全球熱帶海洋海表溫度場異常對北極海冰的影響

陳迪，孫啟振

(1.中國海洋大學 海洋與大氣學院，山東 青島 266100；2.國家海洋環境預報中心，北京 100081)

1 引言

北極海冰是氣候系統中的重要組成部分，是全球氣候變化的指示器和記憶器，它的變化對全球氣候和大氣環流具有重要的影響。自20 世紀80 年代以來，北極海冰出現快速減少的變化，大約以1.7%/（10 a）的速率消融，這種變化不僅對極地產生重要影響[1–4]，而且對中緯度地區的氣候存在非常重要的調控作用[5–13]。IPCC 第五次評估報告（AR5）[14–15]明確指出，在全球變暖的大背景下，20 世紀后期以來北極海冰出現了急劇消融，這一現象引起了全球廣泛的關注。根據科學家們預測，北極海冰如此快速地減少，預計可能在2030 年前后，北冰洋或將夏季無冰[16–17]。就目前的狀況來看，針對北極海冰如此快速消融的事實，科學家們仍未給出一個客觀合理的解釋。因此，探討北極海冰快速減少的原因是當前最為重要的工作。由于北極海冰的快速消融使得開闊水域面積急劇增加，這會直接影響海洋表層的能量收支，進而影響海氣界面的熱交換，最終將導致對局地乃至全球氣候產生重要影響[18–26]。由于北極地區具有顯著的季節變化特征，海冰的快速減少，導致北極地區夏季吸收過多的太陽輻射，直接影響冬季北極海冰的結冰速度。北極海冰的這種溫度?反照率的正反饋機制將全球變暖效應放大，稱為“北極放大效應”（Arctic Amplification）[27]。這種放大效應通過大氣環流直接或間接引起全球極端天氣的發生，因此對其的研究是目前國際前沿課題。就北極海冰快速減少而言，其機理主要是與全球變暖有關，而全球變暖的重要過程之一是與海洋快速升溫存在一定聯系。在全球海?氣相互作用過程中，熱帶海洋又扮演著重要角色[28–29]。因此，熱帶海洋海溫場的異常變化及其引起的大氣環流異常可能是導致北極海冰快速融化的關鍵因素。鑒于以上原因，近年來已有研究者注意到熱帶海洋與北極海冰之間的聯系[30–31]，這些研究多涉及區域性海洋與北極海冰之間的探討，針對全球熱帶海洋變化對北極海冰的影響相關研究關注度不夠。本文針對熱帶海洋異常變化過程，探討對北極海冰的影響，并初步給出它們之間的可能機制。為今后北極海冰快速消融的深入研究提供依據。

2 資料與方法

本文所用資料是英國哈德萊中心提供的月平均的海冰密集度和海溫資料（Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set，HadISST），空間分辨率為1.0°×1.0°，海冰密集度（Sea Ice Concentration）以百分數表示單位網格內海冰所覆蓋的百分比[32]。為了去除全球變暖的影響，文內所用數據均進行了逐月去傾處理。大氣環流資料來自美國國家環境預報中心/美國國家大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）月平均再分析資料[33]，水平分辨率為2.5°×2.5°。包括海平面氣壓、位勢高度、風場，均是1951?2021 年月平均資料。

本文研究方法主要涉及統計分析、相關分析、合成分析的方法以及顯著性檢驗等。

3 結果與討論

3.1 北極海冰的年和年際變化特征

北極海冰具有明顯季節變化的特點，每年夏季北極地區進入極晝，接收到的太陽輻射為全年最多，海冰進入融冰期，直到9 月海冰密集度達到極小值。隨著太陽輻射的逐漸減少，秋冬季氣溫伴隨降低，北極地區進入結冰期，直到翌年的3 月，海冰密集度又恢復到極大值。每年6–10 月，是海冰融化期，11 月至翌年3 月是海冰結冰期（圖1）。由方差分析可知，海冰季節變化最為顯著的地區是格陵蘭海、巴倫支海以及卡拉海（圖2）。其次，在北極太平洋扇區的拉普捷夫海、東西伯利亞泛指海、楚科奇海以及波弗特海的海冰變化非常顯著。

