编者注（11/13/12）：本文在印刷版首次出版后进行了编辑，以包含多处更正和澄清。
过去三个冬季，北美和欧洲部分地区的天气异常。首先，在2009-2011年的冬季，美国东海岸以及西欧和北欧遭受了一系列异常寒冷和多雪的暴风雨，包括2010年2月的华盛顿特区“雪灾”风暴，导致联邦政府关闭了近一周。同年晚些时候，10月份，NOAA气候预测中心（CPC）基于东太平洋海洋温度低于往常的拉尼娜现象，预测2010-2011年冬季美国东部将是温和的。但即使有拉尼娜现象的调节作用，2011年1月纽约市和费城仍然遭遇了极低的温度和创纪录的降雪，这让CPC和其他预报员措手不及。
2011-2012年的冬季带来了更多的意外。美国东部经历了历史上最温和的冬季之一，而北美和欧洲的其他地区则没那么幸运。在阿拉斯加，1月份全州平均气温比该月长期平均气温低了惊人的10摄氏度。一场暴风雪掩埋了阿拉斯加东南部的城镇，积雪厚达两米。与此同时，一场持续的严寒天气袭击了中欧和东欧，带来了零下30摄氏度的低温和达到屋顶的积雪。到2月初严寒解除时，已有超过550人丧生。
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在2002年至2012年这十年间，全球气温为有仪器追踪全球温度160年以来最温暖的十年，我们该如何解释这些极端天气的爆发？科学家们似乎在一个非常不寻常的时间和地点找到了答案：最近北冰洋夏季海冰创纪录的损失。
诱因：创纪录的冰层损失
自从我1989年4月第一次前往北极圈以上地区以来，北极已经发生了巨大的变化。最明显的变化是夏季海冰范围的缩小。每年冬天，北冰洋几乎完全结冰。冬季海冰由随着时间推移积累起来的厚厚的多年冰和在前一年夏天还是开阔水域的海洋部分结成的薄得多的头年冰组成。每年九月，夏季融化会将海冰范围缩小到年度最小值。
早在1989年，冬季海冰范围略多于1400万平方公里。其中约有700万平方公里是持续整个夏季的厚厚的多年冰。今天的情况有所不同。尽管2012年的冬季海冰范围与1989年接近，但只有大约一半——略少于350万平方公里——在这过去的九月幸存下来，创下了夏季最低纪录。
夏季北极海冰的流失并非渐进或线性的。从1979年卫星开始测量冰层到2000年，海冰范围的损失并不特别明显。从2000年到2006年，下降速度加快，但直到2007年发生重大变化，世界才注意到。在那一年里，夏季海冰最小范围下降了26%，从2006年9月的大约580万平方公里下降到2007年9月的大约430万平方公里。多年冰的空前减少导致科学家重新评估他们对北冰洋何时会经历第一个无冰夏季的预测。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，第一个无冰夏季最有可能在本世纪末发生。现在大多数研究预测，这一事件可能会提前几十年发生，在2020年至2040年之间。
海冰的变化是全球变暖加剧的一部分，全球变暖在近几十年一直在影响北极。尽管自20世纪初以来，世界其他地区观测到的平均气温仅略微升高了约0.8摄氏度，但过去50年里，北极地区的平均气温升高幅度超过了这一数字的两倍。这种快速变暖改变了北极的天气模式，并融化了大片永久冻土。物理环境的这种改变扰乱了该地区野生动物的关键栖息地，并威胁到许多物种的长期生存。同样，长期以来以适应当地寒冷和冰雪的文化而闻名的北极土著居民，也正在目睹他们的生活方式受到重大破坏，他们的传统遗产也面临越来越大的威胁。
尽管对于我们这些居住在极地地区以下的大多数人来说，这些变化可能看起来很遥远，但北半球的其他地区也无法幸免于北极放大和海冰流失的影响。中纬度天气模式受到北极气候的影响，这引发了一个关键问题：最近观测到的极端冬季天气的爆发是全球变暖造成的，还是这些爆发仅仅符合地球自然气候振荡的总体模式？
