編者注（11/13/12）：本文在印刷版首次出版後進行了編輯，以包含多處更正和澄清。
過去三個冬季，北美和歐洲部分地區的天氣異常。首先，在2009-2011年的冬季，美國東海岸以及西歐和北歐遭受了一系列異常寒冷和多雪的暴風雨，包括2010年2月的華盛頓特區“雪災”風暴，導致聯邦政府關閉了近一週。同年晚些時候，10月份，NOAA氣候預測中心（CPC）基於東太平洋海洋溫度低於往常的拉尼娜現象，預測2010-2011年冬季美國東部將是溫和的。但即使有拉尼娜現象的調節作用，2011年1月紐約市和費城仍然遭遇了極低的溫度和創紀錄的降雪，這讓CPC和其他預報員措手不及。
2011-2012年的冬季帶來了更多的意外。美國東部經歷了歷史上最溫和的冬季之一，而北美和歐洲的其他地區則沒那麼幸運。在阿拉斯加，1月份全州平均氣溫比該月長期平均氣溫低了驚人的10攝氏度。一場暴風雪掩埋了阿拉斯加東南部的城鎮，積雪厚達兩米。與此同時，一場持續的嚴寒天氣襲擊了中歐和東歐，帶來了零下30攝氏度的低溫和達到屋頂的積雪。到2月初嚴寒解除時，已有超過550人喪生。
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在2002年至2012年這十年間，全球氣溫為有儀器追蹤全球溫度160年以來最溫暖的十年，我們該如何解釋這些極端天氣的爆發？科學家們似乎在一個非常不尋常的時間和地點找到了答案：最近北冰洋夏季海冰創紀錄的損失。
誘因：創紀錄的冰層損失
自從我1989年4月第一次前往北極圈以上地區以來，北極已經發生了巨大的變化。最明顯的變化是夏季海冰範圍的縮小。每年冬天，北冰洋幾乎完全結冰。冬季海冰由隨著時間推移積累起來的厚厚的多年冰和在前一年夏天還是開闊水域的海洋部分結成的薄得多的頭年冰組成。每年九月，夏季融化會將海冰範圍縮小到年度最小值。
早在1989年，冬季海冰範圍略多於1400萬平方公里。其中約有700萬平方公里是持續整個夏季的厚厚的多年冰。今天的情況有所不同。儘管2012年的冬季海冰範圍與1989年接近，但只有大約一半——略少於350萬平方公里——在這過去的九月倖存下來，創下了夏季最低紀錄。
夏季北極海冰的流失並非漸進或線性的。從1979年衛星開始測量冰層到2000年，海冰範圍的損失並不特別明顯。從2000年到2006年，下降速度加快，但直到2007年發生重大變化，世界才注意到。在那一年裡，夏季海冰最小範圍下降了26%，從2006年9月的大約580萬平方公里下降到2007年9月的大約430萬平方公里。多年冰的空前減少導致科學家重新評估他們對北冰洋何時會經歷第一個無冰夏季的預測。根據2007年之前收集的資料，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告預測，第一個無冰夏季最有可能在本世紀末發生。現在大多數研究預測，這一事件可能會提前幾十年發生，在2020年至2040年之間。
海冰的變化是全球變暖加劇的一部分，全球變暖在近幾十年一直在影響北極。儘管自20世紀初以來，世界其他地區觀測到的平均氣溫僅略微升高了約0.8攝氏度，但過去50年裡，北極地區的平均氣溫升高幅度超過了這一數字的兩倍。這種快速變暖改變了北極的天氣模式，並融化了大片永久凍土。物理環境的這種改變擾亂了該地區野生動物的關鍵棲息地，並威脅到許多物種的長期生存。同樣，長期以來以適應當地寒冷和冰雪的文化而聞名的北極土著居民，也正在目睹他們的生活方式受到重大破壞，他們的傳統遺產也面臨越來越大的威脅。
儘管對於我們這些居住在極地地區以下的大多數人來說，這些變化可能看起來很遙遠，但北半球的其他地區也無法倖免於北極放大和海冰流失的影響。中緯度天氣模式受到北極氣候的影響，這引發了一個關鍵問題：最近觀測到的極端冬季天氣的爆發是全球變暖造成的，還是這些爆發僅僅符合地球自然氣候振盪的總體模式？
