魏立新，秦聽，馬靜

（國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

1 引言

北極是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分。近年來的研究表明，在全球變暖的大背景下，近30年來北極的氣候系統(tǒng)發(fā)生了比其它地區(qū)更為明顯的變化，是100年來最顯著的[1-5]。作為全球氣候的冷源，北極的變化通過大氣、海洋、海冰的運(yùn)動(dòng)直接或間接影響著全球尺度的大氣環(huán)流、海洋環(huán)流和氣候變異，實(shí)現(xiàn)了與全球氣候系統(tǒng)的相互作用，是全球氣候和環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)器之一。全球變暖對(duì)北極海域最直接的影響是海冰覆蓋面積減少。已有觀測(cè)結(jié)果表明，北極海冰覆蓋范圍大約從20世紀(jì)50年代開始明顯退縮，過去30年北極海冰覆蓋范圍每十年減少約3%，其中夏季最為顯著[6-9]。尤其是近幾年海冰減少的速度明顯加快，并一次次打破夏季海冰范圍、面積的最小記錄。自2007年9月北極海冰面積達(dá)到有衛(wèi)星觀測(cè)以來的最小值后，北極夏季海冰面積一直在低值徘徊，并在2012年9月再次打破記錄，成為有觀測(cè)記錄的最小值。按照科學(xué)家的預(yù)測(cè)，北冰洋海冰范圍未來的減少速度比過去30年還要快，到2040年，北冰洋夏季將可能不再有海冰存在[10]，但從目前的觀測(cè)資料分析，北極海冰的減少速度比預(yù)測(cè)的還要快。北極海冰的快速融化引起海洋與海冰系統(tǒng)對(duì)熱量吸收的增加，導(dǎo)致冷源作用減退；另一方面，由于海冰向北大西洋輸出的增加也導(dǎo)致世界大洋溫鹽環(huán)流減弱，從而極有可能加速全球增暖過程。目前人們逐漸認(rèn)識(shí)到我們周邊的世界已經(jīng)沉浸在北極變化的影響之中，其對(duì)全球過程的顯著作用已經(jīng)到了必須引起高度重視的程度。

北極冷空氣活動(dòng)和北極大氣環(huán)流變化有密切的關(guān)系，而北極冷空氣活動(dòng)直接受下墊面（海洋和海冰）變化影響。同時(shí)，海冰分布情況的變化必然會(huì)通過影響冷空氣的強(qiáng)度、位置等對(duì)北半球特別是中高緯度的天氣、氣候產(chǎn)生巨大的影響。本文將討論北極海冰變化與北半球大氣環(huán)流以及溫度的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)及方法

圖1 冬季鄂霍次克海到白令海海冰場(chǎng)第一特征向量空間分布及時(shí)間系數(shù)

利用NASA的北極海冰密集度資料（分辨率1.0°×0.25°，時(shí)間1979年10月—2002年8月）對(duì)冬季（12—2月）鄂霍次克海到白令海海冰場(chǎng)（42°—66°N、131°E—158°W，以下簡(jiǎn)稱海冰場(chǎng)）進(jìn)行EOF分解，得到特征向量的空間分布及時(shí)間系數(shù)。圖1是分解得到的第一模態(tài)空間分布及其時(shí)間系數(shù)，表現(xiàn)為鄂霍次克海海冰減少和白令海海冰增加，該模態(tài)可以解釋方差的40%，通過顯著性檢驗(yàn)；時(shí)間系數(shù)有明顯的上升趨勢(shì)，與線性回歸結(jié)果的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.41，通過了95%置信度的檢驗(yàn)。

利用NCEP月再分析資料（分辨率2.5°×2.5°，時(shí)間1979—2002年）分別對(duì)海冰場(chǎng)第一特征向量時(shí)間系數(shù)超過+0.5和低于-0.5年份的做500 hPa高度、1000 hPa高度（代替海平面氣壓）、1000 hPa氣溫的合成距平場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱距平場(chǎng)）。其中時(shí)間系數(shù)超過+0.5的年份有1989年、1991年、1995年、1996年、1997年、1998年、2000年、2002年，共8年，而且自1989年以后持續(xù)正值，說明該模態(tài)的確是20世紀(jì)90年代以后北太平洋海冰分布的主導(dǎo)形；時(shí)間系數(shù)低于-0.5的有1979、年1980年、1983年、1985年、1987年、2001年，共6年。

