近20 a驅動北極夏季迅速增暖和融冰的自然因素及過程

丁慶華

加州大學 圣巴巴拉分校地理系,美國加州 圣巴巴拉市 93106

*聯系人，E-mail:qinghua@ucsb.edu

1 背景

1.1 氣候變化下北極增溫的主要外強迫機制

在全球變暖的影響下,過去幾十年北極地區表面溫度的增加是全球平均地表溫度增加的兩倍以上(Serreze and Barry,2011;Vaughan et al.,2013),這個現象被科學界定義為北極放大現象。北極放大現象體現在北極氣候系統的很多方面,如高緯大氣和海溫的快速增暖,海冰、陸冰(冰架及冰川)、凍土的加速融化,植被和生態系統的快速演變,以及北極區域海洋的物理和生化等方面的一系列變化(Koenigk et al.,2020)。這些變化預示著北極可能已經或者很快將要進入一種全新的狀態。這種新常態為人類未來的氣候應對提出了巨大的挑戰,因此深入研究北極變暖機制,以及更為準確地預判未來北極變暖增速就顯得尤為重要。因為海冰減少是北極變暖的核心問題之一,所以本文主要關注近幾十年對夏季海冰快速減少的機制的理解和討論。

過去20 a北極海冰迅速減少在各個月份都很明顯,最大的變化出現在9月,這主要因為在氣候態上,9月是夏季海冰融化季節的末期,也是從融化季向結冰季的關鍵轉折期,因此在9月海冰無論從體積還是面積上都達到全年的最小值。此時海冰對氣候的變率更加敏感,很多研究也因此更加關注9月海冰的狀態,并把9月海冰的長期變率看作衡量北極變暖的一個重要指標。海冰在9月的變化主要反映了海冰在整個融化季甚至之前結冰期狀態的一個累計效果,它的變率更多的是反映了海冰對整個夏天甚至更早月份氣候的變率及異常,而并非只是對9月氣候異常的反映。

大部分研究認為在過去幾十年北極夏季海冰的減少主要是輻射強迫的增加和反饋機制放大效應共同作用的結果(Larsen et al.,2014)。輻射強迫的增加,主要是來源于溫室氣體成分增加導致的增強的大氣向地表面的長波輻射,這是過去百年氣候變暖的最根本的驅動力(Hartmann et al.,2013),反饋機制包含很多過程。這些過程在全球范圍內大部分會傾向正反饋以放大輻射強迫增加導致的變暖,只有一部分會導致負反饋效應(Sherwood et al.,2020)。但是這些機制在北極大都傾向于正反饋的作用(Goosse et al.,2018),其中最主要的是與地表面反射率、溫度垂直遞減率、大氣水汽含量、熱量和水汽從低緯向高緯的大氣傳輸等相關的正反饋效應。高緯海洋表層氣候態上的向極海洋平流也被認為會把在極地以外由于氣候變暖而增暖的暖海水通過溫度平流帶入北極,從而起到加速北極變暖的結果(Steele et al.,2008)。除了這些正反饋機制,特別要指出的是普蘭克反饋(Planck feedback)機制在北極地區的獨特作用。普蘭克反饋機制主要指的是在輻射強迫增加的情況下,氣候系統會以一定比率略微增溫并以長波輻射的方式向外發散熱量以達到新的能量平衡,因此它是氣候系統內在固有的一個最重要的負反饋機制,擔負起氣候系統“安全閥”的作用。這一機制導致的熱量發散的效率是與系統本身氣候態的溫度有正相關的關系。但北極地區的氣候態溫度相對于較低,這一負反饋機制相對于此機制在其他地區尤其是熱帶地區的“安全閥“作用相比并不十分有效,因此這一機制在北極反而被認為會起到某種正反饋的作用(Goosse et al.,2018)。另外,云的反饋效應在北極變暖中的作用還很不清楚,大部分研究主要關注的是云在結冰季對海冰減少的響應和反饋作用,而對于云在夏天的研究相對較少(Kay et al.,2016),這一方面急需進一步的深入研究,但可以肯定的是云的變化在北極變暖的過程中起著重要的調節作用。