大氣中的壓力
當我20世紀60年代在華盛頓特區附近長大時，大自然確實讓人感受到了它的力量，在那十年異常寒冷的冬天裡，我和我的朋友們在雪地裡艱難地跋涉去上學。科學家們現在知道，那些寒冷多雪的冬季的根源是兩種自然氣候振盪，今天被稱為北極濤動（AO）和北大西洋濤動（NAO），儘管當時它們還沒有被命名[參見第54頁的專欄]。這兩種氣候振盪源於大氣和海洋之間的相互作用，在冬季表現出最明顯的影響。
每種濤動的強度都用一個指數來表徵，該指數量化了冬季大氣壓分佈在特定區域的異常值——與長期平均值的偏差。對於AO指數而言，該區域非常大，幾乎涵蓋了整個北半球，從北極向南到北緯20°（大約古巴的緯度）的熱帶邊界。AO指數可以是正值或負值。正值對應於北極地區低於平均水平的氣壓和亞熱帶地區高於平均水平的氣壓。在AO指數的正相位期間，北極地區異常低的壓力導致極地渦旋的加強，極地渦旋是上層大氣風從西向東圍繞北極持續環流。增強的極地渦旋傾向於將寒冷的北極氣團保留在北極圈以北。
相反，在AO指數的負相位期間，北極地區異常弱的低壓會削弱極地渦旋。它不太能夠約束寒冷的北極氣團，從而允許它們侵入南部中緯度地區，並帶來寒冷天氣和降雪增加。美國東海岸和北歐特別容易在AO條件強烈為負的時期發生這些事件。
NAO指數表徵了北大西洋亞熱帶高壓中心附近和亞北極冰島附近低壓中心之間北半球大西洋區域冬季大氣壓分佈的異常。與AO指數一樣，NAO指數也可以是正值或負值。正值對應於亞熱帶高壓附近高於平均水平的大氣壓和亞北極低壓附近低於平均水平的大氣壓。在NAO條件為正值期間，增強的壓力差加強了全年從西向東橫跨北半球中緯度的西風。壓力差也引導著快速移動的環球氣流，即急流，從北美東海岸向北歐東北方向移動。橫跨北大西洋的冬季風暴也遵循類似的路徑，為北歐帶來更潮溼和溫和的天氣。
相反，在NAO條件為負值期間，減小的壓力差削弱了西風，離開北美的急流更急劇地向北掃過，到達格陵蘭島，然後向南擺動回到歐洲。但在這種情況下，風暴路徑會偏離急流，直接橫跨北大西洋，向南歐和地中海方向移動，為這些地區帶來更潮溼和溫和的天氣。北歐則變得寒冷乾燥。
氣候科學家對於是否應將AO和NAO視為兩種不同的自然氣候變率模式存在分歧。一些人認為NAO只是AO在北大西洋的表現形式；另一些人則認為兩者的動力學差異足夠大，值得分別對待。儘管這兩個指數高度相關，但它們的行為偶爾會在重要方面出現分歧，就像去年冬天那樣。
增加極端冬季天氣的可能性
隨著社會溫室氣體排放繼續改變地球的氣候系統，無論發生什麼變化都將疊加在系統的自然氣候振盪之上。辨別人類對氣候變化的貢獻是困難的，需要假設檢驗。最近的研究提供了新的證據，加強了全球變暖和北極海冰流失正在透過擾亂AO和NAO的正常節律來影響我們今天的冬季的假設。
回顧我在20世紀60年代的童年時代，我們看到AO和NAO指數主要為負值，導致美國東海岸的冬季比平均水平更冷、更多雪。沒有理由懷疑這十年惡劣的冬季天氣不僅僅是AO和NAO預期的自然變率。相比之下，從20世紀70年代到90年代，NAO指數主要為正值，只有偶爾出現NAO為負值的冬季。由此產生的溫和冬季恰逢社會對全球氣候變化的意識增強，並導致許多科學家假設，溫室氣體濃度升高可能是看似異常漫長的主要為正NAO冬季的原因。IPCC引用的模型預測，隨著溫室氣體的穩定上升，這種趨勢將繼續下去。然而，主要為強正AO和NAO冬季的時期在20世紀90年代後期結束了。