圖1 北極海冰氣候態變化特征（1981–2010 年）Fig.1 Climatology variation of the sea ice concentration in the Arctic (1981–2010)

圖2 北極海冰密集度方差空間分布Fig.2 The spatial distribution of Arctic sea ice concentration variance

為直觀了解北極海冰長期變化特征，對1951–2021年共71 a 逐月65°～90°N 范圍的平均海冰密集度進行分析。圖3 是北極海冰密集度多年變化曲線，可以發現在20 世紀80 年代北極海冰出現突變現象，自此開始出現快速減少（圖3）。

圖3 北極海冰密集度長期變化Fig.3 Multi-year variation of the Arctic sea ice concentration

由去傾后的海冰密集度變化可知（圖4），北極海冰存在明顯的年際變化特征，且最大海冰減少發生在近幾十年中。尤以2007 年和2012 年最為突出。其中9 月份的覆蓋面積分別是4.15×106km2、3.29×106km2，與多年平均（6.22×106km2）減少了大約32.4%和44.8%[34]

3.2 北極海冰變化與熱帶海洋溫度場的聯系

上述分析結果表明，北極海冰不僅具有明顯的季節變化特征，而且年際變化特征也非常顯著。北極海冰的長期變化與熱帶海洋溫度場是否存在聯系，值得我們進行必要的分析和探討。首先，我們計算了熱帶海洋海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）（10°S～10°N，環全球經度）平均多年變化與北極海冰進行分析，結果表明，它們之間存在非常好的反位相關系（圖4）。

圖4 熱帶海洋（10°S～10°N，環全球經度）海表面溫度與北極海冰密集度變化曲線（1951–2021 年）Fig.4 Sea surface temperature and Arctic sea ice concentration change curves for the tropical ocean (10°S–10°N；0°–180°–0°) (1951–2021)

為了深入探討熱帶海洋溫度場異常變化與北極海冰之間的年際變化之間的聯系，采用沿緯圈0°～180°～0°，10°S～10°N 的平均熱帶海洋 SST 與北極海冰進行時滯相關分析，圖5 是沿0°～180°～0°熱帶海洋SST 與北極海冰變化的緯向–時滯相關圖。圖中表明，同為熱帶海洋，但對北極海冰的影響時間的早晚和顯著程度有較大差異。熱帶印度洋SST 對北極海冰的影響最為顯著，最大相關是在30 個月左右，最大相關系數為–0.4。其次是熱帶中東太平洋，最大相關是在36 個月左右，最大相關系數是–0.3。影響最弱的是熱帶大西洋，最大相關是在28 個月左右，最大相關系數是–0.2。從影響時間的早晚來看，熱帶大西洋最早，印度洋次之，太平洋最晚。熱帶大西洋SST 對海冰的影響始于海冰變化滯后的18 個月，影響時間可持續30 個月。熱帶印度洋SST 對海冰的影響，東西部的影響程度偏強，其影響時間是從海冰變化滯后的8 個月開始，持續影響可達40 個月。熱帶太平洋對北極海冰的影響主要是在中東太平洋，開始影響北極海冰的時間是在后者滯后的8 個月左右，持續時間可達36 個月。西太平洋和東大西洋區域對北極海冰幾乎沒有影響，甚至是負的相關關系。

圖5 熱帶海洋10°S～10°N 平均海表面溫度與北極海冰變化的緯向?時滯相關圖（1951?2021 年）Fig.5 Lag correlation between sea surface temperature along tropical ocean (10°S?10°N) and Arctic sea ice change (1951?2021)

由上述分析可知，全球熱帶海洋SST 與北極海冰變化存在密切關系，三大洋SST 對北極海冰的影響時間和強度存在差異。當全球熱帶海洋SST 出現正（負）距平時，北極海冰會出現減少（增多），最佳影響時滯時間是從28 個月至36 個月左右。

