王卓凡 韓哲 李雙林 李國(guó)平 孫雪倩

1 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

1 引言

南極作為全球兩極冷源之一，在全球熱收支平衡中起到重要作用。由于南極地區(qū)的海冰、大氣和海洋之間存在復(fù)雜的相互作用，它不僅可以作為全球氣候變化的指示器，而且也能反過來影響全球氣候變化和極地的生態(tài)環(huán)境。與北極海冰不同，南極海冰的變化更為復(fù)雜。從長(zhǎng)期趨勢(shì)來看，盡管全球處于增暖的狀態(tài)，但是南極海冰卻表現(xiàn)出弱的增加（IPCC, 2019）。更為復(fù)雜的是，海冰的增加速率存在很大的區(qū)域差異，羅斯海、威德爾海和南極大陸東部沿岸海域，海冰在逐年增加；而在別林斯高晉海和阿蒙森海海域，海冰卻在減少（Cavalieri and Parkinson, 2012; Fan et al., 2014）。尤其是最近十年，南極海冰表現(xiàn)出劇烈的年際變化，2012～2014年南極海冰范圍不斷出現(xiàn)自衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來的最大值，隨后急劇減少，并在2016年末出現(xiàn)自衛(wèi)星觀測(cè)以來的最小值，且這一偏少狀態(tài)一直維持到2020年。南極海冰變化的成因已成為當(dāng)前氣候領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這個(gè)問題也開展了很多的研究。

前人的研究表明，南極海冰的變化可能受到季節(jié)內(nèi)、年際以及年代際多個(gè)氣候系統(tǒng)變率的影響，使得海冰在不同時(shí)間尺度上都表現(xiàn)出明顯的變率。在天氣尺度上，南極海冰受到氣旋活動(dòng)的強(qiáng)烈影響（Wang et al., 2014; Turner et al., 2020; Yu et al.,2021）。年際尺度上，大氣系統(tǒng)中的南半球環(huán)狀模，阿蒙森低壓、緯向3波模態(tài)等對(duì)海冰年際變化都有非常大的影響 （Yuan and Li, 2008; Simpkins et al.,2015），而海洋中的ENSO、印度洋偶極子等能夠通過大氣遙相關(guān)影響南極海冰（Song et al., 2011;Wang et al., 2019）。在年代際尺度上，PDO（Pacific Decadal Oscillation）、AMO（Atlantic Multidecadal Oscillation）等都是影響南極氣候的重要因素（Li et al., 2004; Meehl et al., 2016）。本研究主要關(guān)注的是海冰的年際變化。ENSO事件是氣候系統(tǒng)中最強(qiáng)的年際變率，它能夠通過激發(fā)向熱帶外傳播的羅斯貝波影響南半球高緯的大氣環(huán)流，進(jìn)而可能影響南極的海冰變化（程彥杰等, 2002; 陳錦年等,2004）。但早期的這些研究，沒有區(qū)分ENSO事件的類型。眾所周知，熱帶太平洋存在兩種不同類型且相對(duì)獨(dú)立的El Ni?o事件（Larkin and Harrison,2005; Ashok et al., 2007; Kao and Yu, 2009; Kug et al., 2009; Yeh et al., 2009; Ren and Jin, 2011）。一種是傳統(tǒng)的、海表面溫度異常最大中心出現(xiàn)在熱帶東太平洋的，東部型El Ni?o事件（Eastern-Pacific，EP），另一種是海表面溫度異常最大中心出現(xiàn)在熱帶中太平洋的，中部型El Ni?o事件（Central-Pacific，CP）（符淙斌和弗萊徹, 1985）。這兩類不同El Ni?o事件對(duì)南極海冰的影響是否存在差異呢？這一問題在近十年來引起了人們的關(guān)注。

