段升妮 姜智娜

中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京，100081

1 引 言

近年來，特別是2000年以后，北極海冰呈現(xiàn)出快速減少和大幅度波動的趨勢（Comiso，et al，2008；Simmonds，2015），其中巴倫支海是冬季北極海冰密集度變率最大的區(qū)域（Serreze，et al，2009；Screen，et al，2010；Parkinson，et al，2013；李一玲，2018），同時也是觀測到的湍流熱通量變化最強的海域（Makshtas，1991）。由此可見，巴倫支海是冬季北極海-氣相互作用的關鍵區(qū)。

伴隨著北極海冰的減少，北極地區(qū)經(jīng)歷了快速變暖（Kug，et al，2015；Wang，et al，2020a），而中緯度大陸極寒天氣頻發(fā)，產(chǎn)生所謂的“暖極地冷大陸（WACS）”模態(tài)，這一現(xiàn)象已引起氣象學家的廣泛關 注（Overland， et al，2010；Francis，et al， 2012；Inoue，et al，2012； Outten， et al， 2012；Cheung， et al，2013；Sato，et al，2014）。秋季及初冬季巴倫支海海冰異常減少被認為是近年來中緯度歐亞大陸寒冬的主要驅動因子（Tang，et al，2013；武炳義等，1999；武豐民等，2014）。Honda等（2009）指出巴倫支海海冰融化后會產(chǎn)生異常向上的湍流熱通量，從而激發(fā)一種羅斯貝波列，使得西伯利亞高壓增強，最終導致歐亞大陸降溫。然而，Sorokina等（2016）的研究表明，當冬季歐亞大陸偏冷時，巴倫支海海冰的確有減少趨勢，但地面湍流熱通量多表現(xiàn)為異常向下的特征。也就是說，海冰減少主要是由大氣異常驅動所致（Blackport，et al，2019），且海冰的減少未必對應西伯利亞高壓的增強（Warner，et al，2020）。例如，2006年9月，巴倫支海域海冰密集度為負異常，但其后冬季，西伯利亞高壓異常偏弱。2012年9月，北極海冰范圍達到有衛(wèi)星觀測記錄以來的最低值，但隨后冬季的西伯利亞高壓強度卻接近正常值。Wang等（2020b）進一步發(fā)現(xiàn)夏末秋初北極海冰與冬季西伯利亞高壓強度的關系在20世紀90年代中期存在顯著的年代際變化，并在1997—2017年變得不顯著。Petoukhov等（2010）指出，高緯度大氣環(huán)流對巴倫支—喀拉海（Barents-Kara Sea，BKS）海冰減少的響應是高度非線性的，海冰減少是否對應西伯利亞高壓增強及歐亞降溫與海冰減少的幅度有關（Grassi，et al，2013）。

此外，Mori等（2014）指出，巴倫支海海冰減少能夠導致歐亞阻塞環(huán)流的發(fā)生更加頻繁，從而使得冷空氣更易侵入歐亞大陸，造成極端冷冬。同時，巴倫支—喀拉海的變暖會加強烏拉爾阻塞的準靜止狀態(tài)，導致歐亞大陸出現(xiàn)大范圍的冷事件（Luo，et al，2016；Yao，et al， 2017；Li， et al，2019）。 然而，一些觀測及模式研究卻認為，沒有足夠的證據(jù)能說明海冰減少會對阻塞和歐亞冬季溫度產(chǎn)生影響（Screen，et al，2013；Woollings，et al，2014）。在北極海冰持續(xù)減少的情況下，阻塞型環(huán)流發(fā)生的頻率無顯著的上升趨勢，較強海冰融化對中緯度冷事件強度的影響也是有限的（Barnes，2013；Peings，et al，2014）。歐亞大陸變冷是由于大氣內部變率導致的，與海冰減少無顯著關聯(lián)（McCusker，et al，2016），Sun等（2016）也強調了內部變率，而非海冰的減少引起了歐亞大陸的變冷。

同時，還有一些研究探討了北極海冰變化對北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）/北極濤動（Arctic Oscillation，AO）的影響。研究（Magnusdottir， et al，2004； Deser， et al， 2004） 表明，海冰密集度偏低會在晚冬時誘發(fā)NAO/AO的負位相（NAO?/AO?），有利于歐亞氣溫降低。具體地，巴倫支—喀拉海海冰減少會激發(fā)行星波上傳，并在平流層發(fā)生波破碎，從而削弱平流層極渦，減弱的平流層極渦將下傳至對流層，并誘發(fā)NAO?/AO?，最終導致歐亞大陸產(chǎn)生低溫異常（Kim，et al，2014；Nakamura，et al，2015）。但是，也有研究指出，海冰改變所引起的北大西洋濤動位相變化幅度相較于大氣內部變率弱很多（Alexander，et al，2004），且響應對海冰異常的位置、強度以及所分析的時段高度敏感，用該機制來解釋海冰偏少與歐亞大陸低溫異常的關系尚顯不足（Vihma，2014）。