綜上所述,導致北極變暖是一個非常復雜的過程。但總體而言,絕大部分研究都認為北極變暖背后的主要驅動力是人類變化導致的長波輻射的改變,以及輻射改變引起的一系列放大效應的疊加結果。氣候模式在模擬這一系列過程中體現出了較好的模擬能力。盡管模式也表現出對模擬某一些反饋機制和其具體貢獻的不確定性(Pithan and Mauritsen,2014),但隨著模式的持續發展,這一不確定性逐漸降低,模式對這一系列過程的模擬能力也一定會進一步提高。

1.2 自然變率影響北極變暖的主要途徑

近期北極變暖的另一個不容忽視的驅動原因是氣候系統中來自海洋和大氣的內在變率(Chylek et al.,2009;Lee,2012;Zhang,2015)。過去關注這方面的大部分研究主要強調高緯海洋的內在變率對北極變暖的作用,其中最為關注的是所謂的“大西洋化現象”(“Atlantification”;Polyakov et al.,2020)?！按笪餮蠡F象”機制主要指的是,冬季大西洋北部靠近格陵蘭島的上層暖海水由于某種原因更多的侵入北極海洋內部,通過減少海洋上層穩定性,從而增加垂直混合來將躍鹽層以下的暖海水帶到表層,以起到對海水的增暖和對海冰的融化的作用。但這一現象背后的具體原因還不清楚。另外基于觀測和模擬,北太平洋的PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代際振蕩)模態及高緯大氣的北極偶極子環流型也被認為會對從北太平洋海洋上層的暖平流侵入北極內部起到一定的加強作用(Steele et al.,2008;Zhang,2015)。

大氣內部的變率對北極的影響在近期的研究中越來越受到重視(Wernli and Papritz,2018;Olonscheck et al.,2019)。最主要的研究認為,熱帶太平洋或者大西洋的海溫異?；蛘呒撅L區的降水異常會通過改變中高緯大氣環流型來改變北極的氣候(Lee,2012;Ding et al.,2014;Trenberth et al.,2014;Krishnamurti et al.,2015;Grunseich and Wang,2016;Meehl et al.,2018;Screen and Deser,2019;Bonan and Blanchard-Wrigglesworth,2020;McCrystall et al.,2020)。其中最早注意到這一聯系的研究認為,向極地的大氣擾動主導的大氣熱輸送與熱帶東太平洋的海溫異常有關(Lee,2012)。在La Nia年,這種熱輸送會相應地增加,從而導致北極增暖加速。而在El Nio年,這個作用相反。本人最近幾年在這方面也做了一些研究,主要強調的是熱帶海溫所驅動的大氣遙相關環流型對北極的影響。下面就對我們研究組近幾年在這方面的工作進行一個小結。

2 資料

1)1979—2018年ERSST5(Huang et al.,2017)、ERA-I(Dee et al.,2011)及NSIDC海冰資料(Maslanik and Stroeve,1999)。2)模式檢驗部分來自CMIP5(Taylor et al.,2012),部分圖取自于我們研究組在近幾年已發表的文章。3)2020年夏天的環流資料來源于NCEP2(Kalnay et al.,1996)。

3 觀測和模擬的夏季海冰與局地大氣的聯系

我們的工作的一個主要觀點是,北極近期的變暖與熱帶太平洋東部海溫長期的內在變率所激發的遙相關型有著很緊密的聯系。這一聯系在夏天尤為明顯(Ding et al.,2017)。在北極,近幾十年大氣變暖和海冰的融化與北半球環流的長期變化趨勢有著緊密聯系。這個趨勢反映出環流在高緯呈現出很強的高壓趨勢(圖1a)。此高壓具有準正壓結構(圖1b),其趨勢的異常中心從格陵蘭島一直延伸到北極內部。此高壓中心會導致非常強的下沉運動,并產生絕熱下沉加熱,加熱同時提高大氣水汽的含量。大氣的變濕和變暖會一起增強大氣向下的長波輻射能力。這個作用與溫室氣體導致的輻射強迫和北極變暖非常相似,都是增強向下的長波輻射,從而激發與海冰反射率等有關的正反饋機制以增強北極變暖。