Song et al.（2011）利用 1948～2010 年海溫與海冰數(shù)據(jù)，利用合成分析方法，比較了EP型與CP型對(duì)南極海冰的影響，研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)應(yīng)兩類事件，南極地區(qū)都出現(xiàn)一種被稱為南極海冰偶極子（ADP）的海冰異常型。南極海冰偶極子（ADP）是南半球高緯度太平洋扇區(qū)（150°W～120°W）和大西洋扇區(qū)（50°W～20°W）海冰密集度的蹺蹺板式變化（Yuan and Martinson, 2001），是南半球夏季海冰變化的主導(dǎo)模態(tài)。但是，兩類事件期間相比而言，ADP的強(qiáng)度與分布存在差異，與EP相聯(lián)系的海冰偶極子比與CP相聯(lián)系的海冰偶極子要弱。這種不同厄爾尼諾類型與ADP強(qiáng)弱的對(duì)應(yīng)關(guān)系，和不同厄爾尼諾類型與大氣環(huán)流異常強(qiáng)弱的對(duì)應(yīng)關(guān)系，二者之間似乎矛盾。因?yàn)榕cEP相聯(lián)系的大氣環(huán)流異常強(qiáng)度比與CP相聯(lián)系的大氣環(huán)流異常強(qiáng)度要強(qiáng)（Song et al., 2011）， 考慮到與ADP有關(guān)的海冰異常在很大程度上是受大氣環(huán)流異常（表面風(fēng)場(chǎng)）動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)的大氣環(huán)流異常對(duì)應(yīng)著更大的海冰異常。這意味著，EP期間，而不是CP期間，海冰偶極子應(yīng)該更強(qiáng)。Song et al.（2011）用海冰—反照率的正反饋來解釋這一看似矛盾的現(xiàn)象。他們認(rèn)為，前期春季對(duì)應(yīng)CP的海冰異常強(qiáng)于對(duì)應(yīng)EP的海冰異常， 導(dǎo)致后期夏季CP期間更大（更?。┑姆凑章?，有利海冰增多（減少），遂形成正反饋，引起下一個(gè)季節(jié)對(duì)應(yīng)CP型，海冰異常更明顯。Yu et al.（2015）的合成研究結(jié)果與Song et al.（2011）類似，解釋也基本相同。Song et al.（2011）的解釋本質(zhì)上是基于海冰的跨季節(jié)持續(xù)性，即前一季節(jié)的海冰異常能夠持續(xù)到下一個(gè)季節(jié)，盡管這是非常可能的，但還存在一定的不確定性。一方面是資料質(zhì)量的問題。Song et al.（2011）所用的資料時(shí)段為1948～2011年，在1979年之前由于缺乏衛(wèi)星觀測(cè)，海冰資料存在很大的誤差。另一方面，他們用的是合成分析，所用分析的個(gè)例數(shù)比較少，EP事件只有7個(gè)，CP事件只有6個(gè)。由于中高緯大氣自身年際變化具有很強(qiáng)的內(nèi)部變率，這些少的個(gè)例合成難以得到可靠的結(jié)果，較少個(gè)例合成的結(jié)果可能包含其他年際尺度信號(hào)的影響。尤其是對(duì)于CP事件，由于其強(qiáng)度比較小、信號(hào)弱，少的個(gè)例合成結(jié)果可靠性更是問題。綜上所述，前人關(guān)于兩類El Ni?o事件對(duì)海冰影響的研究結(jié)果，存在不確定性，需要用更長(zhǎng)時(shí)間的資料和更多的樣本去分析驗(yàn)證。這是本文的研究目的所在。

本研究基于相對(duì)更可靠的1979年之后的海冰資料，利用考慮了分析資料序列每年信號(hào)的回歸分析方法，而不是幾個(gè)例子的合成，重新分析了兩類El Ni?o事件對(duì)南極海冰異常的影響。此外，研究主要關(guān)注的是海冰的年際變化異常，其中天氣尺度活動(dòng)的影響在求季節(jié)平均時(shí)已相互抵消，而年代際變化的影響則通過濾波的方法去除掉。本文得到的結(jié)果與前人有所不同，但物理上似乎更為合理。這對(duì)于認(rèn)識(shí)南極海冰變異，進(jìn)行海冰預(yù)測(cè)，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。