由此可見，北極海冰異常與歐亞大陸天氣、氣候的聯(lián)系仍然存在很大的不確定性。目前基于數(shù)值模擬探討大氣環(huán)流對海冰異常敏感性的研究（Deser， et al， 2004， 2007； Honda， et al， 2009；Peings，et al，2014；Petoukhov，et al，2010；Liptak，et al，2014）大多采用氣候模式，在氣候態(tài)海冰分布上疊加擾動，通過長時間積分來考察大氣環(huán)流平均狀態(tài)的變化情況。海冰擾動通常采用近幾十年的海冰變化趨勢或真實的極端多/少海冰年的異常海冰。但實際上，海冰在季節(jié)內具有很大的日變率，可以在幾天內快速消融（Dammann，et al，2013）。因此，考慮這種具有真實日變化的海冰擾動非常必要。此外，僅考慮大氣平均狀態(tài)的響應也不足以全面了解大氣環(huán)流的具體變化情況。

基于以上問題的考慮，利用全球氣候模式，根據(jù)少海冰年產(chǎn)生的真實具有日變化的海冰擾動進行敏感性試驗，以此探討海冰減少引起的地面湍流熱通量以及大氣的變化情況。此外，對長期數(shù)值模擬試驗而言，長時間的模式積分可以消除初值對試驗 結 果 的 影 響 （Petoukhov， et al， 2010； Screen，et al，2013； Liptak， et al， 2014； Suo， et al，2016；Sui，et al，2017；Peings，et al，2014）。文中為獲取足夠多的樣本，進行了100年的數(shù)值模式積分。而針對大氣對海冰異常響應研究結論的不一致，試圖從大氣環(huán)流對海冰減少響應的季節(jié)依賴以及非線性特征來解釋，設計了不同季節(jié)海冰異常和不同幅度海冰異常試驗，不僅考察冬季不同月份大氣的平均響應情況，同時也研究中高緯度大氣典型模態(tài)的變化。從而有利于加深對北極海冰變化與冬季北半球天氣、氣候關系的認識。

2 資料、試驗設計及方法

2.1 資 料

選用1979—2018年ERA-Interim逐日再分析資料，包括海冰密集度（Sea Ice Concentration，簡稱 SIC）、海表溫度（Sea Surface Temperature，簡稱SST），分辨率均為 1°×1°。

2.2 模式和試驗設計

研究所用模式是地球氣候系統(tǒng)模式（Community Earth System Model，CESM）中 的 大 氣 模 塊（Community Atmosphere Model version 4，CAM4）（Hurrell，et al，2013），其垂直方向有 26 層，最高可達 0.02917 hPa（Grassi，et al，2013），水平分辨率為1.9°×2.5°。

從給出的1979—2018年冬季（12月—次年2月）海冰密集度的標準差（圖1a）可以看到，冬季海冰密集度在北極各邊緣海域都有較大的日變率，其中巴倫支海和白令海變化尤為突出，巴倫支海海冰變化與歐亞天氣、氣候有密切的聯(lián)系（Petoukhov，et al，2010；Yang，et al，2012；Han，et al，2020）。因此，本研究關注的海冰異常區(qū)域為巴倫支海，具體范圍為（70°—80°N，15°—65°E）（圖1a中紅色扇形區(qū)域）。圖1b給出了冬季巴倫支海海冰異常指數(shù)（SIC anomaly index，SIA）的年變化情況，海冰異常指數(shù)通過計算巴倫支海海冰密集度去掉季節(jié)循環(huán)的距平場的區(qū)域平均得到；巴倫支海海冰密集度指數(shù)（SIC index，SI）則通過計算巴倫支海海冰密集度的區(qū)域平均得到。可以看到，冬季巴倫支海海冰存在明顯的減少趨勢，該趨勢在2000年以后更加顯著。已有研究（邵勰等，2016；武炳義等，2016；Zhang，et al，2016）表明，2015 年全球平均地面溫度是有氣象記錄以來最高的，冬季北極和亞洲大陸北部出現(xiàn)大范圍偏暖區(qū)域?；谶@種氣候特殊性，本研究利用巴倫支海2015年這個少海冰年的海冰作為強迫，考察海冰變化對北半球大氣環(huán)流的影響。

圖1 1979—2018 年冬季 （a） 海冰密集度的標準差 （紅色扇形區(qū)域為巴倫支海域 （70°—80°N，15°—65°E）），（b） 1979—2000 （藍色折線） 及 2000—2018 （橙色折線） 年巴倫支海海冰異常指數(shù)的年變化Fig.1 （a） Standard deviation of SIC in the winters （DJF） of 1979—2018，and the Barents Sea is denoted by the red frame （70°—80°N，15°—65°E），（b） Time evolution of the Barents Sea ice anomaly index during 1979—2000 （blue polyline） and 2000—2018 （orange polyline）