為了更清楚地探討熱帶海洋SST 與北極海冰變化之間的關系，我們分析了3 個熱帶海洋和全球熱帶海洋SST 對北極海冰變化可能影響時間尺度和強度。圖6 是3 個不同熱帶海洋區域平均SST 以及全球熱帶海洋平均SST 與北極海冰變化之間的時滯相關曲線。由圖可以看出，3 個熱帶海洋區域SST 與北極海冰變化的最佳相關均呈負的相關關系（達到相關99.9%信度檢驗水平，下面類同）。熱帶大西洋影響海冰最早，其次是熱帶印度洋，最晚是熱帶中東太平洋。熱帶印度洋與北極海冰的關系最為顯著，最大相關出現在北極海冰滯后30 個月，最大相關系數是–0.35。其次是熱帶中東太平洋，最大相關是在北極海冰滯后34 個月，最大相關系數是–0.25。熱帶大西洋相關關系最差，最大相關是在北極海冰滯后26 個月，相關系數僅為–0.14。全球熱帶海洋SST 的平均值與北極海冰的關系也呈負相關，最大相關是在北極海冰滯后33 個月，最大相關系數是–0.27。這一結果表明，無論是熱帶印度洋，中東太平洋，大西洋區域的SST 還是全球熱帶海洋的SST 平均值均與北極海冰異常變化存在密切關系。

圖6 北極海冰變化與熱帶海洋（印度洋、東太平洋、大西洋以及三大洋平均）海表面溫度時滯相關曲線（1951–2021 年）Fig.6 Time lag correlation curves (1951–2021)between Arctic sea ice change and sea surface temperature in tropical oceans (Indian Ocean,East Pacific Ocean,Atlantic Ocean,and the average of the three oceans)

3.3 熱帶海洋SST 影響北極海冰變化的可能聯系

3.3.1 北極海冰變化與大氣環流模態AO、PNA 和NAO的聯系

由上述分析可知，熱帶海洋SST 與北極海冰變化存在密切關系。那么探求它們之間相聯系的“紐帶”，是解決熱帶海洋SST 影響北極海冰變化的關鍵問題。為此，我們對可能與北極海冰變化有密切聯系的大氣環流模態北極濤動（AO）、太平洋–北美遙相關（PNA）和北大西洋濤動（NAO）進行分析探討，試圖揭示熱帶海洋對北極海冰影響的可能機理。

圖7 是AO、NAO 和PNA 與北極海冰的時滯相關曲線。可以看出，AO 和NAO 與北極海冰變化存在顯著相關關系的時間是在北極海冰滯后的10 個月和11 個月，呈負相關，最大相關系數分別是–0.29 和–0.26。另外，AO 與北極海冰變化還存在一個時滯32 個月的弱正相關，相關系數是0.14。PNA 與北極海冰變化之間最佳相關出現在后者滯后27 個月，呈負相關關系。這種關系表明，北極海冰變化與AO、NAO和PNA 存在密切關系，AO 和NAO 對北極海冰的影響要早于PNA。這一結果與前人所得結論一致[35–37]。

圖7 北極濤動（AO）指數、太平洋–北美遙相關（PNA）指數和北大西洋濤動（NAO）指數與北極海冰時滯相關曲線（1951–2021 年）Fig.7 Lag correlation curves of the effects of Arctic Oscillation (AO) index,North Atlantic Oscillation (NAO) index and Pacific-North American telecorrelation (PNA)index on Arctic ice (1951–2021)

大氣環流模態AO、NAO 和PNA 均是反映大氣經向氣壓差變化特征，與北極海冰變化均呈負相關，當AO、NAO 和PNA 3 個大氣環流模態出現正（負）位相時，將會引起經向環流加強（減弱），中低緯度暖平流向極地輸送熱量偏多（偏少），極地區域氣溫偏高（偏低），北極海冰會出現偏少（偏多）。

3.3.2 大氣環流模態AO、PNA 和NAO 與熱帶海洋SST 的聯系

由上述分析結果表明，北極海冰變化與大氣環流模態AO、NAO 和PNA 存在密切關系，也就是說，AO、NAO 和PNA 對北極變化有重要貢獻。由此可以認為，AO、NAO 和PNA 可能是熱帶海洋SST 影響北極海冰變化的重要“紐帶”。為了驗證這一影響過程是否客觀存在，我們對熱帶海洋SST 與AO、NAO 和PNA之間關系進行分析探討。