2 資料與方法

（1）本文所用的資料包括：英國(guó)Hadley中心海冰密集度（SIC）數(shù)據(jù)，網(wǎng)格精度為1°（緯度）×1°（經(jīng)度）。美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的月平均高度場(chǎng)、10 m風(fēng)場(chǎng)和熱通量資料等大氣再分析資料（NCEP1），空間分辨率2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）。本文所有數(shù)據(jù)的時(shí)間段為1979年1月到2018年12月，分析之前首先去除了氣候平均值，即1981～2010共計(jì)30年的平均，然后去除9年的滑動(dòng)平均，僅保留年際變化信號(hào)。如無特別說明，本文中的季節(jié)是指南半球，例如夏季為12月至2月。

（2）關(guān)于El Ni?o事件的分類，方法較為多樣。出于不同的目的，不同的學(xué)者設(shè)計(jì)了不同的指標(biāo)來定性判斷兩類El Ni?o事件。早期有學(xué)者根據(jù)海溫異常中心出現(xiàn)的時(shí)間來劃分兩類事件（符淙斌和弗萊徹, 1985; 臧恒范和王紹武, 1991; 林學(xué)椿和于淑秋, 1993; Xu and Chan, 2001），近年來多數(shù)研究是基于海溫異常中心出現(xiàn)的位置來劃分兩類事件（Larkin and Harrison, 2005; Ashok et al., 2007; Kug et al., 2009; Ren and Jin, 2011; Wang et al., 2018）。

本文參考了2017年2月中國(guó)氣象局頒布的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》（中國(guó)氣象局, 2017），該標(biāo)準(zhǔn)定義東部型厄爾尼諾指數(shù)IEP和中部型厄爾尼諾指數(shù)ICP如下：

其中，INi?o3為 Ni?o3 指數(shù)，表示 Ni?o3 區(qū)（5°S～5°N，150°W～90°W）的 SSTA 的平均值；INi?o4為Ni?o4 指數(shù)，表示Ni?o4 區(qū)（5°S～5°N，160°E～150°W）的 SSTA 的平均值（單位：°C）。當(dāng)INi?o3×INi?o4＞0 時(shí)，α=0.4；當(dāng)INi?o3×INi?o4≤0 時(shí)，α=0；α的取值由歷史經(jīng)驗(yàn)得到。此組指數(shù)不僅可以較好地區(qū)分開兩類El Ni?o事件的海溫分布特征，而且兩個(gè)指數(shù)的滑動(dòng)超前滯后相關(guān)也較好地反映了20世紀(jì)70年代末海溫突變特征（Ren and Jin, 2011）。

（3）線性斜壓模式（LBM）

為了分析ENSO有關(guān)的熱帶熱源強(qiáng)迫引起的熱帶外直接大氣響應(yīng)，本文使用線性斜壓模式（Linear Baroclinic Model，LBM）進(jìn)行試驗(yàn)。 LBM是對(duì)大氣環(huán)流和氣候異常進(jìn)行診斷的有力工具，它處理非絕熱加熱和瞬變渦動(dòng)強(qiáng)迫為獨(dú)立強(qiáng)迫，通過積分線性化的平均運(yùn)動(dòng)方程，可以獲得在一定的背景環(huán)流態(tài)下，大氣對(duì)穩(wěn)定熱源和瞬變渦動(dòng)強(qiáng)迫的平衡態(tài)響應(yīng)（Li, 2004）。這里進(jìn)行試驗(yàn)的背景態(tài)是根據(jù)再分析資料計(jì)算得到的，1981～2010年南半球夏季（12月、1月和2月）的平均氣候。為了獲得穩(wěn)定的響應(yīng)，在動(dòng)量方程和熱力學(xué)方程中，瑞利摩擦和牛頓阻尼以及雙諧波擴(kuò)散和熱擴(kuò)散系數(shù)的設(shè)置與Li（2004）相同。在這些阻尼或耗散設(shè)置下，LBM響應(yīng)需要大約35天才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，我們選擇40天積分的最后5天來表示大氣對(duì)強(qiáng)迫的平衡態(tài)響應(yīng)。