文中共進行了7個試驗，包括1個對照試驗（CTRL）、5個冬季海冰擾動試驗（WPERT）和 1個秋季海冰擾動試驗（APERT）。所有試驗積分時長均為100年，為了避免模式起始積分不穩(wěn)定帶來的偏差，舍棄前30年的數(shù)據(jù)，分析后70年的結果。對照試驗中海表溫度和海冰密集度均采用1979—2018年的氣候態(tài)，擾動試驗則只對巴倫支海域的海冰進行了更改，具體設置見表1。

圖2是對照試驗及5個冬季擾動試驗中巴倫支海海冰密集度指數(shù)的逐日演變。北極冬季是結冰季，從對照試驗中的海冰密集度指數(shù)可以明顯看到海冰的增長趨勢（紅線所示），平均而言12月處于最低水平，1—2月逐漸增多。但從擾動試驗的結果可以發(fā)現(xiàn)，雖然2015年巴倫支海冬季海冰整體偏少，但具有明顯的日變化特征，1月上旬的海冰增長過程以及1月底至2月初的海冰減少過程尤為顯著。若海冰異常的振幅減小，則逐日變率相對也減弱。Dammann等（2013）指出來自于海冰的這種高頻變率對大氣狀態(tài)的影響是不容忽視的。結合表1和圖2可見，從WPERT1到WPERT5，海冰減少的幅度在逐漸縮小（|SIA擾動/SI控制|減?。?。

表1 試驗設計 （冬 （秋） 季試驗改變 12 月—次年 1 月（9—11 月） 巴倫支海海冰密集度；SICclim （SIC2015）代表氣候態(tài) （2015年） 海冰密集度）Table 1 Barents SIC in seven experiments （In the winter （autumn） experiment，the prescribed Barents SIC from December to January （September to November） is changed； SICclim （SIC2015） represents climatological （2015） SIC）

圖2 對照試驗及冬季擾動試驗對應的巴倫支海冬季逐日海冰指數(shù) （SIdaily） 變化Fig.2 Daily evolution of sea ice index （SIdaily） over the Barents Sea in the control experiment and winter perturbation experiments

2.3 文中典型天氣系統(tǒng)的定義

文中主要考察了西伯利亞高壓（Siberian High，SH）以及北大西洋濤動的響應情況。西伯利亞高壓強度采用侯亞紅等人（2008）定義的方法來刻畫，即選取（20°—60°N，60°—130°E）海平面氣壓最大處為高壓主中心，高壓主中心的海平面氣壓值記為西伯利亞高壓的強度，具體如下

式中，SHS為強度指數(shù)， S LPi代表某一格點的海平面氣壓值。

西伯利亞高壓的位置改變用西伯利亞高壓中心經(jīng)、緯度指數(shù)描述

式中，SHE為中心經(jīng)度指數(shù)，指數(shù)值越大代表位置越偏東；SHN為中心緯度指數(shù)，指數(shù)值越大代表位置越偏北。 L oni為格點經(jīng)度， L ati為格點緯度。

北大西洋濤動指數(shù)（NAOI）參考 Li等（2003）定義的方法進行計算，具體為

式中，SLP在80°W—30°E進行緯向平均，S L P′代表對SLP進行標準化。

連續(xù)型隨機變量在某個確定取值點附近的可能性可以用概率密度函數(shù)（Probability density function，PDF）來表示。假設x為連續(xù)型隨機變量，定義概率密度為f(x)，則隨機變量落在區(qū)間[a，b]內的概率（p）如下（唐永蘭等，2019）

3 北半球大氣對冬季不同振幅海冰擾動的響應情況

3.1 冬季平均大氣對不同振幅海冰擾動的敏感性

從冬季海冰擾動試驗的平均海冰異常場和地面湍流熱通量異常場（圖3）可見，當巴倫支海冬季平均海冰密集度減小時，對應區(qū)域的冬季平均熱通量顯著異常向上，且異常的強度和范圍隨著海冰偏少幅度的減小而減弱，與觀測統(tǒng)計分析（Wu，et al，2010；Inoue，et al，2012；Kim，et al，2014）及數(shù)值試驗（Koenigk，et al，2009；Screen，et al，2013；Cassano，et al，2014；Liptak，et al，2014）結果一致，說明海冰減少可通過感熱和潛熱釋放影響低層大氣。