大气中的压力
当我20世纪60年代在华盛顿特区附近长大时，大自然确实让人感受到了它的力量，在那十年异常寒冷的冬天里，我和我的朋友们在雪地里艰难地跋涉去上学。科学家们现在知道，那些寒冷多雪的冬季的根源是两种自然气候振荡，今天被称为北极涛动（AO）和北大西洋涛动（NAO），尽管当时它们还没有被命名[参见第54页的专栏]。这两种气候振荡源于大气和海洋之间的相互作用，在冬季表现出最明显的影响。
每种涛动的强度都用一个指数来表征，该指数量化了冬季大气压分布在特定区域的异常值——与长期平均值的偏差。对于AO指数而言，该区域非常大，几乎涵盖了整个北半球，从北极向南到北纬20°（大约古巴的纬度）的热带边界。AO指数可以是正值或负值。正值对应于北极地区低于平均水平的气压和亚热带地区高于平均水平的气压。在AO指数的正相位期间，北极地区异常低的压力导致极地涡旋的加强，极地涡旋是上层大气风从西向东围绕北极持续环流。增强的极地涡旋倾向于将寒冷的北极气团保留在北极圈以北。
相反，在AO指数的负相位期间，北极地区异常弱的低压会削弱极地涡旋。它不太能够约束寒冷的北极气团，从而允许它们侵入南部中纬度地区，并带来寒冷天气和降雪增加。美国东海岸和北欧特别容易在AO条件强烈为负的时期发生这些事件。
NAO指数表征了北大西洋亚热带高压中心附近和亚北极冰岛附近低压中心之间北半球大西洋区域冬季大气压分布的异常。与AO指数一样，NAO指数也可以是正值或负值。正值对应于亚热带高压附近高于平均水平的大气压和亚北极低压附近低于平均水平的大气压。在NAO条件为正值期间，增强的压力差加强了全年从西向东横跨北半球中纬度的西风。压力差也引导着快速移动的环球气流，即急流，从北美东海岸向北欧东北方向移动。横跨北大西洋的冬季风暴也遵循类似的路径，为北欧带来更潮湿和温和的天气。
相反，在NAO条件为负值期间，减小的压力差削弱了西风，离开北美的急流更急剧地向北扫过，到达格陵兰岛，然后向南摆动回到欧洲。但在这种情况下，风暴路径会偏离急流，直接横跨北大西洋，向南欧和地中海方向移动，为这些地区带来更潮湿和温和的天气。北欧则变得寒冷干燥。
气候科学家对于是否应将AO和NAO视为两种不同的自然气候变率模式存在分歧。一些人认为NAO只是AO在北大西洋的表现形式；另一些人则认为两者的动力学差异足够大，值得分别对待。尽管这两个指数高度相关，但它们的行为偶尔会在重要方面出现分歧，就像去年冬天那样。
增加极端冬季天气的可能性
随着社会温室气体排放继续改变地球的气候系统，无论发生什么变化都将叠加在系统的自然气候振荡之上。辨别人类对气候变化的贡献是困难的，需要假设检验。最近的研究提供了新的证据，加强了全球变暖和北极海冰流失正在通过扰乱AO和NAO的正常节律来影响我们今天的冬季的假设。
回顾我在20世纪60年代的童年时代，我们看到AO和NAO指数主要为负值，导致美国东海岸的冬季比平均水平更冷、更多雪。没有理由怀疑这十年恶劣的冬季天气不仅仅是AO和NAO预期的自然变率。相比之下，从20世纪70年代到90年代，NAO指数主要为正值，只有偶尔出现NAO为负值的冬季。由此产生的温和冬季恰逢社会对全球气候变化的意识增强，并导致许多科学家假设，温室气体浓度升高可能是看似异常漫长的主要为正NAO冬季的原因。IPCC引用的模型预测，随着温室气体的稳定上升，这种趋势将继续下去。然而，主要为强正AO和NAO冬季的时期在20世纪90年代后期结束了。