3 EP和CP事件中的海冰異常

從南半球夏季海冰密集度異常場(chǎng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的EP和CP指數(shù)的回歸可以看出（圖1a和1b），兩類El Ni?o事件期間南極海冰異常的空間分布盡管定性上是相似的，但是也存在明顯差異。兩者類似的是，羅斯海和阿蒙森海的海冰減少為主，威德爾海海區(qū)的海冰增多為主，東西呈現(xiàn)蹺蹺板式變化，與Yuan and Martinson（2001）提出的南極偶極子特征相似。兩者之間的差異是，EP事件中海冰異常的更強(qiáng)，包括羅斯海和阿蒙森海的海冰減少，以及威德爾海北部的海冰增多和南部的海冰減少。而在CP事件中，海冰異常要弱一些。此外，與EP事件中的海冰異常相比，CP事件中威德爾海海域的海冰增加偏東偏南，而羅斯海和阿蒙森海的海冰范圍偏小、強(qiáng)度偏弱。海冰由于其熱容量大維持時(shí)間長(zhǎng)，所以也受到前期海冰異常持續(xù)性的影響，尤其是在夏半年，這種效應(yīng)可以通過海冰—反照率的正反饋機(jī)制放大。在前期11月，CP事件中的海冰異常在羅斯海、阿蒙森海和威德爾海也呈現(xiàn)偶極型分布（圖1c和1d），這種異常分布對(duì)夏季羅斯海、阿蒙森海地區(qū)的海冰減少和威德爾海的海冰增加起到正的貢獻(xiàn)。然而在EP事件中，羅斯海、阿蒙森海和威德爾海海冰異常在11月與后期夏季完全不同。

圖1 （a、b）南半球夏季（12月至2月）和（c、d）前期11月海冰密集度異常到同期（a、c）EP指數(shù)和（b、d）CP指數(shù)的回歸（斜線區(qū)表示通過95%置信度檢驗(yàn)）Fig.1 Regression of (a, c) EP (Eastern-Pacific El Ni?o event) and (b, d) CP (Central-Pacific El Ni?o event) indexes to anomalies of sea ice concentration during the (a, b) Southern Hemisphere summer (December to February) and the (c, d) previous November (slanting lines represent statistical significance exceeding the 95% confidence level)

4 EP和CP事件中海冰異常差異的成因

EP和CP事件中，海冰異常最主要的差異是EP事件中的海冰異常比CP事件中的海冰異常偏強(qiáng)。自然而然可以想到的是，這是否與兩類事件自身的強(qiáng)度有關(guān)呢？圖2為夏季（12月至2月）海表面溫度異常場(chǎng)回歸到標(biāo)準(zhǔn)化的EP和CP指數(shù)上，可以看出兩者的海溫異常確實(shí)存在差異。EP事件的增溫位置主要位于熱帶東太平洋，向西延伸至日界線附近，增溫幅度較大，最大約為1.12°C。而CP事件的增溫區(qū)域主要在熱帶中太平洋（160°E～120°W）。與EP事件相比，CP事件中海溫的增暖幅度偏弱，最大約為0.87°C，這與前人的結(jié)果一致（Song et al., 2011; Zhao et al., 2016; Xu et al., 2019）。如何衡量熱帶海溫異常強(qiáng)度對(duì)兩類El Ni?o事件中海冰分布差異的影響呢？本文中采用了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方法，由于海冰和海溫異?；貧w場(chǎng)都是代表1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的EP和CP指數(shù)對(duì)應(yīng)的海冰和海溫異常，因此將海冰異?；貧w場(chǎng)（圖1a和1b）除以了海溫振幅，海溫振幅定義為熱帶太平洋地區(qū)海溫異常的最大值（圖2中EP和CP事件海溫異常場(chǎng)的最大值分別為 1.12 和 0.87），即 1.12°C 和 0.87°C。結(jié)果表明，EP和CP海冰異常的強(qiáng)度趨于一致（圖3），所以海溫異常強(qiáng)度是導(dǎo)致海冰異常差異的一個(gè)重要原因。