圖8 是熱帶中東太平洋SST 與AO 和PNA 的相關分析結果。可以看出，熱帶中東太平洋SST 與AO存在兩個顯著相關過程，一個是短期時滯影響過程，為負相關，顯著相關出現在AO 滯后的3 個月，最大相關系數是?0.24。另一個是長期時滯影響過程，為正相關，顯著相關出現在AO 滯后的24 個月，最大相關系數是0.19。PNA 與熱帶太平洋SST 之間也存在密切關系，由圖可以看出，熱帶中東太平洋SST 與PNA 也存在兩個顯著的相關過程，一個是短期時滯影響過程，為正相關，顯著相關出現在PNA 滯后的5 個月，最大相關系數是0.56。另一個長期時滯影響過程為負相關，顯著相關出現在PNA 滯后30 個月，最大相關系數是?0.20。以上相關系數均通過99.9%信度水平檢驗，對熱帶印度洋SST 與AO 和PNA 進行相關分析，結果表明，AO 與熱帶印度洋SST 之間存在密切關系。由圖9 可以看出，熱帶印度洋SST對AO 的最佳相關是出現在AO 滯后的21 個月，呈正相關關系，最大相關系數是0.33。該分析結果與未去傾的資料分析結果非常一致[29]。這一分析結果再次證明，無論是否去傾，熱帶印度洋SST 對北極海冰的影響都是顯著的。PNA 與印度洋SST 之間也存在顯著的相關關系，最大相關出現在PNA 滯后2 個月，最大相關系數是0.53。另外，在時滯30 個月后，還存在一個負相關時滯影響過程，最大相關系數是?0.23。

圖8 熱帶中東太平洋海表面溫度（SST）與北極濤動（AO）（紅線）和太平洋–北美遙相關（PNA）（藍線）時滯相關圖Fig.8 Lag correlation curve of the sea surface temperature(SST) with Arctic Oscillation (AO) (red) and Pacific-North American telecorrelation (PNA) (blue) in the eastern tropical Pacific

圖9 熱帶印度洋海表面溫度（SST）與北極濤動（AO）（紅線）和太平洋–北美遙相關（PNA）（藍線）時滯相關曲線Fig.9 Time lag correlation curves of tropical Indian Ocean sea surface temperature (SST) with Arctic Oscillation (AO) (red line) and Pacific-North American telecorrelation(PNA) (blue line)

圖10 是熱帶大西洋SST 與AO 和NAO 的時滯相關分析，由圖可以看出，熱帶大西洋SST 對AO 的影響存在3 個時滯相關過程，一個是同期為負相關，最大相關系數是?0.30；一個是最大時滯14 個月，呈正相關，最大相關系數是0.16；最后一個是在時滯40 個月以后，呈正相關，相關系數是0.19。這說明熱帶大西洋SST 除了同期對AO 存在負相關外，其后出現2 次不同時滯時間的正相關。

圖10 熱帶大西洋海表面溫度（SST）與北極濤動（AO）（紅線）和北大西洋濤動（NAO）（藍線）時滯相關曲線Fig.10 Time lag correlation curves of tropical Atlantic sea surface temperature (SST) with Arctic Oscillation (AO) (red line) and North Atlantic Oscillation (NAO) (blue line)

熱帶大西洋SST 與NAO 的相關出現兩個時間段，均呈負相關，一個是在同期，達到信度檢驗的相關持續時間是8 個月，最大相關系數是?0.42；另一個時間段是出現在時滯21～34 個月，持續時間長達14 個月，最大相關系數是?0.23。這說明熱帶大西洋SST對NAO 有兩個時段的影響過程。

圖11 是全球熱帶海洋SST 與AO、PNA 和NAO的時滯相關圖。由圖可以看出，全球熱帶海洋SST與AO 和PNA 的時滯相關與熱帶東太平洋和印度洋的相關變化特征基本一致。由此可以表明，在全球熱帶海洋對大氣環流模態的影響過程中，熱帶印度洋和東太平洋起一定的主導作用。

