在地球复杂的气候系统中，北极海冰作为一个临界要素，能够反映和调控全球气候的细微变化。尽管它的重要性已被广泛认知，但其背后的驱动机制和内在联系仍然充满谜团。

北极的海冰并非仅仅是该地区的象征，更是全球气候的稳定之锚。当这片冰层消融，反射的太阳光量随之减少，从而使得海洋吸纳更多的热量，继而助推全球气候的变暖趋势。这如同一个细致的多米诺效应，从冰封的北极蔓延至炎热的南方，对每一寸土地及其生态系统都产生深远影响（如图1所示）。而对于我国，它更可能是极端气候事件的源头，同时也为北极航道的稳定性带来了严峻的考验。

 

图1 北极海冰与全球气候系统的正反馈机制  

在传统的气候学领域，如何准确量化非线性时间序列的短期变率一直是一块硬骨头。特别是在信号处理和气候预测中，正确地描述这种非线性变化至关重要。在这次的研究中，系统科学学院樊京芳团队提出了两种创新的数学工具 ：“高级加权自相关函数”   (WACF) 和“高级加权功率谱密度函数” (WPS)，

有了这两种工具，我们现在能够精确地描述并量化各种时间序列的稳定性和随机性，特别是北极涛动对天气的影响，如图2所示。

 

图2：非线性时间序列无序度度量，及北极涛动对北极天气变化的影响

该研究进一步利用复杂性科学手段，深入挖掘北极气候变化对全球气候的潜在影响，结果令人震惊。尽管相隔数千公里，北极的微小变化都可以在遥远的地方引发明显的气候效应。这种跨越大洲的气候连动，被称为“遥相关”。更为关键的是，这种变化也可能触发一系列的反馈效应，从而进一步加大气候的波动性，如图3所示。

 

图3 北极海冰与区域天气遥相关路径  

随着北极海冰的日益减少，北极航道的地缘战略意义被凸显出来。这条新的航线不仅有可能重塑全球贸易路线，更可能对其周边国家产生巨大的政治和经济冲击。与此同时，如何更准确地预测极端气候事件，也已经上升为气候科学领域的尖端议题。

这项研究不仅揭示了气候变化的新视角，更提供了一套强大的理论工具和策略建议，以帮助全球更好地应对气候挑战。

此研究题为“Arctic weather variability and connectivity”，于10月18日在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志在线发布。鉴于其深远的科学意义，《科技日报》撰写了题为《北极海冰消退凸显北极航道战略价值》的特别报道并对论文作者进行了科研专访。同时，包括《人民日报》《中国科技新闻网》《中国产业经济信息网》在内的多家主流媒体进行了报道和转载。

该研究由北京师范大学、北京邮电大学、德国波茨坦气候影响研究所、阿拉斯加大学等多家国际知名研究机构联手完成。其中，北京邮电大学理学院特聘研究员孟君为论文第一作者，北京师范大学樊京芳教授为唯一通讯作者。

樊京芳教授领衔的研究团队，近年来一直致力于复杂系统相变理论、地球系统复杂性以及临界性的前沿探索。其团队的研究，不仅具有深度，更在国际学术界树立了重要的标杆。以下是部分代表性的研究成果：在Nature Physics (2020)上，他们对复杂系统相变与临界现象的标度律和普适类进行了基础理论研究，为这一领域的深入发展铺设了坚实基石；PNAS杂志在2018年、2021年两次发表了他们的研究，探讨了复杂系统相变与临界现象的基本理论和实际应用；他们还在Nature Climate Change (2023)中揭示了地球系统临界要素的遥相关，进一步加强了人们对地球气候系统的认识;关于极端气候事件-厄尔尼诺的影响和预测，他们在PNAS (2017, 2020, 2021)上发布了一系列的研究，从定量刻画厄尔尼诺对全球气候的影响到其现象的预测，均有深入探讨；在PNAS (2018)中，他们基于渗流相变理论研究了全球气温变暖如何影响大气环流，为当下的气候变化议题提供了有力的科学支撑；他们还在Journal of Climate (2022)中提出了季风降雨量的高效预测模型，有助于地区性的气候预警；而在统计物理理论与地球复杂系统之间的交叉领域，Physics Reports (2021, 2022)发表了他们的综述，展现了统计物理在解读地球系统中的巨大潜力。

该工作得到了国家自然科学基金（12205025,12275020,12135003）和科技部第二次青藏高原科考（2019QZKK0906）的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42351-x

相关科研专访：http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/202310/4498ef63f3bd44e0b094f6479c0186a9.shtml