影响着北半球的天气及气候变化，但这种影响存在区域差异。而中国关于北极海冰对中国天气及气候的影响的大量研究中，缺乏专门针对秋季北极海冰异常对中国冬季气温的滞后影响的研究。并且，近年来，中国频繁出现冷冬及冬季低温灾害天气，其产生原因及机制亦无定论。所以，在中外一系列研究的基础上，针对中国气候变化及天气灾害研究的需要，选取中国为研究区域，使用中国的地面观测资料等数据，详细分析了秋季北极海冰变化对中国冬季的平均气温、日气温变率以及异常低温天气发生频次的影响，以期揭示中国出现冷冬及低温灾害天气的可能原因。

海冰资料采用美国国家冰雪资料中心(NSIDC)提供的海冰密集度(Near-Real-Time DMSP SSM/I-SSMIS Daily Polar Gridded Sea Ice Concentrations)，及海冰范围(Sea Ice Extent)观测资料，海冰密集度及海冰范围的具体定义见Parkinson等(1999)。海冰资料的时间范围是1978年至今，海冰密集度的空间分辨率是25 km(Maslanik et al，1999；Fetterer et al，2002)。中国区域的日气温资料采用中国气象局提供的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，该数据源于中国824个基准站及基本气象站的站点观测，时间范围从1951年1月1日至今。中国区域的月平均气温数据采用中国气象局提供的中国地面气候资料月值数据集，该数据源于中国756个基本、基准地面气象观测站及自动站的站点观测，时间范围从1951年1月至今。并且使用了中国气象局国家气候中心气候系统诊断预测室制作的74项环流特征量资料中的亚洲极涡面积指数(王遵娅等，2009)。海平面气压的日资料以及月平均资料、近地面气温的月平均资料、850和500 hPa的风场及温度的月平均资料及500 hPa的位势高度资料均采用美国国家环境预报中心美国国家大气研究中心提供的再分析数据(NCEP/NCAR Reanalysis Ⅰ)，时间范围是1948年至今，不同气象要素数据的空间分辨率不同(Kalnay et al，1996)。

利用中国地面气候资料日值数据集(V3.0)的日气温数据计算了中国冬季日气温距平的标准差，用来表征中国冬季气温的日变率(龚道溢等，2004)。本研究中，冬季一致选取为当年11月至次年3月，共5个月(Huang et al，2012)。同时，统计日气温距平为负且绝对值小于2倍冬季日气温距平标准差的天数，作为冬季异常低温天气发生的频次(龚道溢等，2004)。

利用NCEP/NCAR再分析资料里的海平面气压数据，以(40°—60°N，70°—120°E)范围内的区域平均海平面气压代表西伯利亚高压的强度(龚道溢等，2002)，计算了冬季异常强西伯利亚高压的频次(龚道溢等，2004)。冬季异常强西伯利亚高压的频次定义为整个冬季西伯利亚高压强度的日距平为正且大于2倍西伯利亚高压强度的日距平标准差的天数。

利用NCEP/NCAR再分析资料里的近地面气温、海平面气压和500 hPa位势高度3种数据，计算了东亚冬季风指数(晏红明等，2009)。东亚冬季风指数的计算方法有20多种，根据邵鹏程等(2012)的研究，选取了与其他各种东亚冬季风指数的相关性最好的一个指数来表征东亚冬季风强度，该指数综合考虑了海平面气压场、500 hPa位势高度场以及近地面气温3个要素，具体定义见晏红明等(2009)。

本研究中，主要采用相关分析方法与合成分析方法研究秋季北极海冰的异常变化对中国冬季天气的影响，以及影响途径和机理。由于主要研究秋季北极海冰范围的异常变化对中国冬季天气造成的影响，所以文中的相关分析均采用去趋势相关分析。

已有研究(Francis et al，2009；Honda et al，2009；Hopsch et al，2012；Liu et al，2012)表明，秋季北极海冰与北半球冬季气温关系密切。并且，通过对各月北极海冰范围与中国冬季各月气温进行相关分析发现，9、10月的北极海冰范围与中国冬季气温的相关最显著。故本研究中，一致使用9和10月平均的北极海冰范围代表秋季北极海冰范围。根据所用各种资料的时间范围，选取研究时段为1979—2011年。

图 1是秋季北极海冰范围的时间序列，图中虚线为其最小二乘线性趋势线。图 1显示1979—2011年秋季北极海冰范围明显减小。图 2是秋季北极海冰密集度线性变化趋势分布，图中的变化趋势用1979—2011年海冰密集度的变化趋势相对于前5年(1979—1983年)平均的海冰密集度所占的百分比表示，图中大片的蓝色区域为无海冰区。图 2显示多年来秋季北极海冰变化明显，特别是俄罗斯、美国及加拿大以北靠近陆地的大片海域海冰密集度变化近百分之百，即在秋季这些区域的海冰已经基本消失。这种秋季海冰的大范围变化通过海-冰-气的相互作用，可能对中国的气候及天气产生重要影响。