圖1 1979—2018年夏季(JJA)300 hPa位勢高度的線性趨勢(a;單位:m·(10 a)-1)以及夏季(JJA)緯向平均的位勢高度(黑色等值線;單位:m·(10 a)-1)、溫度(填色;單位:℃·(10 a)-1)和垂直速度(紅色等值線;正值表示下沉運動,單位:10-4 Pa·s-1·(10 a)-1)的線性趨勢(b)Fig.1 Linear trends of JJA (a) 300 hPa geopotential height (units:m·(10 a)-1) and (b) zonal mean geopotential height (black contour;units:m·(10 a)-1),temperature (shading;units:℃·(10 a)-1) and vertical velocity (red contour;Positive value indicates sinking motion,units:10-4 Pa·s-1·(10 a)-1) from 1979 to 2018

根據觀測發現,在年際尺度上6—8月高緯環流異常往往是先于9月海冰的變化。夏季環流能影響到同期海冰變化,但沒有夏季環流與9月海冰之間的關系緊密,這是因為9月的海冰是整個夏季變化的累積量。為了更清楚展示夏季環流與9月海冰之間的關系,計算了6—9月海冰和6—8月環流的交叉相關系數(圖2),其中長期趨勢在所有變量中已被最先去除,相關系數反映的主要是年際變化上的關系。由圖2可以清晰地看出,凡是在海冰的月份領先環流月份的配置下,其相關系數都不是非常顯著,但當環流月份領先海冰月份的時候,相關系數則顯著增加,并呈現出顯著的負相關關系。這個統計關系清晰地表明,環流和海冰的因果關系是海冰受到環流的驅動,而并非海冰變化來驅動環流的變化。負相關系數說明夏季高壓的環流異常領先海冰變少,或者低壓的異常導致海冰增加。圖3是北極大氣夏季溫度和水汽與9月海冰的相關系數(圖3),得到了一致的關系。夏季高壓異常所產生的下沉運動可以造成溫度的絕熱增加,溫度的增加會進一步增加大氣的水汽含量,并產生非常強的向下的長波輻射,這樣可以增加海冰的能量收支盈余并造成海冰的減少。這一夏季的環流作用通過累積最大程度地反映在9月的冰量變化上(圖2m),因此變量間呈現出顯著的負相關關系。

圖2 1979—2018年6月、7月、8月緯向平均位勢高度分別與6月、7月、8月、9月北極海冰總面積的相關系數(a—l)以及夏季(JJA)平均的緯向平均位勢高度與9月北極海冰總面積的相關系數(m)(長期線性趨勢已去除;打點區域表示通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.2 (a—l) Correlation coefficients of detrended monthly sea ice area (SIA) index from June to September with detrended monthly zonal mean geopotential height from June to August respectively,and (m) correlation coefficients of detrended September SIA index with detrended JJA zonal mean geopotential height from 1979 to 2018 (Stippling indicates the values passing significance test at 0.05 level)

Ding et al.(2017)在一動力模式中通過把觀測中的大氣環流疊加到模式中來定量分析了夏季環流對海冰減少的作用,發現過去40 a的環流變化可以解釋過去40 a 9月海冰減少的40%。另外,高壓異常所導致的反氣旋的環流也對海冰起到動力推動作用,促進海冰向極區外部的移動,這個作用對夏季海冰減少的具體貢獻,還需要更系統的定量化的研究。另外環流的變化也會造成云在高緯的變化,但云的具體變化仍不清楚。由于云的各種要素的變化在北極的能量收支中起到了非常重要的作用(Kay et al.,2016),因此對這方面的研究是未來研究北極變暖的一個重要方向之一。