圖11 全球熱帶海洋海表面溫度（SST）與北極濤動（AO）、北大西洋濤動（NAO）和太平洋?北美遙相關（PNA）時滯相關曲線Fig.11 Time lag correlation curves of global tropical ocean sea surface temperature (SST) with Arctic Oscillation (AO),North Atlantic Oscillation (NAO) and Pacific-North American telecorrelation (PNA)

3.3.3 熱帶海洋SST 對北極海冰影響的途徑

由上述分析可知，當熱帶中東太平洋和印度洋SST 出現正（負）異常時，均會導致AO 和PNA 出現正（負）位相，進而影響北極海冰減少（增加）。而熱帶大西洋SST 出現正（負）異常時，會導致AO 和NAO 出現正（負）位相，致使北極海冰出現減少（增加）。熱帶中東太平洋和印度洋SST 通過AO 和PNA，最終導致北極海冰出現異常變化。它們之間的影響機理基本相同，所不同的是，前者主要是對中低緯度大氣環流模態PNA 產生影響，后者則主要是對中高緯度大氣環流模態AO 產生影響。而熱帶大西洋SST 對AO和NAO 具有相同的影響。當熱帶中東太平洋和熱帶印度洋SST 出現正（負）異常時，經向環流加強（減弱），AO 南支（30°～45°N）區域近海面氣壓升高（降低），AO 出現正（負）位相，經向暖平流加強（減弱），北極地區氣溫偏高（低），最終導致北極海冰減少（增加）。相同原理，當熱帶中東太平洋和印度洋SST 出現正（負）異常，副熱帶太平洋區域500 hPa 位勢高度增高（降低），PNA 出現正（負）位相，經向環流加強（減弱），北向暖平流輸送偏多（偏少），北極地區氣溫偏高（低），最終導致北極海冰出現偏少（偏多）。

同理，熱帶大西洋SST 出現正（負）異常時，AO和NAO 會出現正（負）位相，經向環流加強（減弱），北向暖平流輸送偏多（少），北極地區氣溫會出現偏高（低），這將導致北極海冰融化（增加）。

由全球熱帶海洋平均SST 對AO、PNA 和NAO的影響來看，全球熱帶海洋SST 與熱帶中東太平洋和印度洋SST 對AO、PNA 的影響時間尺度和強度基本一致。這說明，在全球熱帶海洋SST 對北極海冰的影響過程中，熱帶太平洋和印度洋起主導作用。這一現象不難理解，ENSO 事件就是熱帶東太平洋大尺度海洋相互作用的產物，是影響全球氣候變化的重要過程。印度洋是夏季風暴發的關鍵海區和源地，因此，熱帶太平洋和印度洋在全球氣候變化過程中是至關重要的。

全球熱帶海洋SST 與北極海冰的最佳相關時間是33 個月（負相關），而熱帶海洋SST 與AO、PNA 和NAO 的最佳相關時間分別是25 個月（負相關）、5 個月（正相關）和25 個月（正相關）。而AO、PNA 和NAO 與北極海冰的最佳相關時間分別是10 個月（負相關）、27 個月（負相關）和11 個月（負相關）。由此可以確定，全球熱帶海洋SST 通過影響PNA，進而對北極海冰的影響時間是32 個月；全球熱帶海洋SST 通過對AO 影響，到最終影響北極海冰的時間是36 個月；全球熱帶海洋SST 對NAO 的影響，以及NAO 對北極海冰的影響時間是35 個月。與全球熱帶海洋SST 對北極海冰的影響時間（準3 年）是吻合的。所以，我們認為這一相關分析結果表明，熱帶海洋SST 異常與北極海冰變化之間存在非常確定的因果關系，其主要機理是，熱帶海洋通過大氣環流模態AO、PNA 和NAO 作為橋梁或紐帶（或稱其為大氣橋），進而影響北極海冰的異常變化，這一影響過程是可信的。