图 1 秋季(9—10月)北极海冰范围的时间序列 Fig. 1 Temporal series of the Arctic sea ice extent in autumn(September to October)

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图 2 秋季(9—10月)北极海冰密集度线性变化趋势分布(变化趋势以相对于前5年(1979—1983年)平均的海冰密集度所占的百分比表示) Fig. 2 Distribution of the linear trend of the Arctic sea ice concentration in autumn(September to October)(The trend is expressed as the percentage relative to the mean sea ice concentration of first five years(1979-1983))

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图 3是秋季北极海冰范围与中国冬季平均气温的去趋势相关系数分布，选取的时段为1979—2011年共33 a。所用资料为756个测站的中国地面气候资料月值数据集，剔除在研究时段有缺测的站点，最终分析图中的601个站点。图中通过95%置信度水平显著性检验的站点用黑色或白色的叉号标记。图 3显示，秋季北极海冰范围与中国各地冬季平均气温相关性最好的区域在华北、华东、东南以及西南和西北的部分地区，且为显著的正相关。在西藏、青海以及东北的部分地区为负相关，但相关不显著。图 3中两者的显著正相关表明，秋季北极海冰异常偏多的年份，中国冬季气温异常偏高，异常偏少的年份，中国冬季气温异常偏低。故去除长期变化趋势后，秋季北极海冰异常偏多的年份中国经常出现暖冬，如根据王凌等(2007)的统计结果，1979—2005年的暖冬有11个，其中只有1990年的秋季北极海冰偏少，其他年份均为秋季北极海冰偏多，且处于秋季北极海冰范围正异常峰值的年份有7个。秋季北极海冰偏少的年份中国冬季容易出现冷冬，如近几年中国冬季偏冷。

图 3 秋季(9—10月)北极海冰范围与中国冬季(11月—次年3月)平均气温的去趋势相关系数分布 Fig. 3 Correlation coefficient between the detrended autumn(September to October)Arctic sea ice extent and the mean winter(November to March)surface air temperature in China

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同时，本研究中分析了秋季北极海冰范围与中国冬季日气温变率的去趋势相关系数分布，结果(图略)显示，秋季北极海冰范围与中国冬季的日气温变率相关很弱，表明秋季北极海冰对中国冬季日气温变率影响较小。

图 4为秋季北极海冰范围与中国冬季异常低温天气频次的相关系数分布。所用资料为824个测站的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，剔除在研究时段内有缺测的站点，最终分析图中的517个站点。图 4显示秋季北极海冰范围与中国各地冬季的异常低温天气发生频次的显著相关区域在华北、东南、西南以及西北和内蒙古的部分地区，且为负相关。在西藏、青海以及西南的部分地区为微弱的正相关。图 4中两者显著的负相关表明，秋季北极海冰异常偏多的年份，中国冬季异常低温天气的发生次数偏少，异常偏少的年份，中国冬季异常低温天气的发生次数偏多。

图 4 秋季(9—10月)北极海冰范围与中国冬季(11月—次年3月)异常低温天气频次的去趋势相关系数分布 Fig. 4 Correlation coefficient between the detrended autumn(September to October)Arctic sea ice extent and the extreme cold weather of winter(November to March)in China

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秋季北极海冰通过对后期北半球大气环流的作用，影响中国冬季气温。秋季北极海冰对北半球冬季环流系统持续的滞后影响主要通过海洋的调节过程产生。Bintanja等(2013)、Overland等(2010)以及Screen等(2010)研究表明，夏秋季北极海冰融化后的开阔水域能够吸收大量的太阳辐射，但这些能量并没有立即使海洋表面温度升高而是储存于海洋内，并且在随后的冬季释放到大气中，从而导致冬季明显的北极影响放大现象。该现象进一步引起北半球中高纬度经向温度梯度和气压梯度、罗斯贝波以及水汽和能量输送等的变化，从而影响到北半球的环流系统(Francis et al，2012；Honda et al，2009；谢永坤等，2013)。此外，冬季北极影响放大现象引起的水汽输送变化还可以导致北半球降雪的变化，从而通过地表辐射过程的变化引起局地温度场以及气压场变化(Jeong et al，2011；Liu et al，2012)。目前关于北极海冰对大气环流影响的研究，主要针对其对北极涛动、北大西洋涛动等大气涛动(武炳义等，2004；Higuchi et al，1999；Huang et al，1998，2006)、北半球对流层中部环流系统(贾建颖等，2006)、北半球大气活动中心(武炳义等，2011a；朱乾根等，1997)和异常环流(季明霞等，2008)以及季风系统(武炳义等，1999)等的影响。大气涛动中影响中国冬季气温的主要是北极涛动(龚道溢等，2003)，但目前对北极涛动与北极海冰相互作用的研究并无一致的结论(Comiso et al，2008)，并且秋季北极海冰异常时的大气环流型并不是典型的北极涛动(Liu et al，2012)；北半球对流层中部环流系统中受北极海冰直接影响的为北半球极涡；在多个北半球冬季大气活动中心中，只有西伯利亚高压对中国冬季气温的影响显著(朱乾根等，1997)；冬季影响中国的季风系统是东亚冬季风，故选取北半球极涡、西伯利亚高压以及东亚冬季风这3种环流系统，对秋季北极海冰影响中国冬季气温的机制进行分析。