圖3 1979—2018年9月北極海冰總面積與夏季(JJA)平均的位勢高度(a;200～400 hPa的垂直平均,圖d中紅色區域)、溫度(b;300～1 000 hPa的垂直平均,圖e中紅色區域)和水汽(c;200～1 000 hPa的垂直平均,圖f中的紅色區域)的相關系數,以及與夏季(JJA)平均的緯向平均位勢高度(d)、溫度(e)和水汽(f)的相關系數(長期線性趨勢已去除;打點區域表示通過0.05信度的顯著性檢驗;引自Luo et al.(2020))Fig.3 Correlation coefficients of detrended September SIA index with detrended JJA (a) geopotential height (vertical average from 400 hPa to 200 hPa in the red area in (d)),(b) air temperature (vertical average from 1 000 hPa to 300 hPa in the red area in (e)),(c) specific humidity (vertical average from 1 000 hPa to 200 hPa in the red area in (f)),(d) zonal mean geopotential height,(e) zonal mean air temperature,and (f) zonal mean specific humidity from 1979 to 2018 (Stippling indicates the values passing significance test at 0.05 level;Adapted from Luo et al.(2020))

由于觀測到的夏季環流、溫度、水汽與9月海冰在年際尺度上的負相關關系非常顯著,同時這個關系可表征很強的動力聯系,因此認為這一統計關系可以作為對模式檢驗的一個衡量依據,氣候模式應當有對此現象比較全面的捕捉能力,從而保證海冰在模式中對大氣變率具有一定的敏感性。為此,研究了CMIP5中的大部分模式,發現大部分模式缺乏對這個聯系的捕捉能力(圖4)。在觀測中,相關系數在大氣中層(1979—2018年)普遍為-0.6～-0.7。而模式中,在同一位置以及在相同時間長度內(40 a),通常只有-0.3～-0.4。如果考慮用R2來定量化模式捕捉這一關系的能力,模式大概只能模擬到觀測中夏季環流與9月海冰耦合程度的四分之一(0.32/0.62=25%)。由于氣候模式是我們對海冰預報和預測最為有力和依賴的工具,這一缺陷應該引起重視。檢驗發現,在大部分模式中9月海冰對夏季環流的敏感性普遍較低,這表明,即使氣候模式可以更好地預報出高緯大氣夏季的變率,由于海冰對大氣變率的響應偏弱,模式對于海冰預報的準確性會大大降低。這對海冰的季節預報和未來的氣候預測都是一個需要關注和解決的問題。目前對這個缺陷的根本原因仍不清楚,可能與環流、溫度和水汽之間的相互關系,或者海冰模式的某些因素有關,這也是一個未來需要關注的研究方向之一。

圖4 同圖3,但資料來源于31個CMIP5模式的長期(長于300 a)無外強迫模擬(preindustrial runs)結果(按照圖3,先計算各模式每40 a的相關系數(各模式均有多個40 a時段),再計算多模式多時段的集合結果;引自Luo et al.(2020))Fig.4 Same as Fig.3,but the data comes from the long-term (longer than 300 a) results simulated by 31 CMIP5 models without external forcing (preindustrial runs) (According to Fig.3,the correlation coefficients of each model every 40 years are first calculated (Each model has several 40-year periods),and then the ensemble results of multi-model and multi-period are calculated;Adapted from Luo et al.(2020))

圖5 1979—2012年9月北極海冰總面積與夏季(JJA)平均地面溫度(a)和海溫(b)的相關系數(長期線性趨勢已去除;引自Topal et al.(2019))Fig.5 Correlation coefficients of linearly detrended JJA (a) surface temperature and (b) sea surface temperature with detrended September SIA index from 1979 to 2012 (Adapted from Topal et al.(2019))

4 觀測和模擬的夏季海冰與熱帶海溫異常的聯系

為了進一步研究北極環流的大尺度影響因子,我們著眼于和北極夏季環流變化有著緊密聯系的主要遙相關型。北半球的大尺度遙相關型有很多種。在夏季的遙相關型中,一個主要的波型就是PNA(Pacific-North American teleconnection,太平洋-北美遙相關;Barnston and Livezey,1987)。PNA主要受ENSO驅動。當PNA被ENSO有關的熱帶海溫異常所激發,它的波列向高緯傳播,到達阿拉斯加后就會轉向低緯,從而影響美國南部地區,形成經典的“大圓”波形(Ding et al.,2014)。因此PNA傾向于造成北極與熱帶的同號振蕩,也就是熱帶海溫增暖對應北極增暖。