圖2 南半球夏季（12月至2月）（a）EP指數(shù)和（b）CP指數(shù)對(duì)海表面溫度異常場(chǎng)的回歸系數(shù)分布（陰影區(qū)表示通過95%置信度檢驗(yàn)的區(qū)域）Fig.2 Regression of (a) EP and (b) CP indexes to SST anomalies during the Southern Hemisphere summer, with shaded areas indicating statistical significance exceeding the 95% confidence level

圖3 （a）EP事件和（b）CP事件中的海冰密集度異?；貧w場(chǎng)分別除以海溫振幅1.12和0.87Fig.3 Sea ice concentration anomalies during (a) EP event and (b) CP event divided by SST amplitudes of 1.12 and 0.87, respectively

4.1 動(dòng)力作用

熱帶海溫是如何引起熱帶外大氣環(huán)流異常的呢？過去的研究表明，熱帶海溫通過加熱異常激發(fā)了向極地傳播的羅斯貝波，并與高緯的天氣尺度波相互作用形成的。首先分析了由熱帶海溫異常引起的對(duì)流加熱異常，熱帶降水和對(duì)外長(zhǎng)波輻射異常都能夠反映由海溫異常引起的對(duì)流加熱異常。由圖4可見，EP和CP引起的對(duì)流加熱異常中心位于海溫暖異常中心的西側(cè)。EP事件中，降水場(chǎng)異常和對(duì)外長(zhǎng)波異常主要位于熱帶100°E～140°W，CP事件中的主要異常區(qū)域位于100°E～170°W，加熱正異常區(qū)域相對(duì)CP略微偏西，這與前人的研究一致（Sun et al., 2013; Wilson et al., 2014, 2016; Ciasto et al.,2015）。

圖4 南半球夏季（12月至2月）EP指數(shù)和CP指數(shù)回歸的（a、b）降水場(chǎng)異常場(chǎng)（單位：mm）和（c、d）對(duì)外長(zhǎng)波輻射異常場(chǎng)（單位：W/m2)：（a、c）EP事件；（b、d）CP事件。陰影區(qū)為通過95%置信度檢驗(yàn)的區(qū)域Fig.4 Regression of EP and CP indexes to (a, b) precipitation anomalies (units: mm) and (c, d) OLR anomalies (units: W/m2) during Southern Hemisphere summer: (a, c) EP event; (b, d) CP event.The shaded areas represent statistical significance exceeding the 95% confidence level

過去的研究表明，太平洋海溫度異常引起的加熱異常能在對(duì)流層上層激發(fā)向極地方向傳播的羅斯貝波，形成類似太平洋—南美（PSA）的遙相關(guān)型，造成南半球中高緯地區(qū)乃至南極的天氣氣候異常（Karoly, 1989）。從這一思路出發(fā)，分析了與EP和CP相聯(lián)系的大氣環(huán)流異常，圖5為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的EP和CP指數(shù)回歸500 hPa高度場(chǎng)異常分布。EP事件中新西蘭島南側(cè)為顯著低壓異常，南太平洋為顯著高壓異常，高壓異常范圍非常廣，南美大陸東側(cè)為低壓異常，這一環(huán)流異常分布與南半球PSA非常相似。從風(fēng)場(chǎng)來看（圖6），海冰減少和增多的區(qū)域分別出現(xiàn)在具有較強(qiáng)北風(fēng)和南風(fēng)異常的區(qū)域，反映了大氣對(duì)海冰的動(dòng)力輸送作用。羅斯海、阿蒙森海海域?yàn)闁|北風(fēng)異常，使得海冰減少，同時(shí)由于海冰向極地輸送，使得海冰在靠極地的海域增加，但是范圍小于海冰減少的區(qū)域。威德爾海為南風(fēng)異常，從南極大陸吹向海洋的冷風(fēng)使得海冰在威德爾海北部堆積增加，在南部減少。CP事件中，高壓異常相對(duì)EP偏弱，尤其是羅斯海區(qū)域。羅斯海的高壓異常不明顯可能與從海洋性大陸向極地的羅斯貝波傳播較弱有關(guān)。所以CP事件中北風(fēng)異常在羅斯海和阿蒙森海相對(duì)EP事件偏弱，由此導(dǎo)致的海冰減少也相對(duì)偏弱。在威德爾海，海表風(fēng)場(chǎng)為西風(fēng)異常，通過動(dòng)力輸送對(duì)海冰增加起到一定的貢獻(xiàn)。EP和CP事件中威德爾海的海表風(fēng)場(chǎng)異常存在較大的差異，可能是因?yàn)镃P事件引起的大氣環(huán)流異常包含為緯向?qū)ΨQ的異常，而EP引起的大氣環(huán)流異常主要表現(xiàn)為緯向非對(duì)稱，這與前人的研究也是一致（Yu et al., 2015）。

