全球变暖造成严寒天气
2013年1月8日，内蒙古自治区牙克石市，整个市区弥漫在极度寒冷的冰雾之中。据气象部门监测统计，当日呼伦贝尔境内的牙克石、图里河、根河、陈巴尔虎旗、额尔古纳等地最低气温降至-43℃。（CFP/图）
最近三年来，北半球许多地区的冬季都出现了不寻常的恶劣天气。科学家认为，这有可能是北冰洋海冰在夏季的急剧消失造成的。
最近3年，北美和欧洲部分地区的冬季都不同寻常。首先，2009/2011年冬天，美国东海岸、西欧和北欧遭遇了一系列异常寒冷的雪暴天气.。例如，2010年2月，美国华盛顿特区发生“雪魔”雪暴，美国政府停摆将近一个星期。同年10月，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）气候预测中心（CPC）预测，美国东部地区2010/2011年冬季温暖，根据是东太平洋出现拉尼娜现象，比通常海洋温度低。虽然存在拉尼娜现象的调节作用，但是2011年1月美国纽约和费城温度仍然非常低，遭遇了创纪录大雪的袭击，令气候预测中心和其他预测者颇感意外。
2011/2012年冬季的意外事情更多。美国东部出现历史上最温暖冬天之一，而北美其他地区和欧洲却没有那么幸运。美国阿拉斯加2012年1月的平均温度比该月长期平均温度低了10℃，人们措手不及。阿拉斯加一次暴雪就使东南部的许多城镇积雪厚达两米。与此同时，中欧和东欧大面积遭遇寒冷天气，温度降到－30℃，积雪堆至平房屋顶。到2012年2月初积雪消退之时，550多人丧生。
仪器跟踪全球气温已有160年历史，而2002－2012年是其间最温暖的10年，我们该如何解释这10年间发生的这些恶劣天气事件呢？科学家们似乎在极不寻常的时间和地点找到了一个答案——最近，北冰洋海冰夏季消失量创下纪录。
海冰消失创纪录
1989年4月，我首次踏上北极圈，自那以来北极已经发生了巨大变化。最显而易见的变化是，夏季海冰面积不断减少。每到冬季，北冰洋几乎一派冰封。冬季海冰由多年厚冰和一年薄冰构成，前者经过长时间累积而成，后者在头年夏天解冻的无冰海水上形成。每年9月，夏季冰融使海冰面积降到年度最低水平。
1989年，北极冬季海冰面积略大于1400万平方千米。其中，多年厚冰终年都不融化，其面积大约700万平方千米。如今情形大不相同。虽然2011－2012年冬季海冰面积接近1989年水平，但是，2012年9月海冰面积大约只有一半——不到350万平方千米，创夏季海冰面积新低。
夏季北极海冰消失并非渐进或线性的。研究人员1979年开始采用卫星测量海冰面积，从那时到2000年，海冰面积减少并不特别明显。2000－2006年，海冰面积减少速度加快，但是直到2007年，海冰面积减少才出现了令世界瞩目的显著变化。那一年，夏季最小海冰面积减少了26％——从2006年9月的580万平方千米左右减少到2007年9月的430万平方千米左右。多年冰（multiyear ice）面积的减少程度前所未见，促使科学家重新评估他们对北冰洋出现首个无冰夏季的预测时间。根据2007年之前收集的数据，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告预测，首个无冰夏季最可能出现在21世纪末。而现在大多数研究预测，首个无冰夏季可能提早好几十年，预计在2020－2040年期间就会出现。
最近几十年，全球变暖一直在影响北极地区，海冰变化是这种影响结果的放大部分。据观察，最近50年，北极地区平均气温上升了1.6℃以上，而世界其他地区的平均气温自20世纪初以来略有上升，大约只是前者的一半。气候快速变暖已经改变了北极的天气模式，大面积永久冻土因此融化。物理环境变化扰乱了该地区野生动物的重要栖息地，威胁到许多物种的长期生存。与此类似，北极地区原住民因为对该地区寒冷冰雪环境的适应而久负盛名，但他们的生活方式正面临重大干扰，他们的传统文化正遭遇日益严峻的威胁。
虽然上述变化似乎与我们这些生活在极地之外的大多数人没什么关系，但生活在极地之外的人却不能避免北极放大效应和海冰消失带来的影响。中纬度地区的天气模式受到北极气候的影响，由此引出了一个关键问题：全球气候变暖是近期严冬天气爆发的原因吗？或者说，严冬天气爆发正好符合地球自然气候振荡的一般模式吗？
喷流添乱