尽管正NAO冬季的时期结束了，但这并不意味着温室气体增加与NAO之间的假设关系是不正确的。当时没有预料到的是，北极放大效应在20世纪90年代后期开始加速。随着全球变暖的放大效应在北极圈以上地区显现，气候条件进入了国家海洋和大气管理局的吉姆·奥弗兰及其同事所称的北极温暖期。这一时期的特点是北极海冰、格陵兰冰盖、永久冻土和大陆冰川的快速流失。这些变化的核心是一个被称为冰-反照率反馈的过程，在该过程中，随着冰盖融化，暴露较暗的陆地或海洋表面，一个区域对入射太阳辐射的反射率降低。
科学家们尤其关注北冰洋的冰-反照率反馈。夏季海冰的流失使更多的海水暴露在入射太阳辐射下。这种辐射的吸收导致地表水过度升温，从而产生两个重要的反馈。首先，一部分过多的热量会加强夏季海冰的融化。其次，海洋在秋季逐渐将大部分剩余的过多的热量释放到大气中，从而增加北极地区的大气压和湿度，同时减小北极和中纬度地区之间的温差。
北极大气压的升高和温差的减小有利于冬季负AO和NAO条件的发展。这种情况导致极地涡旋和急流减弱。减弱的极地涡旋不太能够约束寒冷的北极气团及其升高的湿度含量，使其溢出到中纬度地区，并带来严重的寒冷天气和降雪。
此外，减弱的急流在其轨迹中表现出更大的波浪，这些波浪可能会停滞不前，将受影响的地区锁定在严寒之中。结合起来，这些改变的大气环流模式倾向于增加北美和欧洲更频繁和持续的极端冬季天气的可能性。
然而，其他因素也可能发挥作用。厄尔尼诺/南方涛动是另一个强大的气候振荡，中心位于太平洋，它可能强烈影响美国大陆的冬季天气。在美国的东南部和中大西洋地区，厄尔尼诺年带来更潮湿的冬季天气，而拉尼娜年带来更干燥的冬季天气。厄尔尼诺年期间的负AO和NAO条件共同作用可能会加剧美国东海岸寒冷严冬的可能性，这种情况发生在2009-2010年。负AO和NAO条件也可能抵消拉尼娜年预期的干燥温和的冬季。这就是2010-2011年冬季的情况，当时纽约市和费城的低温和创纪录的降雪让预报员感到惊讶，他们仅根据拉尼娜现象，预计天气会更加温和。
未来的冬季
尽管北极的变化可能增加了未来更频繁和持续的极端冬季天气爆发的可能性，但我们永远无法确定在任何特定年份会发生什么。毕竟，天气预报总是存在一定程度的不确定性。
2011-2012年冬季是预测挑战的一个很好的例子。CPC由于太平洋地区正在发展的拉尼娜现象，预测美国东部的天气相对温和。AO和NAO指数在冬季初期开始呈正值，但随后在1月中旬出现负AO条件，并持续到2月初，而NAO保持正值。阿拉斯加以及中欧和东欧部分地区受到致命的寒冷和强降雪的袭击，而美国东部的天气仍然异常温和。东太平洋地区的拉尼娜现象相关高压系统形成了一种阻塞模式，该模式在冬季中期的负AO条件下，引导急流比平时更偏北地越过北美，使得来自墨西哥湾的暖空气向上移动到美国东部，导致该地区有记录以来第四温暖的冬季。急流更偏北的路径也为北大西洋和西欧带来了相对温和的条件。
到3月初，东太平洋地区的大气高压系统进一步加强，进一步放大了异常天气条件，并导致美国中西部和东部地区出现创纪录的高温。然而，尽管那里的异常温暖持续存在，但应该指出的是，北半球的其他地区最终还是经历了异常寒冷的冬季和早春。事实上，NCDC报告称，2012年3月的全球平均气温是自1999年以来最冷的。
对于即将到来的2012-2013年冬季，情况似乎特别有利于北美和欧洲的恶劣天气爆发。今年夏天观测到的创纪录的北极海冰流失应该会增加寒冷的北极气团侵入中纬度地区的可能性。尽管很难预测哪些中纬度地区最容易受到影响，但2012年秋季太平洋地区正在发展的厄尔尼诺现象可能会增加美国东部地区遭遇寒冷和严酷冬季的可能性。东海岸尤其容易受到该地区臭名昭著的东北风暴的袭击，这些风暴会带来严寒的气温和厚厚的积雪。尽管没有人能说我们是否会看到2009-2010年冬季异常恶劣的东北风暴重演，但今年夏季和秋季的积累与2009年展开的条件更相似，而不是自2007年北极海冰流失发生重大变化以来的任何一年。随着未来几个月的展开，我们将看到我们手中的牌会出现哪些王牌。