另一種遙相關型是與IPO(the Interdecadal Pacific Oscillation,太平洋年代際振蕩)有關的環流異常(Ding et al.,2014,2019;Trenberth et al.,2014)。它也經過阿拉斯加,但是由于波數和波列的特性會向東北繼續傳播,甚至可以到達格陵蘭島,從而影響NAO。這個遙相關型是過去幾十年聯系熱帶和北極的最主要的遙相關環流型之一。相對于PNA,IPO具有波長短、波數高的特點,因此這個遙相關型所對應的關系是北極與熱帶異號的震蕩,即熱帶海溫冷異常對應北極增溫。由此可以看出,北極與熱帶的關系在年際尺度上是相當復雜的。圖5是9月海冰和夏季全球海溫的相關系數(Topl et al.,2020),可以清晰地看出,東太平洋的正相關系數表示熱帶東太平洋夏季的冷海溫與北極9月海冰減少相關的。這個關系在過去30、40 a還是很穩定的,相關系數也通過了顯著性檢驗。另外還發現大部分CMIP5模式對這個環流型的捕捉都有著很大的局限(圖6)。模式更傾向于熱帶海溫變暖對應北極增溫的關系(負相關系數)。這可能是因為模式更容易模擬PNA型,而與IPO有關的環流型的模擬有著顯著的缺陷,這與模式對IPO等熱帶東太平洋海溫的低頻模態的模擬能力不足有一定的關系(Fasullo et al.,2020)。另外。模式對大氣環流的氣候態的模擬也存有一定誤差(Ding et al.,2014),這也會造成對遙相關型模擬能力的不足。

圖6 1979—2012年9月北極海冰總面積與夏季(JJA)平均地面溫度的相關系數(a;藍色:31個CMIP5模式集合平均結果;紅色:觀測結果)以及熱帶關鍵區域(180°～115°W,0°～25°N;圖6a中灰色區域)平均相關系數(b;紅色柱狀圖:觀測結果,熱帶東太平洋有顯著正相關;灰色柱狀圖:31個CMIP5模式集合結果,熱帶東太平洋多為不顯著負相關)(長期線性趨勢已去除;引自Topal et al.(2019))Fig.6 (a) Correlation coefficients of JJA surface temperature with September SIA index from 1979 to 2012 (blue:31 CMIP5 models ensemble average results;red:observed results),and (b) the correlation coefficients averaged in the tropical key region (0°—25°N,180°—115°W;the grey box in Fig.6a;red bar:observed result with a significant positive correlation in the tropical East Pacific;grey bars:results of 31 CMIP5 models with no significant negative correlations in the tropical East Pacific) (All variables are linearly detrended before correlation;Adapted from Topal et al.(2019))

5 與2020年夏季的北極增溫有關的環流型

海冰資料顯示北極海冰在2020年9月到達過去42 a的第三低(圖7)。這一變化已經引起學界的廣泛關注,因為如果只關注海冰最近十年的變化,自2012年以來,9月海冰的減少好似已經停滯。對這個停滯的理解有很多爭議(Swart et al.,2015)。由于2020年的降低非常接近前期(2012、2016年)的極小值,因此對于2020年海冰變化的理解就顯得尤為重要。最核心的問題是,是什么導致2020年夏季的快速變暖和融冰?