毫无疑问，20世纪60年代的人们就感受到了气候自然变化过程。20世纪60年代，我在美国华盛顿特区附近长大，在那里度过了10个异常严酷的冬天，冬天上学，我和伙伴们都要艰难走过雪地。现在，科学家认识到，那些寒冷多雪冬天的根源是两种自然气候振荡，如今称为北极涛动（Arctic Oscillation，AO）和北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO），不过当时没有这样称呼。这两种气候振荡源于大气和海洋之间的相互作用，其效应在冬季最明显。
每种振荡的强度由表示异常程度的指数，所谓异常是指，在特定区域，冬季大气压力的分布偏离长期平均值的程度。就北极涛动的情况，受影响区域非常广，包括了北半球大部分地区，从北极一直向南到北纬20度（大致是古巴的纬度）的热带边界。北极涛动指数可以是正值，也可以是负值。正值表示北极气压低于平均气压，亚热带气压高于平均气压。在北极涛动指数呈正值的阶段，北极气压异常低，导致北极极涡（polar vortex）不断加强——极涡是指北极附近的高层大气风场（upper atmospheric winds）由东向西持续循环。加强的极涡往往会把寒冷的北极空气团留在北极圈里。
相反，在北极涛动指数呈负值的阶段，北极地区气压异常高，北极极涡减弱，从而不能限制寒冷的北极气团，寒冷气团向南侵入中纬度地区，使寒冷天气爆发，降雪量增加。在北极涛动指数负值很大的阶段，美国东海岸和北欧特别容易受到这些事件的影响。
北大西洋涛动指数也表示某一区域大气压力在冬季的异常分布情况，但涉及的区域小得多，该区域涵盖亚速尔群岛附近的亚热带高气压中心，与冰岛附近的副北极低气压中心之间的北半球大西洋部分。同北极涛动指数一样，北大西洋涛动指数可以是正值，也可以是负值。正值表示压热带高压中心附近的气压高于平均大气压，副北极低压中心附近的气压低于平均大气压。在北大西洋涛动指数正值条件下，气压差增大，西风增强，西风全年从西向东刮遍北半球中纬度地区。气压差还迫使高速环球气流——称为喷流（jet stream）——沿东北路径从北美东海岸吹向北欧。穿越北大西洋的冬季风暴，沿着类似轨迹，为北欧带去更加湿润温暖的天气。
与此相反，在北大西洋涛动指数负值条件下，气压差减小，西风减弱，喷流离开北美，更加猛烈地向北吹去，到达格陵兰岛，再向南到达欧洲。然而在这种情况下，风暴路径偏离喷流，跨越北大西洋，直接刮向南欧和地中海，为这些地区带去更加湿润暖和的天气。使北欧又寒冷又干燥。
北极涛动和北大西洋涛动是否应当看作两种不同的气候自然变动模式，气候科学家们存在不同看法。一些人认为，北大西洋涛动仅仅是北极涛动在北大西洋的表现；一些人认为，这两种涛动的动力学差异很大，有充足理由把它们看成不同的模式。虽然这两个指数高度相关，但是它们的表现偶尔存在许多重大差异，2011年冬天的情况就是如此。
严冬易现
人类社会排放的温室气体持续改变地球气候系统，任何变化的发生都将影响地球系统的自然气候振荡。区分哪些气候变化是人类引起的很困难，并且需要对假设进行检验。最近的研究提供了新的证据，巩固了如下假设：通过扰乱北极涛动和北大西洋涛动的正常节奏，全球变暖和北极海冰消失正在影响冬季天气。
回顾我的童年时期——20世纪60年代，我们发现北极涛动指数和北大西洋涛动指数负值占压倒性优势，导致美国东海岸和北欧冬天温度低于平均水平，雪量多于平均水平。导致这10年严冬天气出现除了北极涛动和北大西洋涛动自然变动以外，没有其他任何其他因素。相反，从20世纪70年代到90年代，北大西洋涛动指数正值占压倒性优势，只是偶尔会有一个冬天，北大西洋涛动的指数呈负值。由此引发的暖冬与广为人知的全球气候变化相吻合，因此许多科学家推测，温室气体浓度不断升高，可能就是大部分冬季中，北大西洋涛动指数始终呈正值的原因。政府间气候变化专门委员会使用的模型预测，随着温室气体稳步增多，这一趋势将继续下去。然而在20世纪90年代末，冬天里，北极涛动和北大西洋涛动指数一直呈正值的这种现象却突然终结。
虽然北大西洋涛动指数呈正值的冬季时期终结了，但这种变化并非意味着，温室气体不断增多与北大西洋涛动指数之间的假设关系是错误的。当时人们没有预测到，20世纪90年代后期，在北极，全球变暖的放大效应开始加速。（如海冰和冰盖融化使更多颜色更深的海面和地面暴露、减少反射的太阳辐射；永久冻土层融化释放甲烷等。这些都是会造成全球变暖加速的正反馈）。随着这一效应在北极圈发挥作用，气候状况进入另一个时期——美国国家海洋和大气管理局的吉姆·欧文兰德（Jim Overland）及其同事称之为北极暖期（Arctic Warm Period）。这个时期的特点是北极海冰、格陵兰冰盖、永久冻土带和大陆冰川迅速消失。这些变化的中心环节是冰－反照率反馈过程，也就是说，冰面融化，露出更暗的陆地或海洋表面，一个地区反射的阳光会随着冰面融化而减少。