從冬季海冰擾動試驗逐月地面溫度異常場和海平面氣壓異常場（圖4）可見，巴倫支海海冰減少帶來的最直接影響是近地面溫度顯著升高，且局地變暖的強度與海冰減少的幅度成正比（Serreze，et al，2009）。歐亞大陸溫度在12月略有偏高，但不顯著，1月則顯著偏高，但在不同試驗中偏高強度并不與巴倫支海海冰減少幅度（圖3a）成正比，且區(qū)域也不盡相同，即大氣對巴倫支海海冰減少的響應具有非線性特征。在WPERT2和WPERT5試驗中歐亞大陸暖異常的強度最強，覆蓋區(qū)域最廣，對應海平面氣壓負異常也最顯著。這與任菊章等（2003）的研究結果一致，即亞洲大陸冷高壓減弱，有利于亞洲冬季大范圍增暖。值得注意的是，2月，從WPERT1到WPERT5，隨著海冰偏少幅度的減小，貝加爾湖以南的亞洲大陸西部部分區(qū)域逐漸出現(xiàn)冷異常，且WPERT4試驗中冷異常最顯著，說明冬季歐亞地面溫度對巴倫支海海冰異常的響應不僅是非線性的且在不同月份具有不同特征。因此，后文主要關注1月與2月的大氣響應情況。

為了解海冰減少后巴倫支海域及歐亞大陸的水汽變化情況，圖5給出WPERT1至WPERT5五個試驗對應的1、2月整層水汽含量、整層水汽通量及其散度的異常場。對比可見，在巴倫支海域，水汽含量在1月無顯著異常，而在2月顯著偏多，且隨海冰減少振幅的增大而增強。同時，大氣環(huán)流的水汽輸送在該地不顯著，表明海冰減少后局地蒸發(fā)對該地大氣水汽含量增加起重要作用。這與Screen等（2010）和Liu等（2012）的結論一致，即局地海冰減少，會導致北極地區(qū)冬季大氣水汽含量增加，且在海冰下降幅度最大的月份增加最多。但在歐亞大陸，水汽含量增加抑或減少主要取決于水汽輸送的輻合或輻散，同時也與局地升溫抑或降溫一致。

圖3 冬季海冰擾動試驗 （WPERT1—WPERT5） 對應的平均 （12 月—次年 2 月）（a—e） 海冰異常場及 （f—j） 湍流熱通量異常場 （單位：W/m2）（正值代表方向向上；圖中打點區(qū)域代表通過90%的顯著性t檢驗；黑色扇形區(qū)域為巴倫支海域，下同）Fig.3 Winter means （December—February） of （a—e） anomalous SIC and （f—j） anomalous surface turbulent heat flux （unit：W/m2；positive means upward） in the WPERT1—WPERT5 （Dotted areas are for values exceeding the 90%confidence level according to the Student’s t-test； The black sectors represent the Barents Sea （the same hereafter））

為進一步了解海冰減少引起的對流層低層大氣環(huán)流變化情況，圖6給出850 hPa水平風及位勢高度異常場?？梢钥吹剑?月，在巴倫支海東南部存在異常的氣旋式環(huán)流，這主要與巴倫支海域熱異常有關。氣旋式環(huán)流的南側有異常的西南氣流存在，將會給歐亞大陸輸送溫暖的大西洋空氣，有利于該區(qū)域溫度的升高。但環(huán)流的強度與海冰減少振幅的關系是非線性的，在WPERT2及WPERT5試驗中，該低壓異常最為顯著，對應歐亞大陸的升溫最明顯。該結果與Petoukhov等（2010）用ECHAM5進行的巴倫支—喀拉海區(qū)域海冰密集度設置為1%—40%的試驗結果相似。2月，西太平洋上的異常高壓東移至歐亞大陸東北部，并在WPERT4試驗中高壓異常達到最強，對應偏北風異常最強（圖6d），因此，貝加爾湖以南的亞洲大陸西部的低溫異常也達到最強。

圖4 冬季海冰擾動試驗 （WPERT1—WPERT5） 對應的 12 （a1—e1）、1 （a2—e2） 和 2 （a3—e3） 月地面溫度異常場（色階，單位：K） 和海平面氣壓異常場 （等值線，單位：hPa）（圖中打點區(qū)域和加粗的等值線代表通過90%的顯著性t檢驗）Fig.4 Anomalous surface temperature （shaded，unit：K） and anomalous sea level pressure （contours，unit：hPa） for the WPERT1—WPERT5 in December （a1—e1），January （a2—e2） and February （a3—e3）（The dotted areas and thick contours indicate values exceeding the 90% confidence level according to the Student's t-test）

圖5 WPERT1—WPERT5 試驗對應的 1 （a1—e1）、2 （a2—e2） 月整層水汽含量 （等值線， 實/虛線代表正/負值）、整層水汽通量 （箭頭，單位：kg/（m·s）） 及其散度 （色階，單位：10?5 kg/（m2·s）） 異常場（打點區(qū)域、等值線和箭頭均通過了90%的顯著性t檢驗）Fig.5 Anomalous vertically integrated water vapor content （contours，solid/dashed lines mean positive/negative values），anomalous moisture flux （vectors，unit：kg/（m·s）） and its divergence （shaded，unit：10?5 kg/（m2·s）） for the WPERT1—WPERT5 in January （a1—e1） and February （a2—e2）（The dots，contours and vectors indicate that the values exceed the 90% confidence level according to the Student's t-test）