為了探究熱帶海洋SST 影響北極海冰異常變化的途徑，給出了熱帶海洋SST 對北半球500 hPa 位勢高度場緯向平均的經向?時滯相關剖面圖。圖12 是熱帶海洋SST 對北半球500 hPa 位勢高度場時滯相關剖面圖。由圖12a 可以看出，熱帶海洋SST 對北半球氣壓場的影響可以持續長達40 多個月，顯著影響時間是在3 年左右。圖12b 反映的是熱帶海洋SST 對中緯度（35°～50°N）的影響過程，熱帶海洋SST 對中緯度氣壓場影響可以持續40 個月，顯著影響時間為3 年左右。另外，還可以看出，熱帶海洋SST 對北半球氣壓場的影響是以大約準3 個月次季節–季節“波動”方式影響，達到95%信度的相關可以達到中高緯度。這一結果說明，熱帶海洋SST 對北半球中高緯度氣壓場存在明顯的影響過程，是影響大氣模態AO、NAO 和PNA 變化的重要機制。

圖12 熱帶海洋表面溫度與北半球位勢高度時滯相關剖面圖Fig.12 Time lag correlation profiles of tropical ocean surface temperature and Northern Hemisphere geopotential height

為了進一步揭示熱帶異常海溫場對北極海冰影響的內在聯系，我們選取了海溫偏高年份（1957，1958，1963，1969，1972，1982，1983，1987，1997，1998，2015，2016）和偏低年份（1955，1956，1967，1971，1974，1975，1976，1985，1999，2000，2008，2011）各12 年進行合成分析（圖13），由圖可以看出，當熱帶海洋SST 異常偏低年滯后的兩年，北半球500 hPa 異常高度場是以極地為異常偏高，中緯度地區為異常偏低的分布特征（圖13a），這一環流分布形似大氣環流模態AO 和NAO 的負位相特征。而相對應的是北極海冰異常偏多（圖13c）。熱帶海洋SST 異常偏高年滯后兩年的大氣環流形勢（圖13b），主要是形似大氣環流模態PNA 和NAO 的正位相特征，而對應的是北極海冰異常偏少（圖13d）。這一合成分析結果說明，全球熱帶海洋SST 出現正異常后，時滯兩年后的大氣環流模態PNA 和NAO 為正位相，對應的北極海冰出現偏少的趨勢。而當熱帶海洋SST 出現負異常時，時滯兩年后的大氣環流模態AO 和NAO 會出現負位相，對應的北極海冰出現偏多的趨勢。

圖13 熱帶海洋異常海溫偏低（a）和偏高（b）滯后 2 年北半球 500 hPa 位勢高度場合成圖，以及后期對應的北極海冰偏多（c）和偏少（d）合成圖Fig.13 Composite plot of the anomalous low (a) high (b) tropical ocean sea surface temperature lagged by 2 years in the Northern Hemisphere 500 hPa potential height field,and the corresponding composite plot of high (c) and low (d) Arctic sea ice

由此可以進一步說明，全球熱帶海洋SST 的異常變化對北極海冰增多或減少具有重要作用，而其重要機理是，當熱帶海洋SST 出現正異常時，通過對北半球中高緯度氣壓場的影響，進而引起大氣環流模態PNA 和NAO 異常，最終導致北極海冰減少。同理，當熱帶海洋SST 出現負異常時，通過對北半球中高緯度氣壓場的影響，大氣環流模態AO 和NAO 出現異常，最終導致北極海冰出現偏多的趨勢。在熱帶海洋與北極海冰變化過程中，熱帶海洋SST 對北半球氣壓場產生影響，通過影響AO、PNA 和NAO 模態的異常轉換，最終導致北極海冰的異常。

3.4 太平洋年代際振蕩（PDO）和北大西洋多年代際振蕩（AMO）對大氣模態的影響

太平洋年代際振蕩（PDO）和大西洋多年代際振蕩（AMO）是北半球年代際和多年代際強且穩定的兩大洋氣壓和海溫變化信號，它們的異常變化對北半球長期氣候變化存在重要影響。為更加清楚了解它們的長期變化特征，給出了去傾后的1951?2021 年逐月變化曲線（圖14）。由圖可以看出，盡管它們二者分別表征了太平洋和大西洋的氣壓和海溫振蕩信號，但它們二者變化呈明顯的反位相關系。由時滯相關分析可知（圖15），太平洋年代際氣壓振蕩（PDO）在長期變化過程中，受大西洋多年代際的海表溫度振蕩的影響比較明顯。