科学家一直很关注冰－反照率反馈。夏季海冰消失，更多海水暴露于阳光下。表面海水吸收太阳辐射，出现过热现象，形成两种重要反馈。首先，部分多余热量进一步增加海冰夏季融化；第二，秋季海洋逐渐向大气释放剩下的多余热量，北极地区大气压力和水分含量升高，同时北极与中纬度地区之间的温差减小。
北极大气压力升高和温差降低，有利于在冬季形成北极涛动和北大西洋涛动指数呈负值的环境条件。这种情况导致极涡和喷流减弱。弱化的极涡难以阻止北极的寒冷气团以及其中的水分进入中纬度地区，造成这些地区出现寒冷天气和雪暴。
此外，喷流减弱，在其运行途中会形成更大的大气波动，这些波动能滞留在某些地方，使这些地方长时间处在严寒中。综合起来，这些大气环流模式变化，往往使北美和欧洲可能出现更频繁更持久的严冬。
然而，其他因素也可以发挥作用。厄尔尼诺－南方涛动现象（ENSO）又是一种以太平洋为中心的强大气候振荡，能够强烈影响美国大陆的冬季天气。在美国东部，喷流在厄尔尼诺年向南转移，形成更冷更酷的冬季天气；在拉尼娜年，喷流向北转移，在同一地区形成更温暖更柔和的冬季天气；在厄尔尼诺年，加上北极涛动和北大西洋涛动指数呈负值的条件，使得美国东海岸出现更可能出现严酷寒冷的冬季，2009－2010年就出现了这样的事情。在拉尼娜年，北极涛动指数和北大西洋涛动指数呈负值的条件还可以阻止温暖冬天的出现。这就是2010－2011年冬天的情况，当时纽约和费城的低温和创纪录的大雪令预报者大感意外——他们基于拉尼娜现象，预测会出现更温暖的天气。
如何出牌
虽然北极地区的变化会使严冬天气更频繁、更持久的爆发，但我们永远无法确定在未来的年份中，老天爷会打出什么样的牌。毕竟，天气预报总有某种程度的不确定性。
2011年末和2012年初的那个冬季就很好地体现了天气预报上的难题。美国气候数据中心预测，美国东部天气会相当温和，原因是太平洋出现了拉尼娜现象。初冬，北极涛动指数和北大西洋涛动指数确实开始出现正值。但2012年1月中旬，北极涛动指数出现负值，并一直持续到2月初，而北大西洋涛动指数一直保持正值。中欧和东欧部分地区，以及美国的阿拉斯加遭到致命严寒和雪灾的袭击，而美国东部天气却反常的暖和。在冬季中期，北极涛动指数呈负值的条件下，拉尼娜现象和较高气压导致北美喷流转向更北区域，墨西哥湾暖流进入美国东部地区，该地区出现有记录以来第四暖和的冬天。喷流更靠北的路径也给北大西洋和西欧带来了相当温和的天气。
2012年3月初，东太平洋出现强大持久的大气高压系统，进一步放大了不寻常的天气状况，导致美国中西部和东部出现创纪录的高温。然而，虽然那里暖冬持久反常，但是应当指出，北半球其他地区以异常寒冷的冬季和早春告终。事实上，美国国家气候数据中心的报告指出，2012年3月，全球平均气温是1999年以来的最低水平。
对于2012/2013年冬季，从老天爷的出牌来看，北美和欧洲爆发恶劣天气的可能性似乎非常大。2012年夏天，研究人员观察到，北极海冰消失创下新高，这应当会增加北极寒冷气团侵入中纬度地区的概率。虽然很难预测中纬度的哪个地区最容易受到影响，但是2012年秋天，太平洋出现的厄尔尼诺条件可能有助于喷流运动轨迹向南转移，增加美国东部出现寒冷有害冬季的可能性。美国东海岸特别容易遭受该地区臭名昭著的东北雪暴的袭击，这些雪暴会带来严寒和厚厚的积雪。
虽然没有任何人能准确预言，我们是否将再次遭遇2009/2010年冬季那样异常恶劣的东北风暴，但从夏秋两季的情况来看，美国2012/2013年的这个冬天是自2007年以来，与2009年天气最相似的一次——2009年，北极海冰消失发生了显著变化。这几个月，我们将看到老天爷到底打出了一张怎样的牌。
（查尔斯·H·格林系美国康奈尔大学地球与大气科学教授，本文由Scientific American中文版《环球科学》授权南方周末发表，冉隆华翻译。）
海冰消失 气候改变
每到冬天，冰就会覆盖北冰洋。每年夏天，部分海冰消失，海面露出。全球变暖使夏季海冰消失量增加，改变了海洋与大气之间的热交换，影响美国和欧洲冬季天气。1979年，研究者开始采用卫星测量海冰，那一年，夏天海冰面积大约是700万平方千米。2007年以来，海冰消失量急剧增加；2012年9月16日，海冰面积创下新低，只剩340万平方千米。