圖6 試驗 WPERT1—WPERT5 對應的 1 （a1—e1） 、2 （a2—e2） 月 850 hPa 位勢高度異常場 （色階，單位：gpm）和850 hPa水平風異常場 （箭頭，單位：m/s）（打點區(qū)域和箭頭均通過了90%的顯著性t檢驗）Fig.6 Same as Fig.5 but for anomalous geopotential height （shaded，unit：gpm） and anomalous horizontal wind at 850 hPa （vectors，unit：m/s）

續(xù)圖6 Fig.6 Continued

從5個冬季擾動試驗對應的100—1000 hPa位勢高度及溫度的高度-經(jīng)度垂直剖面異常場（圖7）可以看到，中緯度系統(tǒng)具有深厚結構，中心位于對流層上層。1月，WPERT2和WPERT5試驗歐亞大陸中部40°—100°E范圍內的位勢高度負異常較顯著，對應歐亞大陸東部100°—120°E的高溫異常也最強。2月，位勢高度異常的剖面呈緯向偶極子結構，歐亞大陸西部0°—40°E范圍內位勢高度整層都為正異常，中東部為負異常。在WPERT4試驗中正異常最強，對應冷空氣向南的輸送也達到最強，歐亞大陸地面低溫異常最顯著，且這種低溫異常延續(xù)高度很高，可達 300 hPa。

巴倫支—喀拉海區(qū)域海冰密集度變化引起的局部異常氣旋/反氣旋式大氣響應是整個北半球大氣環(huán)流重新布局的原始觸發(fā)器（Petoukhov，et al，2010）。如上述冬季試驗，巴倫支海海冰的異常減少會通過增加向上的湍流熱通量來加熱低層大氣，從而引起局地溫度的升高以及水汽含量升高，這種局地響應將會通過大氣環(huán)流調整，對中緯度氣候產(chǎn)生影響。但對于不同幅度的海冰異常，大氣環(huán)流響應呈非線性變化。冬季海冰減少雖然會引起局地升溫，但對下游大陸而言卻是不可確定的，只有巴倫支—喀拉海地區(qū)出現(xiàn)深層暖異常時，冬季歐亞大陸 出 現(xiàn) 冷 異 常 的 概 率 才 更 大 （Sellevold， et al，2016）。當巴倫支海的暖異常只局限于對流層底時（圖略），暖信號對極地與中高緯度之間氣壓梯度和西風的影響都較弱，不能產(chǎn)生有利于冷空氣向南爆發(fā)的環(huán)流形勢，中緯度的暖異常主要由歐亞大陸的高壓決定（Cohen，et al，2020），因此，1 月歐亞大陸溫度表現(xiàn)為暖異常。2月由于西太平洋上的異常高壓東移至歐州大陸，促使冷空氣向南輸送，亞洲大陸西部有異常低溫出現(xiàn)。

圖7 WPERT1—WPERT5 試驗對應的 1 （a1—e1）、2 （a2—e2） 月 100—1000 hPa 位勢高度 （色階，單位：gpm）和溫度（等值線，單位：K） 在 30°—60°N 平均的剖面異常場Fig.7 Longitude-height cross section along 30°—60°N of anomalous geopotential （shaded，unit：gpm） and anomalous temperature （contours，unit：K） for the WPERT1—WPERT5 in January （a1—e1） and February （a2—e2）

續(xù)圖7 Fig.7 Continued

3.2 中高緯度典型模態(tài)對冬季海冰擾動的響應情況

為了解中高緯度大氣典型模態(tài)的變化情況，采用概率密度函數(shù)分別對西伯利亞高壓強度、位置指數(shù)（具體定義見式（1）、（2））進行擬合。從西伯利亞高壓強度指數(shù)的概率密度函數(shù)分布（圖8a）可以看到，12月，擾動試驗的概率密度函數(shù)曲線較對照試驗曲線偏右，表明擾動試驗中西伯利亞高壓偏強的概率較大。1月，擾動試驗代表的概率密度函數(shù)曲線與對照試驗相比，波峰雖高，但尾部狹窄，表明擾動試驗中西伯利亞高壓不僅偏強的概率較大，且變率較小，WPERT3和WPERT4試驗對應的概率密度函數(shù)曲線尾部向右延伸的范圍較大，即西伯利亞高壓強度為極端正異常的概率較大。而在2月，從擾動試驗對應的概率密度函數(shù)曲線的峰值中可以明顯看到西伯利亞高壓異常偏弱的概率較大。也就是說，即使在冬季，不同月份西伯利亞高壓強度的變化對巴倫支海海冰減少的響應也是不一致的，且西伯利亞高壓強度的異常變化與巴倫支海海冰偏少的幅度不存在線性對應關系。

