北極海冰與北半球大氣環流及氣溫的相關性分析

魏立新，秦聽，馬靜

（國家海洋環境預報中心，北京 100081）

1 引言

北極是全球氣候系統的重要組成部分。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發生了比其它地區更為明顯的變化，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、海冰的運動直接或間接影響著全球尺度的大氣環流、海洋環流和氣候變異，實現了與全球氣候系統的相互作用，是全球氣候和環境變化的驅動器之一。全球變暖對北極海域最直接的影響是海冰覆蓋面積減少。已有觀測結果表明，北極海冰覆蓋范圍大約從20世紀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月北極海冰面積達到有衛星觀測以來的最小值后，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，成為有觀測記錄的最小值。按照科學家的預測，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]，但從目前的觀測資料分析，北極海冰的減少速度比預測的還要快。北極海冰的快速融化引起海洋與海冰系統對熱量吸收的增加，導致冷源作用減退；另一方面，由于海冰向北大西洋輸出的增加也導致世界大洋溫鹽環流減弱，從而極有可能加速全球增暖過程。目前人們逐漸認識到我們周邊的世界已經沉浸在北極變化的影響之中，其對全球過程的顯著作用已經到了必須引起高度重視的程度。

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

2 數據及方法

圖1 冬季鄂霍次克海到白令海海冰場第一特征向量空間分布及時間系數

利用NASA的北極海冰密集度資料（分辨率1.0°×0.25°，時間1979年10月—2002年8月）對冬季（12—2月）鄂霍次克海到白令海海冰場（42°—66°N、131°E—158°W，以下簡稱海冰場）進行EOF分解，得到特征向量的空間分布及時間系數。圖1是分解得到的第一模態空間分布及其時間系數，表現為鄂霍次克海海冰減少和白令海海冰增加，該模態可以解釋方差的40%，通過顯著性檢驗；時間系數有明顯的上升趨勢，與線性回歸結果的相關系數達到0.41，通過了95%置信度的檢驗。

利用NCEP月再分析資料（分辨率2.5°×2.5°，時間1979—2002年）分別對海冰場第一特征向量時間系數超過+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（以下簡稱距平場）。其中時間系數超過+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年以后持續正值，說明該模態的確是20世紀90年代以后北太平洋海冰分布的主導形；時間系數低于-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流和氣溫的關系

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地（亞洲、北美大陸東北部），因此溫度場對稱于北極的情況被破壞。通過對冬季對流層中層到低層（500 hPa、1000 hPa）的氣候平均高度場分析（圖略）可以看到，500 hPa高度場上極地低壓（又稱極渦）中心不在北極，有兩個中心，一個位于格陵蘭和加拿大的極區，另一個較弱的位于西伯利亞北冰洋沿岸；中高緯度有3個槽，分別位于東亞和北美東岸附近以及烏拉爾山的東側。圖3a為海冰第一模態＞0.5的年份的500 hPa高度距平場，表現為經向的2波波列，極渦加強，東亞大槽減弱、北美大槽加強、烏拉爾大槽加強。圖3b為海冰第一模態＜-0.5的年份的500 hPa高度距平場，也表現為經向的2波波列，極渦減弱、東亞大槽加強、北美大槽減弱、烏拉爾大槽減弱。圖4為1000 hPa高度距平場，圖4a中阿留申低壓減弱、北美高壓減弱、格陵蘭高壓減弱、冰島低壓加強東移、蒙古高壓加強，圖4b中阿留申低壓加強、北美高壓加強、格陵蘭高壓加強、冰島低壓減弱西退、蒙古高壓減弱。

分析表明：大氣環流異常與該區域海冰第一模態正負時間指數之間有直接和顯著的關聯，兩種情況下的高度場有明顯的反向特征。對比圖3、圖4發現，兩種相反的海冰分布在高度距平場的反映都是經向2波波列，由高層到低層是準正壓的結構，這是典型的大氣對外源強迫的結果[11]。

圖3 北太平洋側海冰第一模態時500 hPa高度距平場

圖4 北太平洋側海冰第一模態時1000 hPa高度距平場

圖5 北太平洋側海冰第一模態時1000 hPa氣溫距平場

圖5給出了1000 hPa氣溫的距平場，可以看出，溫度距平場也有明顯相反的特征，特別是在鄂霍次克海區域兩者是反位相的，海冰正指數（多），溫度低，海冰負指數（少），溫度高，說明海冰與局地氣溫之間有著緊密直接的關系，是負反饋。圖5a中全球溫度距平在45°—60°N的緯度上由東亞經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中全球溫度正負距平基本以帶狀的形式沿緯圈分布，負距平分別位于70°—80°N之間的加拿大北方群島和50°—60°N這一緯度帶，鄂霍次克海為負距平，但并不是東亞地區的距平中心，強中心位于陸地上，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域，另一個正距平帶位于30°—40°N，日本海到北太平洋位于該區域內。

4 北太平洋海冰異常與中國氣溫的關系

我國地處東亞，冬季北方地區主要受到來自極地的冷空氣的影響，下面結合東亞地區風場來分析一下海冰第一模態不同位相與我國冬季氣溫的關系。

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

圖6 北太平洋側海冰第一模態時的我國1000 hPa氣溫距平場

圖7 北太平洋側海冰第一模態東亞850 hPa距平風場

5 結論

從海冰異常對應的全球大氣冬季氣溫距平場的分析可以得到以下結論：

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

（2）北太平洋側北極海冰分布第一模態反位相（正負指數）時，區域溫度距平也有明顯相反的趨勢，如在格陵蘭島南部、貝加爾湖、東西伯利亞海—楚克奇海等對應的都是相反的溫度距平；

（3）大氣溫度的異常與大氣環流形勢的異常密切相關，第一模態時間正指數時，極渦加強，東亞大槽減弱，極地冷空氣的經向活動被抑制，南下冷空氣活動減弱，極地地區溫度降低，東亞高緯度地區溫度升高。相反，第一模態時間負指數時，極渦減弱，東亞大槽加強，極地冷空氣不斷向南滲透，極地地區溫度升高，東亞高緯度地區溫度降低。但是，兩種情況下，距平的位置并不完全對應，這是因為還有其他的影響因子存在；

（4）作為北太平洋側海冰變化的第一模態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特例，但對其增加原因的研究卻很少，有研究表明這與該地區北部的西風異常有關[12]。通過上面的分析可以推測有可能是楚科奇海到白令海峽溫度降低導致了海冰增加，是海冰對溫度變化的負反饋；

（5）我國冬季的氣溫與區域海冰主模態之間有很好的對應關系，特別是90年以后，區域海冰持續第一模態時間正指數與東北、華北北部地區溫度的正異常相關聯。

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