圖14 太平洋年代際振蕩（PDO）和大西洋多年代際振蕩（AMO）時間序列變化曲線（粗實線是 10 年滑動平均）Fig.14 Pacific Decadal Oscillation (PDO) and Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) time series variation curves (the thick solid line is the 10-year moving average)

圖15 太平洋年代際振蕩（PDO）與大西洋多年代際振蕩（AMO）時滯相關曲線Fig.15 Time lag correlation curves of the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO)

3.4.1 PDO 與熱帶海洋SST 以及北極海冰變化的可能聯系

PDO 是太平洋年代際振蕩的指數，它對環太平洋地區乃至全球氣候變化具有重要影響。采用熱帶海洋1951?2021年共71年852個月的SSTA與PDO指數進行分析，結果發現，它們二者相關性非常密切，最佳相關出現在PDO 滯后熱帶海洋SSTA 的2 個月，相關系數是0.56（圖16a）。由此可以認為，熱帶海洋SSTA對PDO 的影響明顯，尤其是熱帶中東太平洋SSTA 對PDO 的相關更為密切，其相關系數為0.62。

由PDO 與北極海冰的相關分析可以看出，PDO對北極海冰的影響主要是在北極海冰滯后的30 個月，相關系數為–0.21，雖然這一相關達到99.9%的信度水平，但是與AO、NAO 和PNA 對北極海冰的影響程度相比還是偏弱。也就是說，在這些大氣模態指數中，PDO 對北極海冰的貢獻較小。但值得指出的是，盡管PDO 對北極海冰的影響偏弱，但是PDO 受北極海冰的影響不可忽視，相關系數達到–0.32.即當北極海冰出現偏多（少）時，PDO 會出現偏弱（強）的趨勢（圖16b）。

圖16 太平洋年代際振蕩（PDO）和熱帶海洋海表異常溫度（SSTA）與北極海冰時滯相關變化（a），以及太平洋年代際振蕩（PDO）與北極海冰密集度（ASIC）超前?滯后相關（b）Fig.16 Time lag correlation changes of the Pacific Ocean Decadal Oscillation (PDO) with tropical ocean sea surface temperature anomaly (SSTA) and Arctic sea ice (a),and the time lag correlation between Pacific Ocean Decadal Oscillation (PDO) (b)

3.4.2 PDO 和AMO 與大氣模態AO、NAO 和PNA 以及北極偶極子（Arctic Dipole）的關聯

由于PDO 是非常強且穩定的太平洋年代際振蕩指數，它可能會對其他大氣模態指數具有一定影響。為了了解PDO 與AO、NAO 和PNA 以及北極偶極子（Arctic Dipole）之間的聯系，對其進行了分析。圖17是PDO 與它們之間時滯相關曲線。可以看出，PDO與AO、NAO 和PNA 以及北極偶極子均存在不同程度的相關關系。PDO 與PNA 的關系最為密切，最佳相關出現在同期，相關系數是0.53。其次是與北極偶極子和NAO 的關系，其顯著相關系數分別出現在北極偶極子和NAO 滯后PDO 24 個月和34 個月，相關系數分別是0.35 和0.33。PDO 與AO 的關系相比其他指數較差，最佳相關系數出現在同期和AO 滯后PDO 21 個月，相關系數分別是?0.22 和0.18。這一結果表明，PNA、NAO 和AO 以及北極偶極子的變化均受到PDO 不同程度的影響，但PNA、北極偶極子和NAO 受影響比較顯著。

圖17 太平洋年代際振蕩（PDO）與北極濤動（AO）、北大西洋濤動（NAO）和太平洋?北美遙相關（PNA）以及北極偶極子（Arctic Dipole）的時滯相關曲線Fig.17 Time lag correlation curves of the Pacific Decadal Oscillation (PDO) with the Arctic Oscillation (AO),North Atlantic Oscillation (NAO) and Pacific-North American telecorrelation(PNA),and the Arctic Dipole