圖5 南半球夏季（12月至2月）（a）EP指數(shù)和（b）CP指數(shù)回歸的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常分布（單位：gpm)。陰影區(qū)為通過95%置信度檢驗(yàn)的區(qū)域Fig.5 Regression of the (a) EP and (b) CP indexes to geopotential height anomalies (units: gpm) at 500 hPa during Southern Hemisphere summer.The shaded areas represent statistical significance exceeding the 95% confidence level

圖6 南半球夏季（12月至2月）（a）EP指數(shù)和（b）CP指數(shù)回歸的10 m風(fēng)場(chǎng)異常分布（單位：m/s）。陰影區(qū)為通過95%置信度檢驗(yàn)的區(qū)域Fig.6 Regression of (a) EP and (b) CP index to 10-m wind anomalies (units: m/s) during Southern Hemisphere summer.The shaded areas represent statistical significance exceeding the 95% confidence level

為了驗(yàn)證上述大氣環(huán)流與熱帶加熱異常的關(guān)系，利用線性理論模式模擬了南半球大氣環(huán)流對(duì)兩類El Ni?o事件引起的熱源異常的響應(yīng)。模式積分35天后達(dá)到平衡態(tài)，繼續(xù)積分至第40天，選取最后5天的平均表示大氣對(duì)外強(qiáng)迫的響應(yīng)。該數(shù)值試驗(yàn)中，熱源加熱異常位于熱帶太平洋，如圖7所示，垂直方向的加熱中心約為400 hPa，在對(duì)流層頂接近于零（圖7c），其他格點(diǎn)的加熱垂直廓線形狀與黑點(diǎn)處相同。模式中的氣候態(tài)為1981～2010年12月至2月的平均。圖8為500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)對(duì)加熱場(chǎng)的響應(yīng)，EP事件中，大氣響應(yīng)在赤道東太平洋（0°，160°W）附近為正中心，新西蘭東南側(cè)為負(fù)異常，南太平洋（60°S，120°W）附近為正，位勢(shì)高度異常存在一個(gè)“正—負(fù)—正”的響應(yīng)。這一熱帶加熱激發(fā)的波列與觀測(cè)結(jié)果非常相似，說明觀測(cè)中與EP相聯(lián)系的大氣環(huán)流主要是由熱帶加熱異常引起。CP事件中大氣對(duì)熱源異常的響應(yīng)相對(duì)于EP事件偏弱一些，尤其是在羅斯海區(qū)域，這與觀測(cè)結(jié)果基本一致。但是，CP事件中的大氣響應(yīng)在南極半島附近與觀測(cè)存在一些差異，這可能是因?yàn)榫€性模式?jīng)]有考慮天氣尺度瞬變波的反饋，而天氣尺度瞬變波在CP型海溫對(duì)大氣的影響中也起到重要作用（Yu et al., 2015）。

圖7 （a）EP事件、（b）CP事件線性斜壓模式試驗(yàn)中加入的熱源強(qiáng)迫（單位：K d-1，黑點(diǎn)為熱帶太平洋中一點(diǎn)）；（c）黑點(diǎn)處的加熱垂直廓線Fig.7 Heating source forcing (units: K d-1) added in the linear baroclinic mode in (a) EP event and (b) CP event (the black spot is a point in the tropical Pacific); (c) vertical profile of the black spot