儘管正NAO冬季的時期結束了，但這並不意味著溫室氣體增加與NAO之間的假設關係是不正確的。當時沒有預料到的是，北極放大效應在20世紀90年代後期開始加速。隨著全球變暖的放大效應在北極圈以上地區顯現，氣候條件進入了國家海洋和大氣管理局的吉姆·奧弗蘭及其同事所稱的北極溫暖期。這一時期的特點是北極海冰、格陵蘭冰蓋、永久凍土和大陸冰川的快速流失。這些變化的核心是一個被稱為冰-反照率反饋的過程，在該過程中，隨著冰蓋融化，暴露較暗的陸地或海洋表面，一個區域對入射太陽輻射的反射率降低。
科學家們尤其關注北冰洋的冰-反照率反饋。夏季海冰的流失使更多的海水暴露在入射太陽輻射下。這種輻射的吸收導致地表水過度升溫，從而產生兩個重要的反饋。首先，一部分過多的熱量會加強夏季海冰的融化。其次，海洋在秋季逐漸將大部分剩餘的過多的熱量釋放到大氣中，從而增加北極地區的大氣壓和溼度，同時減小北極和中緯度地區之間的溫差。
北極大氣壓的升高和溫差的減小有利於冬季負AO和NAO條件的發展。這種情況導致極地渦旋和急流減弱。減弱的極地渦旋不太能夠約束寒冷的北極氣團及其升高的溼度含量，使其溢位到中緯度地區，並帶來嚴重的寒冷天氣和降雪。
此外，減弱的急流在其軌跡中表現出更大的波浪，這些波浪可能會停滯不前，將受影響的地區鎖定在嚴寒之中。結合起來，這些改變的大氣環流模式傾向於增加北美和歐洲更頻繁和持續的極端冬季天氣的可能性。
然而，其他因素也可能發揮作用。厄爾尼諾/南方濤動是另一個強大的氣候振盪，中心位於太平洋，它可能強烈影響美國大陸的冬季天氣。在美國的東南部和中大西洋地區，厄爾尼諾年帶來更潮溼的冬季天氣，而拉尼娜年帶來更乾燥的冬季天氣。厄爾尼諾年期間的負AO和NAO條件共同作用可能會加劇美國東海岸寒冷嚴冬的可能性，這種情況發生在2009-2010年。負AO和NAO條件也可能抵消拉尼娜年預期的乾燥溫和的冬季。這就是2010-2011年冬季的情況，當時紐約市和費城的低溫和創紀錄的降雪讓預報員感到驚訝，他們僅根據拉尼娜現象，預計天氣會更加溫和。
未來的冬季
儘管北極的變化可能增加了未來更頻繁和持續的極端冬季天氣爆發的可能性，但我們永遠無法確定在任何特定年份會發生什麼。畢竟，天氣預報總是存在一定程度的不確定性。
2011-2012年冬季是預測挑戰的一個很好的例子。CPC由於太平洋地區正在發展的拉尼娜現象，預測美國東部的天氣相對溫和。AO和NAO指數在冬季初期開始呈正值，但隨後在1月中旬出現負AO條件，並持續到2月初，而NAO保持正值。阿拉斯加以及中歐和東歐部分地區受到致命的寒冷和強降雪的襲擊，而美國東部的天氣仍然異常溫和。東太平洋地區的拉尼娜現象相關高壓系統形成了一種阻塞模式，該模式在冬季中期的負AO條件下，引導急流比平時更偏北地越過北美，使得來自墨西哥灣的暖空氣向上移動到美國東部，導致該地區有記錄以來第四溫暖的冬季。急流更偏北的路徑也為北大西洋和西歐帶來了相對溫和的條件。
到3月初，東太平洋地區的大氣高壓系統進一步加強，進一步放大了異常天氣條件，並導致美國中西部和東部地區出現創紀錄的高溫。然而，儘管那裡的異常溫暖持續存在，但應該指出的是，北半球的其他地區最終還是經歷了異常寒冷的冬季和早春。事實上，NCDC報告稱，2012年3月的全球平均氣溫是自1999年以來最冷的。
對於即將到來的2012-2013年冬季，情況似乎特別有利於北美和歐洲的惡劣天氣爆發。今年夏天觀測到的創紀錄的北極海冰流失應該會增加寒冷的北極氣團侵入中緯度地區的可能性。儘管很難預測哪些中緯度地區最容易受到影響，但2012年秋季太平洋地區正在發展的厄爾尼諾現象可能會增加美國東部地區遭遇寒冷和嚴酷冬季的可能性。東海岸尤其容易受到該地區臭名昭著的東北風暴的襲擊，這些風暴會帶來嚴寒的氣溫和厚厚的積雪。儘管沒有人能說我們是否會看到2009-2010年冬季異常惡劣的東北風暴重演，但今年夏季和秋季的積累與2009年展開的條件更相似，而不是自2007年北極海冰流失發生重大變化以來的任何一年。隨著未來幾個月的展開，我們將看到我們手中的牌會出現哪些王牌。