圖18 是大西洋多年代際振蕩（AMO）與大氣模態AO、NAO 和PNA 以及北極偶極子的時滯相關分析。可以看出，AMO 對大氣模態也存在不同程度的影響，其對PNA 和NAO 的影響最為明顯，最佳相關時間均在同期，相關系數為0.33 和?0.34。AMO 對AO 和北極偶極子的影響相對弱一些，最佳相關出現在同期和北極偶極子 滯后18 個月，相關系數分別是?0.19 和0.17。這一分析結果表明，AMO 對PNA 和NAO 的影響比較明顯。

圖18 大西洋多年代際振蕩（AMO）與北極濤動（AO）、北大西洋濤動（NAO）和太平洋?北美遙相關（PNA）以及北極偶極子（Arctic Dipole）的時滯相關曲線Fig.18 Time lag correlation curves of the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) with the Arctic Oscillation (AO),North Atlantic Oscillation (NAO) and Pacific-North American telecorrelation (PNA),and the Arctic Dipole

上述分析結果表明，太平洋年代際振蕩（PDO）和大西洋多年代際振蕩（AMO）對北半球大氣模態AO、NAO 和PNA 以及北極偶極子均存在不同程度的影響，但對PNA 和NAO 的影響更加明顯。對北極海冰變化起到紐帶作用的大氣模態AO、PNA 和NAO 不僅受熱帶海洋SSTA 的影響，而且還受到太平洋年代際振蕩PDO 和大西洋多年代際AMO 的影響，因此，在研究北極海冰異常變化過程中，PDO 和AMO 的作用需要考慮。另外，盡管北極偶極子模態只占總方差貢獻的12.5%，但其對北極局地氣候變化存在重要影響。由分析表明，熱帶海洋SST 對北極偶極子異常沒有明顯的相關關系，但PDO 對其存在重要影響。

4 結論

以最新海洋和大氣以及海冰數據為基礎，通過統計分析方法，揭示了熱帶海洋SST 變化對北極海冰存在影響的事實，給出了熱帶太平洋、印度洋和大西洋SST 分別對北極海冰影響的差異，初步探討了全球熱帶海洋SST 對北極海冰的可能影響過程，這對北極海冰快速減少的深入研究以及預測具有重要參考意義。

（1）北極海冰年最大方差出現在大西洋扇區的格陵蘭海和巴倫支海，另一個是北極太平洋扇區的東西伯利亞海、楚科奇海和拉普特夫海。

（2）全球熱帶海洋SST 與北極海冰變化之間存在較好的反位相變化，存在較穩定的準3 年的相關關系。在全球熱帶海洋對北極海冰的影響過程中，熱帶太平洋、印度洋起主導作用。

（3）全球熱帶海洋SST 對北極海冰的影響存在年際尺度（準3 年）的影響過程，這種影響過程是熱帶海洋SST 通過影響北半球中高緯度氣壓場變化，進而導致大氣環流模態AO、NAO 和PNA 出現異常來實現，而大氣環流模態是熱帶與極地相聯系的中間橋梁或紐帶。

（4）對北極海冰變化起重要作用的大氣模態（AO、NAO 和PNA）不僅受熱帶海洋SST 的影響，而且同時也受太平洋年代際振蕩（PDO）和大西洋多年代際（AMO）的影響。因此，在分析探討北極海冰快速減少的過程中，應給予充分考慮。另外，對北極地區存在重要影響的北極偶極子異常對PDO 也存在明顯的響應過程，在未來中高緯度的海?氣?冰相互作用過程的研究中，需要重視PDO 的作用。

本文所得結果，是以真實數據為基礎，采用統計分析方法所得，結論可靠，其目的就是揭示全球熱帶海洋對極地的可能影響及其途徑，為深入探討熱帶與極地大尺度海氣相互作用過程提供參考。未來工作可以通過數值模擬給予進一步分析探討。