圖8 （a）EP事件、（b）CP事件中500 hPa位勢(shì)高度（單位：gpm）對(duì)線性斜壓模式試驗(yàn)中加入的熱源強(qiáng)迫的響應(yīng)Fig.8 Response of the geopotential height (units: gpm) at 500 hPa to the heating source forcing added in the linear baroclinic mode in (a) EP event and (b) CP event

4.2 局地?zé)崃ψ饔?/h3>

大氣橋的除了通過動(dòng)力作用影響海冰外，還可以影響海冰和大氣之間的熱收支，進(jìn)而影響海冰的變化，此外海冰變化也改變了局地的海氣熱量交換，進(jìn)而對(duì)海冰變化產(chǎn)生反饋。海表面熱通量是表征海洋—大氣相互作用的一個(gè)重要參數(shù)，它通過影響大氣邊界層結(jié)構(gòu)來影響海洋（褚健婷等, 2006）。PSA遙相關(guān)型的高壓中心西側(cè)位于羅斯海，東側(cè)位于威德爾?？繕O地大陸一側(cè)，使得羅斯海至威德爾海呈反氣旋環(huán)流，產(chǎn)生下沉氣流，引起氣溫增加，使得該地區(qū)海冰減少（圖9）。此外，高壓西側(cè)的北風(fēng)異常帶來的暖平流輸送，抑制了感熱和潛熱釋放，使得羅斯海海冰減少，而高壓東側(cè)的南風(fēng)異常帶來的冷平流輸送，增強(qiáng)了感熱和潛熱釋放，使得威德爾海海冰增加（圖10）。對(duì)比感熱通量、潛熱通量、短波輻射和長(zhǎng)波輻射，可以看出夏季太陽短波輻射起主導(dǎo)作用，短波輻射對(duì)南極夏季海冰異常分布的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三者（圖10）。尤其是CP事件中威德爾海海冰的增加，雖然動(dòng)力作用的貢獻(xiàn)可能比較弱，但是前期11月份海冰的增多造成海冰和太陽短波之間的正反饋效應(yīng)，使得夏季海冰持續(xù)增多。

圖9 南半球夏季（12月至2月）（a）EP指數(shù)和（b）CP指數(shù)回歸的熱通量異常分布（單位：W/m2）。負(fù)（正）值代表向下的熱通量減少（增加），斜線區(qū)通過95%置信度檢驗(yàn)Fig.9 Regression of EP and CP indexes to heat flux anomalies (units: W/m2) during summer, where the negative (positive) value represents decreased (increased) downward heat flux: (a) EP event, (b) CP event.The slash indicates statistically significance exceeding the 95% confidence level

圖10 （a）EP事件、（b）CP事件區(qū)域平均的感熱通量（shtlf）、潛熱通量（lhtfl）、凈短波輻射（nswrs）和凈長(zhǎng)波輻射（nlwrs）。灰色為威德爾海區(qū)域（60°S～70°S，40°W～50°W）的區(qū)域平均值，黑色為羅斯海和阿蒙森海區(qū)域（60°S～70°S，130°W～140°W）的區(qū)域平均值Fig.10 Area-averaged sensible heat flux (shtlf), latent heat flux (lhtfl), net short wave radiation (nswrs), and net longwave radiation (nlwrs) (units:W/m2): (a) EP event; (b) CP event.The gray columns are the area average in the Weddell Sea (60°S-70°S, 40°W-50°W), and the black columns are the area average in the Ross Sea and Amundsen Sea (60°S-70°S, 130°W-140°W)

5 結(jié)論

利用有可靠衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來（1979～2018年）的海冰數(shù)據(jù)，采用提取了逐年信號(hào)的回歸分析方法，分析了兩類El Ni?o事件對(duì)南極海冰的影響及差異，得到了一些有別于前人的新結(jié)果?？偨Y(jié)如下：