本研究中主要使用极涡面积指数以及极涡强度指数对其进行描述，但极涡强度指数与北极海冰的关系纷繁复杂(贾建颖等，2006)，故只选极涡面积指数进行研究。图 5a是秋季北极海冰范围与冬季亚洲极涡面积指数1979—2011年的去趋势距平的时间序列。图 5a显示秋季北极海冰范围与冬季亚洲极涡面积指数为明显的负相关关系，其相关系数为-0.59(表 1)，通过了99%置信度水平的显著性检验。图 5a中两者的负相关表明，秋季北极海冰异常偏多时，冬季亚洲极涡的面积偏小，秋季北极海冰异常偏少时，冬季亚洲极涡的面积偏大。以往研究表明，极涡面积的变化直接影响极地和高纬度冷空气向低纬度的爆发，导致冬季北半球极涡面积减小时中国大部分地区气温随之升高，反之亦然(顾思南等，2006；沈柏竹等，2012)。故秋季北极海冰可以通过影响后期北半球极涡面积的变化影响中国冬季气温。

图 5 秋季(9—10月)北极海冰范围与冬季(11月—次年3月)亚洲极涡面积指数(a)、东亚冬季风指数(b)以及冬季异常强西伯利亚高压频次(c)的去趋势距平时间序列 Fig. 5 Temporal series of the detrended anomalies of autumn(September to October)Arctic Sea Ice Extent(SIE) and the Polar Vortex Area(PVA)index(a)，the East Asian Winter Monsoon(EAWM)index(b)，and the Extreme High Siberia High Frequency(EHSHF)(c)of winter(November to March)

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北半球极涡是北极海冰能够直接影响的环流系统，但对中国冬季天气产生最直接影响的环流系统是西伯利亚高压。一系列研究表明，西伯利亚高压的强度与中国冬季气温成显著的负相关关系(龚道溢等，1999；朱乾根等，1997)。武炳义等(2011a)研究表明，在1979—2010年，9月的北极海冰范围与冬季西伯利亚高压强度成显著的负相关关系，其去趋势相关系数达-0.6(表 1)，通过了99%置信度水平的显著性检验。这表明，秋季北极海冰异常偏多时，西伯利亚高压偏弱，导致中国冬季平均气温偏高；异常偏少时，西伯利亚高压偏强，导致中国冬季平均气温偏低。

东亚冬季风是北半球冬季最为活跃的环流系统之一，东亚冬季风直接影响中国冬季的气温变化(贺圣平等，2012；刘舸等，2013)。图 5b是秋季北极海冰范围与东亚冬季风指数(EAWM)1979—2011年去趋势距平的时间序列。图 5b显示秋季北极海冰范围与东亚冬季风指数成明显的负相关，其相关系数为-0.37(表 1)，通过了95%置信度水平的显著性检验。图 5b中两者的负相关表明，秋季北极海冰异常偏多时，东亚冬季风偏弱；异常偏少时，东亚冬季风偏强。由于东亚冬季风偏强时，中国大部分地区的冬季平均气温偏低(贺圣平等，2012；刘舸等，2013)，故秋季北极海冰可以通过对东亚冬季风的作用，影响中国冬季天气。