從西伯利亞高壓位置指數(shù)（中心經(jīng)、緯度指數(shù)）的概率密度函數(shù)（圖8b、c）可見，與對照試驗相比，12和1月，WPERT2試驗曲線峰值較高，尾部延伸范圍較寬，說明西伯利亞高壓偏東偏北的概率較大且變率較大。而在2月，位置則更易偏西，且偏北的概率也不如初冬大。

圖8 WPERT1—WPERT5 試驗對應的 12 （a1—d1）、1 （a2—d2） 和 2 （a3—d3） 月西伯利亞高壓強度指數(shù) （a1—a3）、中心經(jīng)度指數(shù) （b1—b3）、中心緯度指數(shù) （c1—c3）、北大西洋濤動指數(shù) （d1—d3） 的概率密度函數(shù)分布Fig.8 Probability density distributions of （a1—a3） Siberian High strength index，（b1—b3） central longitude index，（c1—c3） central latitude index，（d1—d3） NAO index for the WPERT1—WPERT5 during December （a1—d1），January （a2—d2） and February （a3—d3）

從北大西洋濤動指數(shù)的概率密度函數(shù)分布（圖8d）可以看到，12月，與對照試驗相比，WPERT2和WPERT5試驗曲線的尾部向右延伸范圍較大，即發(fā)生北大西洋濤動正位相的概率偏大，利于高溫異常的維持。1月，WPERT2和WPERT5試驗對應曲線峰值較對照試驗偏小，即北大西洋濤動負位相出現(xiàn)的概率減小，不利于低溫異常的維持，這是12和1月試驗中暖異常較為顯著的原因之一。2月，擾動試驗的北大西洋濤動指數(shù)負值的概率更大，有利于歐亞大陸出現(xiàn)低溫異常，其中WPERT4試驗的曲線尾部向左延伸范圍最大，即發(fā)生北大西洋濤動負位相的概率最大，表現(xiàn)在地面溫度異常場低溫異常最顯著。通過分析同樣發(fā)現(xiàn)，冬季不同月份北大西洋濤動位相的傾向變化也是不一致的。

4 北半球大氣對秋季海冰擾動的響應情況

4.1 冬季平均大氣對秋季海冰擾動的敏感性

已有研究表明，前期秋季北極海冰異常偏少與冬季大氣環(huán)流有密切的關系（Francis，et al，2009；Wu，et al，2010），但大氣環(huán)流在北半球中高緯度地區(qū)對于秋季和冬季海冰減少的響應是不同的，冬季海冰減少對大氣環(huán)流的影響更強、范圍更廣（Tang，et al，2013）。為考察冬季大氣環(huán)流對前期秋季海冰異常的敏感性，設計了秋季海冰擾動（APERT）試驗。與冬季海冰擾動試驗中的WPERT2相比，秋季海冰擾動的SI擾動/SI控制值低至7%，即海冰消退比冬季更明顯，巴倫支海幾乎處于無冰狀態(tài)。

圖9是秋季海冰擾動試驗中冬季平均大氣環(huán)流異常情況。結果發(fā)現(xiàn)，在初冬（12月）巴倫支海熱通量異常顯著向下，雖然1、2月熱通量異常向上，但振幅明顯弱于冬季海冰擾動試驗（WPERT2）（圖9a、3g）。從整層水汽含量異常場來看，巴倫支海整層水汽含量在12月顯著偏多，1、2月水汽偏少但不顯著?？赡苁乔锛竞１鶞p少后，局地蒸發(fā)增強，大氣中水汽含量增大并持續(xù)到初冬，從而抑制了初冬巴倫支海的潛熱釋放，即秋季巴倫支海海冰的異?？沙掷m(xù)到初冬影響局地氣候（武豐民，2015）。而到1月，大氣環(huán)流異常導致巴倫支海水汽輻散、歐亞大陸水汽輻合，進而使得兩地整層水汽含量減弱和異常偏多（圖9b）。