3 海冰異常與北半球大氣環(huán)流和氣溫的關(guān)系

冬季北半球大陸主要為積雪覆蓋，成為干冷空氣的源地。北半球最冷的地方不在北極，而是在高緯度大陸內(nèi)地（亞洲、北美大陸東北部），因此溫度場(chǎng)對(duì)稱于北極的情況被破壞。通過對(duì)冬季對(duì)流層中層到低層（500 hPa、1000 hPa）的氣候平均高度場(chǎng)分析（圖略）可以看到，500 hPa高度場(chǎng)上極地低壓（又稱極渦）中心不在北極，有兩個(gè)中心，一個(gè)位于格陵蘭和加拿大的極區(qū)，另一個(gè)較弱的位于西伯利亞北冰洋沿岸；中高緯度有3個(gè)槽，分別位于東亞和北美東岸附近以及烏拉爾山的東側(cè)。圖3a為海冰第一模態(tài)＞0.5的年份的500 hPa高度距平場(chǎng)，表現(xiàn)為經(jīng)向的2波波列，極渦加強(qiáng)，東亞大槽減弱、北美大槽加強(qiáng)、烏拉爾大槽加強(qiáng)。圖3b為海冰第一模態(tài)＜-0.5的年份的500 hPa高度距平場(chǎng)，也表現(xiàn)為經(jīng)向的2波波列，極渦減弱、東亞大槽加強(qiáng)、北美大槽減弱、烏拉爾大槽減弱。圖4為1000 hPa高度距平場(chǎng)，圖4a中阿留申低壓減弱、北美高壓減弱、格陵蘭高壓減弱、冰島低壓加強(qiáng)東移、蒙古高壓加強(qiáng)，圖4b中阿留申低壓加強(qiáng)、北美高壓加強(qiáng)、格陵蘭高壓加強(qiáng)、冰島低壓減弱西退、蒙古高壓減弱。

分析表明：大氣環(huán)流異常與該區(qū)域海冰第一模態(tài)正負(fù)時(shí)間指數(shù)之間有直接和顯著的關(guān)聯(lián)，兩種情況下的高度場(chǎng)有明顯的反向特征。對(duì)比圖3、圖4發(fā)現(xiàn)，兩種相反的海冰分布在高度距平場(chǎng)的反映都是經(jīng)向2波波列，由高層到低層是準(zhǔn)正壓的結(jié)構(gòu)，這是典型的大氣對(duì)外源強(qiáng)迫的結(jié)果[11]。

圖3 北太平洋側(cè)海冰第一模態(tài)時(shí)500 hPa高度距平場(chǎng)

圖4 北太平洋側(cè)海冰第一模態(tài)時(shí)1000 hPa高度距平場(chǎng)

圖5 北太平洋側(cè)海冰第一模態(tài)時(shí)1000 hPa氣溫距平場(chǎng)

圖5給出了1000 hPa氣溫的距平場(chǎng)，可以看出，溫度距平場(chǎng)也有明顯相反的特征，特別是在鄂霍次克海區(qū)域兩者是反位相的，海冰正指數(shù)（多），溫度低，海冰負(fù)指數(shù)（少），溫度高，說明海冰與局地氣溫之間有著緊密直接的關(guān)系，是負(fù)反饋。圖5a中全球溫度距平在45°—60°N的緯度上由東亞經(jīng)過鄂霍次克海到北太平洋都是明顯的正距平，距平中心在鄂霍次克海、北美和歐洲東部；負(fù)距平中心位于楚克奇海到東西伯利亞海、格陵蘭島南部和亞洲中部。圖5b中全球溫度正負(fù)距平基本以帶狀的形式沿緯圈分布，負(fù)距平分別位于70°—80°N之間的加拿大北方群島和50°—60°N這一緯度帶，鄂霍次克海為負(fù)距平，但并不是東亞地區(qū)的距平中心，強(qiáng)中心位于陸地上，即貝加爾湖附近的西伯利亞，這是由冬季的海陸差異造成的；正距平帶位于60°—70°N，中心在格陵蘭島南部，是全球溫度距平最大的區(qū)域，另一個(gè)正距平帶位于30°—40°N，日本海到北太平洋位于該區(qū)域內(nèi)。