兩種類型El Ni?o事件引起的南極夏季海冰異常表現(xiàn)出一定的相似性，但也存在明顯差異。相似性：兩類事件中海冰異常分布都呈現(xiàn)偶極子型（ADP）分布，即羅斯海和阿蒙森海海冰以減少為主，威德爾海海冰以增加為主。差異性：EP事件對(duì)應(yīng)的羅斯海和阿蒙森海海冰異常要強(qiáng)于CP事件，且位置偏東一些；在威德爾海，EP事件對(duì)應(yīng)的海冰增多強(qiáng)于CP事件，同時(shí)最大異常中心位置偏西偏北。前期11月， EP事件對(duì)應(yīng)阿蒙森海海冰增多，威德爾海海冰減少，CP事件相反。

EP和CP事件期間熱帶中東太平洋海溫異常本身強(qiáng)度的不同，是造成海冰差異的重要原因，尤其是對(duì)羅斯海和阿蒙森海而言。EP和CP事件影響海冰主要是通過激發(fā)向南極傳播的羅斯貝波列，調(diào)制了太平洋—南美遙相關(guān)型。線性模式模擬表明，熱帶海溫加熱異常確實(shí)能夠激發(fā)這樣的大氣環(huán)流異常，且EP導(dǎo)致的環(huán)流異常強(qiáng)于CP導(dǎo)致的環(huán)流異常，與觀測(cè)分析基本一致。

EP事件激發(fā)的遙相關(guān)波列使得羅斯海出現(xiàn)北風(fēng)異常，導(dǎo)致海冰在羅斯海北部減少，南部增加；威德爾海出現(xiàn)南風(fēng)異常，從南極大陸吹向海洋的冷風(fēng)使得海冰在威德爾海北部堆積，進(jìn)而增加。CP事件中，威德爾海東部受一個(gè)顯著的低壓中心控制，在靠近極地一側(cè)產(chǎn)生東風(fēng)異常，風(fēng)的動(dòng)力作用使得海冰在該區(qū)域堆積增加。

除了動(dòng)力作用外，熱力作用也起到了重要作用，特別是太陽短波輻射。通過海冰—反照率的正反饋效應(yīng)，太陽短波輻射加強(qiáng)了海冰異常。特別地，CP事件中，前期11月份威德爾海海冰已經(jīng)出現(xiàn)正異常，海冰和短波輻射之間的正反饋效應(yīng)使得海冰在接下來的夏季更容易持續(xù)增多。

以前的研究顯示，EP事件導(dǎo)致的海冰異常弱于CP事件（Song et al., 2011; Yu et al., 2015）。該結(jié)果與EP事件SSTA異常強(qiáng)度大、引起的熱帶外大氣環(huán)流異常信號(hào)強(qiáng)，受動(dòng)力驅(qū)動(dòng)海冰異常強(qiáng)度也應(yīng)該大——這一自然的推理相矛盾。本文的研究顯示，EP事件導(dǎo)致的海冰異常強(qiáng)于CP事件，盡管不同于以前的結(jié)果，但海溫異常強(qiáng)度、大氣環(huán)流異常強(qiáng)度與海冰異常強(qiáng)度之間，彼此相互驗(yàn)證，物理上更為合理。此外，本文從動(dòng)力和熱力兩個(gè)方面，揭示了EP和CP事件影響海冰差異的機(jī)理。前人結(jié)果與本文有所差異，分析來看主要是我們只采用1979年有可靠衛(wèi)星觀測(cè)以來的海冰數(shù)據(jù)，相比以前剔除了1979年之前的質(zhì)量問題較大的海冰資料。此外，我們使用的是回歸分析。相比個(gè)例合成，回歸分析能夠提取逐年的信號(hào)，相當(dāng)于使用了更多的樣本數(shù)據(jù)，減小了中高緯大氣自身噪音的干擾影響。換句話說，春季海冰異常還會(huì)受到其他年際信號(hào)的影響，如引言中討論的南半球環(huán)狀模、阿蒙森低壓等，當(dāng)合成所用個(gè)例數(shù)少時(shí)，其他年際信號(hào)的影響可能難以消除。綜上所述，本文的結(jié)論可能更為可信。但是，觀測(cè)資料時(shí)間長(zhǎng)度畢竟是有限的，未來將進(jìn)一步利用CMIP6的多模式歷史試驗(yàn)檢驗(yàn)當(dāng)前的觀測(cè)結(jié)果。