從近地面溫度異常分布（圖9c）可以看到，巴倫支海只在初冬有異常偏高現(xiàn)象，但不如冬季海冰擾動試驗（WPERT2）顯著。此外，理論上，冬季海冰作為冬季歐亞大陸最直接的影響因子，其影響應該比秋季海冰的影響更加顯著（武豐民，2015）。但實際上，與Tang等（2013）用觀測資料所得的結論不同，歐亞大陸溫度及環(huán)流異常場結構雖與冬季海冰擾動試驗（WPERT2）相似，但強度更強、范圍更廣（圖9c、b）。這也佐證了武豐民（2015）的結論，秋季海冰除了可通過持續(xù)到冬季這一途徑影響冬季氣候外，還可以獨立地對歐亞大陸的冬季氣候產(chǎn)生影響。同時，整個環(huán)流結構北極濤動正位向相似（圖9c、d），限制了北極地區(qū)冷空氣向南擴展，從而使得歐亞的暖異常更易維持（12與1月）。2月暖中心東移至亞洲大陸，歐洲大陸出現(xiàn)弱的冷異常但不顯著。綜合來看，巴倫支海海冰在不同季節(jié)的減少對冬季巴倫支海局地湍流熱通量、溫度、水汽含量以及歐亞大陸溫度等都會產(chǎn)生不同的影響。

圖9 秋季海冰擾動試驗對應的 12 （a1—e1）、1 （a2—e2） 和 2 （a3—e3） 月 （a） 熱通量異常場 （單位：W/m2），（b） 整層水汽含量 （等值線，實/虛線分別代表正/負值 ）、整層水汽通量 （箭頭，單位：kg/（m·s）） 及其散度 （色階，單位：10?5 kg/（m2·s）） 異常場，（c） 地面溫度異常場 （色階，單位：K） 和海平面氣壓異常場 （等值線，單位：hPa），（d） 850 hPa 位勢高度異常場 （色階，單位：gpm） 及水平風異常場 （箭頭，單位：m/s），（e） 100—1000 hPa 位勢高度 （色階，單位：gpm） 和溫度 （等值線，單位：K） 在30°—60°N平均的剖面異常場 （圖中打點區(qū)域、箭頭和加粗的等值線代表通過90%的顯著性t檢驗）Fig.9 （a） Anomalous surface sensible and latent heat fluxes （unit：W/m2），（b） anomalous vertically integrated water vapor content （contours，solid/dashed lines mean positive/negative values），anomalous moisture flux （vectors，unit：kg/（m·s）） and its divergence （shaded，unit：10?5 kg/（m2·s）），（c） anomalous surface temperature （shaded，unit：K） and anomalous sea level pressure（contours，unit：hPa），（d） anomalous geopotential height （shaded，unit：gpm） and anomalous horizontal wind （vectors，unit：m/s） at 850 hPa，（e） longitude-height cross section along 30°—60°N of anomalous geopotential （shaded，unit：gpm） and anomalous temperature （contours，unit：K） for the APERT1 during December （a1—e1），January （a2—e2） and February （a3—e3）（The dots，vectors and thick lines indicate values exceeding the 90% confidence level according to the Student’s t-test）

續(xù)圖9 Fig.9 Continued

從溫度及位勢高度異常的垂直分布（圖9e）來看，中緯度系統(tǒng)結構深厚。12月，歐亞大陸西部0°—40°E范圍內整層位勢高度都為負異常，對應西南風增強，歐亞大陸中東部40°—110°E范圍內出現(xiàn)高溫異常。1月，隨著負異常系統(tǒng)東移加強，對應溫度偏暖區(qū)也東移加強。2月，0°—40°E范圍內位勢高度顯著的正異常則會驅動冷空氣的南輸，使得歐亞大陸中南部出現(xiàn)低溫異常。

與以往研究不同，在秋季海冰異常偏少的情況下，西伯利亞高壓（40°—60°N，80°—20°E）并未表現(xiàn)出異常偏強特征，甚至在2月出現(xiàn)減弱（圖9c）（Honda，et al， 2009；Wu， et al， 2010； Inoue， et al，2012；Liptak，et al，2014）。這可能與試驗中海溫的設置有關，Balmaseda等（2010）曾指出，大氣環(huán)流對北極海冰異常的響應與海表溫度密切相關，冬季北極海冰密集度和海表溫度異常的綜合影響是導致冬季西伯利亞高壓出現(xiàn)異常的原因（武炳義等，2011）。此外，也有研究（Warner，et al，2020；Wang，et al，2020b）認為，再分析數(shù)據(jù)以及模式數(shù)據(jù)中海冰與北大西洋濤動或西伯利亞高壓強度之間的相關性并不一定代表因果關系。如Warner等（2020）指出秋季巴倫支—喀拉海地區(qū)的海冰與北大西洋濤動指數(shù)之間的相關性是由內部變率引起的；Wang等（2020b）認為夏末秋初海冰變化與烏拉爾阻高（西伯利亞高壓）強度之間的聯(lián)系可能是由于二者共同受到發(fā)端于北美東岸的遙相關波列的影響。