异常低温天气由环流系统的异常变化引起，故选取冬季对中国气温影响最显著的环流系统—西伯利亚高压为研究对象进行分析。图 5c是秋季北极海冰范围与冬季异常强西伯利亚高压发生频次(EHSHF)1979—2011年去趋势距平的时间序列。图 5c显示秋季北极海冰与冬季异常强西伯利亚高压频次成显著的负相关，相关系数为-0.64(表 1)，通过了99%置信度水平的显著性检验。图 5c中两者的负相关表明，秋季北极海冰偏多时，异常强西伯利亚高压出现的频次偏少，反之亦然。由于异常强的西伯利亚高压容易导致大量冷空气向中国输送，常引起寒潮等异常低温天气(王遵娅等，2006；张自银等，2008)，故秋季北极海冰可以通过影响冬季异常强西伯利亚高压出现的频次对中国冬季异常低温天气的发生频次造成影响。

为了直观地分析秋季北极海冰异常时，北半球冬季环流形势的特点。分别选取秋季北极海冰范围的去趋势距平大于0.6倍标准差的年份和小于-0.6倍标准差的年份为多冰年和少冰年进行合成分析。多冰年为1986、1988、1992、1994、1996、1999、2000、2001和2003年，少冰年为1979、1981、1984、1985、1990、2007、2010和2011年。图 6为少冰年减去多冰年的冬季850 hPa高度的风场以及温度场的差值分布，图中填充色代表温度差，红色箭头表示风场的矢量差。500 hPa的合成分析结果(图略)与850 hPa类似。由图 6可见，少冰年减去多冰年的风场的矢量差在亚欧大陆西北部表现为明显的反气旋式结构，这表明少冰年在该处有较强的反气旋式环流。在这一偏强反气旋式环流系统的影响下，少冰年减去多冰年的风场的矢量差在中国以北的高纬度地区为偏南指向，表明少冰年时中国以北高纬度的偏北风较强，从而有利于冷空气向中国的输送。并且图 6显示，在中国及其以北中高纬度地区高空的气温明显偏低，故南下到中国的冷空气异常偏冷，造成中国冬季的平均温度偏低，并且异常低温天气频发，容易发生低温灾害。

图 6 少冰年减去多冰年的冬季(11月—次年3月)850 hPa的风场以及温度场的差值分布 Fig. 6 Difference of 850 hPa wind field(vector) and temperature field(shading)in winter(November to March)(less ice years minus ice years)

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近几十年来秋季北极海冰范围减小趋势明显，特别是在俄罗斯、美国及加拿大以北靠近陆地的大片海域秋季的海冰已经基本消失。

秋季北极海冰范围与中国各地冬季的平均气温在华北、华东、东南以及西南和西北的部分地区为显著正相关，在西藏、青海以及东北的部分地区为不显著的负相关。秋季北极海冰异常偏多时，中国冬季常为暖冬，异常偏少时，中国冬季多为冷冬。

秋季北极海冰范围与中国各地冬季的异常低温天气的发生频次在华北、东南、西南以及西北和内蒙古的部分地区为显著负相关，在西藏、青海以及西南的部分地区为微弱的正相关。秋季北极海冰异常偏多时，中国大部分地区冬季异常低温天气发生频次较少；异常偏少时，中国大部分地区冬季异常低温天气发生的较为频繁。

秋季北极海冰通过对后期北半球极涡、西伯利亚高压以及东亚冬季风的作用影响中国冬季气温。秋季北极海冰异常偏多时，冬季的亚洲极涡偏小、西伯利亚高压偏弱且东亚冬季风偏弱，这种环流形势下中国冬季受高纬度冷空气的影响较小，故常为暖冬。秋季北极海冰异常偏少时，冬季的亚洲极涡偏大、西伯利亚高压偏强且东亚冬季风也偏强，这种环流形势下中国冬季易受高纬度冷空气影响，故中国常为冷冬，且异常低温天气频发。此外，秋季北极海冰异常偏少时，冬季常出现异常强西伯利亚高压，从而导致中国易受强冷空气的影响，发生异常低温天气。

合成分析结果表明，在少冰年的冬季，中国以北的亚欧大陆高纬度偏北风较强，且中国及其以北的中高纬度地区的空气异常偏冷，从而导致少冰年极地和高纬度的冷空气易向中国侵袭，造成中国冬季偏冷，且异常低温天气频繁。由于冬季的异常低温天气容易产生灾害，故异常少冰年中国冬季的天气变化更应得到关注。

需要指出，本研究中对秋季北极海冰影响中国冬季气温的机制分析主要从秋季北极海冰对影响中国冬季气温的主要环流系统的滞后影响入手。但文中并没能详细讨论秋季北极海冰影响中国冬季气温的完整过程。其中，秋季北极海冰产生滞后影响所涉及到的一些海洋过程、海-气相互作用过程以及降雪变化导致的陆-气相互作用过程等方面(Bintanja et al，2013；Jeong et al，2011；Liu et al，2012)，还需要通过观测和模式模拟的结合进行后续的深入研究。