4 北太平洋海冰異常與中國氣溫的關(guān)系

我國地處東亞，冬季北方地區(qū)主要受到來自極地的冷空氣的影響，下面結(jié)合東亞地區(qū)風(fēng)場(chǎng)來分析一下海冰第一模態(tài)不同位相與我國冬季氣溫的關(guān)系。

圖6為海冰第一模態(tài)氣溫距平場(chǎng)，圖6a中我國東北、華北、內(nèi)蒙古地區(qū)溫度正距平、其它區(qū)域氣溫負(fù)距平，其中我國東北是氣溫正距平最大的區(qū)域，而我國西部地區(qū)是氣溫負(fù)距平最大的區(qū)域。圖6b除新疆和西藏西部地區(qū)為正距平，大部分地區(qū)氣溫為負(fù)距平，中心在東北地區(qū)。比較發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)氣溫的異常值最高，并且位相明顯相反。與東亞區(qū)域的距平風(fēng)場(chǎng)（見圖7）比較發(fā)現(xiàn)，在圖7a中東北地區(qū)為來自東部日本海的異常東北風(fēng)控制，與來自更北的內(nèi)陸的冷空氣相比，要溫暖、濕潤；在圖7b中，東北地區(qū)受到來自西部的異常的偏西風(fēng)的控制，致溫度負(fù)距平。

圖6 北太平洋側(cè)海冰第一模態(tài)時(shí)的我國1000 hPa氣溫距平場(chǎng)

圖7 北太平洋側(cè)海冰第一模態(tài)東亞850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)

5 結(jié)論

從海冰異常對(duì)應(yīng)的全球大氣冬季氣溫距平場(chǎng)的分析可以得到以下結(jié)論：

（1）北太平洋側(cè)北極海冰異常與局地溫度之間的負(fù)反饋是非常明顯和直接的。鄂霍次克海海冰減少可導(dǎo)致該區(qū)域的反照率降低、海氣熱通量增大，氣溫升高；反之海冰增加，氣溫降低；

（2）北太平洋側(cè)北極海冰分布第一模態(tài)反位相（正負(fù)指數(shù)）時(shí)，區(qū)域溫度距平也有明顯相反的趨勢(shì)，如在格陵蘭島南部、貝加爾湖、東西伯利亞?！似婧５葘?duì)應(yīng)的都是相反的溫度距平；

（3）大氣溫度的異常與大氣環(huán)流形勢(shì)的異常密切相關(guān)，第一模態(tài)時(shí)間正指數(shù)時(shí)，極渦加強(qiáng)，東亞大槽減弱，極地冷空氣的經(jīng)向活動(dòng)被抑制，南下冷空氣活動(dòng)減弱，極地地區(qū)溫度降低，東亞高緯度地區(qū)溫度升高。相反，第一模態(tài)時(shí)間負(fù)指數(shù)時(shí)，極渦減弱，東亞大槽加強(qiáng)，極地冷空氣不斷向南滲透，極地地區(qū)溫度升高，東亞高緯度地區(qū)溫度降低。但是，兩種情況下，距平的位置并不完全對(duì)應(yīng)，這是因?yàn)檫€有其他的影響因子存在；

（4）作為北太平洋側(cè)海冰變化的第一模態(tài)空間分布的組成部分，白令海海冰變化以后，氣溫距平中心位置偏北位于白令海峽和更北的楚科奇海，并且強(qiáng)度較弱。在全球變暖和北極海冰劇烈減少的大背景下，白令海海冰的增加是一個(gè)特例，但對(duì)其增加原因的研究卻很少，有研究表明這與該地區(qū)北部的西風(fēng)異常有關(guān)[12]。通過上面的分析可以推測(cè)有可能是楚科奇海到白令海峽溫度降低導(dǎo)致了海冰增加，是海冰對(duì)溫度變化的負(fù)反饋；

（5）我國冬季的氣溫與區(qū)域海冰主模態(tài)之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是90年以后，區(qū)域海冰持續(xù)第一模態(tài)時(shí)間正指數(shù)與東北、華北北部地區(qū)溫度的正異常相關(guān)聯(lián)。

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