4.2 中高緯度典型模態(tài)對秋季海冰擾動的響應

從秋季海冰擾動試驗對應的西伯利亞高壓強度、位置指數(shù)的概率密度函數(shù)曲線分布情況（圖10a、b和c）可見，12月，西伯利亞高壓強度偏強、位置偏東偏北的概率較大，1月情況類似，但2月，西伯利亞高壓強度出現(xiàn)顯著負異常、位置偏西偏北的概率較大。該結果與冬季海冰擾動試驗（WPERT2）相似，但不同的是，秋季海冰減少后，對應初冬西伯利亞高壓位置變率較小，即更易穩(wěn)定維持在歐亞大陸。

從北大西洋濤動指數(shù)的概率密度函數(shù)分布（圖10d）來看，12月，擾動試驗的曲線相較于控制試驗更陡峭，尾部延伸范圍較窄，即發(fā)生北大西洋濤動正、負位相的概率都在減小，對應地面溫度無顯著異常。而在1和2月，擾動試驗的曲線峰值偏高，即發(fā)生北大西洋濤動負位相的概率較大，但強負位相的概率較低。

5 結論與討論

利用CESM模式進行了巴倫支海不同季節(jié)海冰異常和不同幅度海冰異常試驗，分析了冬季北半球不同月份平均大氣對不同振幅及不同季節(jié)海冰擾動的敏感性，考察了中高緯度大氣典型模態(tài)的分布變化情況。得出如下主要結論：

（1）冬季巴倫支海海冰異常減少，會通過增加向上的湍流熱通量來加熱低層大氣，促使局地異常變暖及大氣中水汽含量的異常升高，這與以往結論（ Inoue， et al， 2012； Liptak， et al， 2014； Liu， et al，2012）一致。此外，擾動試驗表明相關異常的強度和范圍隨著海冰偏少幅度的減小而減弱。這種局地響應會通過大氣環(huán)流調整擴散開來，產(chǎn)生遠程影響，但對歐亞大陸而言，水汽含量的變化主要由水汽輸送決定，地面溫度的響應是非線性，這與Petoukhov等（2010）的研究結果一致。同時，試驗結果揭示，初冬和晚冬的響應是不同的，當巴倫支海海冰異常只局限于對流層底時，歐亞大陸的暖異?？赡艹掷m(xù)存在。

（2）相對冬季海冰擾動試驗，秋季海冰減少雖未引起冬季局地顯著的溫度異常，且在整個冬季，局地湍流熱通量主要與整層水汽含量成反相關關系，并未表現(xiàn)出一致的異常向上特征，但歐亞大陸大氣環(huán)流對秋季巴倫支海海冰減少的響應比對冬季海冰減少的響應更強、范圍更廣，這與Tang等（2013）指出的冬季極端天氣對冬季海冰異常響應更顯著的研究結果不同，表明秋季海冰可以獨立地對冬季中緯度大氣產(chǎn)生影響。

（3）冬季，不同月份西伯利亞高壓強度、位置對巴倫支海海冰減少的響應不一致。12和1月，西伯利亞高壓強度更易偏強、位置易偏東，2月則與之相反。這驗證了Wang等（2020b）的結論，即秋季或初冬季節(jié)海冰減少，西伯利亞高壓不一定在整個冬季都表現(xiàn)出異常偏強的特征。此外，試驗結果還表明，與冬季相比，秋季海冰偏少時，西伯利亞高壓更易穩(wěn)定維持在歐亞大陸。

圖10 秋季海冰擾動試驗 （紅色實線） 及對照試驗 （藍色實線） 對應的 12 （a1—d1）、1 （a2—d2） 和 2 （a3—d3） 月西伯利亞高壓強度指數(shù) （a1—a3） 、中心經(jīng)度指數(shù)（b1—b3） 、中心緯度指數(shù)（c1—c3）和北大西洋濤動指數(shù)（d1—d3） 的概率密度分布Fig.10 Same as Fig.8 but for the APERT

（4）冬季，北大西洋濤動位相的傾向變化對不同季節(jié)、不同振幅巴倫支海海冰減少的響應不相同。冬季海冰減少時，初冬發(fā)生北大西洋濤動負位相的概率偏小，但12月出現(xiàn)極端負位相的概率較大。而秋季海冰減少時，晚冬發(fā)生北大西洋濤動負位相的概率增加，但出現(xiàn)極端負位相的概率減少。

以上工作主要分析了北半球冬季大氣對巴倫支海不同強度、不同季節(jié)的海冰擾動的整體響應情況。但實際上，由于海冰在季節(jié)內具有很大的日變率，月平均會忽略環(huán)流的日變化信號。因此，下一步工作有必要針對冬季及秋季試驗，從日變化的角度來分析大氣的瞬時響應情況，以期對秋、冬季海冰對后期大氣影響的差異性及原因有更加深入的了解。此外，也可以通過分析天氣事件（如烏拉爾阻塞）的變化情況來了解歐亞極端冷事件產(chǎn)生的原因。

致 謝：感謝NCAR提供的CESM模式，ECMWF提供的ERA-Interim再分析資料（https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily）。