在2020年夏季,北半球的環流非常相似于與IPO有關的遙向關環流型。而在熱帶,也發現了較弱的拉尼娜現象(圖8)。這都與過去41 a與海冰緊密聯系的大尺度環流型有一些相似性(圖5、9)。這說明在2020年的北極變暖中,一部分原因仍是來源于熱帶。在北極,夏季的高壓異常非常明顯,達到過去42 a的第三高。同時底層的大氣溫度增溫達到2～3 ℃(圖9)。這都與環流導致的異常下沉氣流有關。這些配置都與過去40 a海冰融化相配合的局地環流配置相一致(圖3)。因此也說明2020年夏季海冰的異常融化有著同樣來自大氣內在變率的貢獻。而這個內在變率可能于2020年夏季熱帶海溫的冷異常有關。但要定量化這個貢獻還需要更多的工作和模式的幫助來完成。

圖7 1979—2020年9月北極海冰總面積的時間序列(單位:106 km2)Fig.7 Time series of September SIA index from 1979 to 2020 (units:106 km2)

圖8 2020年夏季(JJA)北極300 hPa 位勢高度異常(a;單位:m),北極緯向平均位勢高度異常(黑色等值線;單位:m)、溫度異常(填色;單位:℃)和垂直速度異常(紅色等值線;正值表示下沉運動,單位:10-4 Pa/s)(b),以及200 hPa位勢高度異常(等值線;單位:m)和海溫異常(填色;單位:℃)(c)(氣候態為1979—2020年平均)Fig.8 Anomalous (a) 300 hPa geopotential height in the Artic (units:m),(b) zonal mean geopotential height (black contour;units:m),temperature (shading;units:℃) and vertical velocity (red contour;Positive value indicates sinking motion,units:10-4 Pa/s) in the Artic,and (c) 200 hPa geopotential height (contour;units:m) and sea surface temperature (shading;units:℃) in JJA 2020 (The climatology is the average from 1979 to 2020)

圖9 1979—2019年9月北極海冰總面積與夏季(JJA)平均的200 hPa位勢高度的線性回歸系數(單位:m;長期線性趨勢已去除;陰影表示通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.9 Linear regression coefficients of detrended JJA 200 hPa geopotential height onto detrended September SIA index from 1979 to 2019 (units:m;Shadings indicate the values passing significance test at 0.05 level)

6 結論和討論

本文是對我們研究組近期對北極變暖的內在變率研究的一個總結。主要觀點強調了熱帶東太平洋冷海溫通過遙相關型來影響夏季海冰融化的機制。另外也指出大部分氣候模式對這一過程的模擬顯示出能力不足的局限性。這需要未來更多的研究,來更好地認識導致這個局限性的原因。另外我們注意到,自2012年以來的8 a中(圖7),北極夏季海冰融化并沒有再一次打破2012年9月的最小冰面總面積的最低記錄,這與我們預期的北極放大效應導致的結果并不完全一致。如果北極發大效應是北極變暖的唯一驅動因素,那么溫室氣體在過去10 a間的持續排放,應該導致海冰更加快速的消融。而在觀測中,我們并沒有觀測到在2012年后的加速融化,反而北極增溫和融冰在最近的8 a間反映了一定的停滯趨勢。這說明氣候的內在變率對海冰的驅動不能被完全排除。我們認為由于熱帶東太平洋海溫的冷異常在2007—2012年間達到極值,這一海溫所驅動的遙相關環流性在2007—2012年也達到最強(Baxter et al.,2019),其作用與人類影響導致的北極變暖的結果一致。因此在這6 a間我們觀測到北極的加速暖化。在2012之后,由于熱帶東太平洋海溫前期的冷趨勢減弱,這一內在因素也相應地減弱甚至可能變成促進北極變冷的作用以抵消一部分人類影響導致的變暖的作用。這也可以部分解釋近期的變暖停滯的現象。特別要指出的是,我們對大氣內在變率對北極氣候的研究主要基于最近40 a的資料,這顯然是不足的。未來更長期的再分析,氣候重建或者古氣候資料應該被更好地利用起來,以在更長時間尺度上更好地理解北極與熱帶的關系。最后,我希望這個小結能夠對提高我們認識北極變暖的內在變率的重要性起到拋磚引玉的作用。但是我們不可否認,人類影響仍然是造成近幾十年北極變暖的最主要原因。同時我們也強調,北極變暖在未來的趨勢仍是由人類影響和內在變率相互協調相互制約的結果。這一相互影響的過程還將在未來一段時間內繼續主導北極氣候的變化,因此我們需要提高氣候模式對這一相互影響過程的模擬能力。