春季北極地區(qū)云量蹺蹺板式的趨勢變化特征及其對北極放大的云反饋作用?

王 新，黃 菲，2，3??，王 宏，2

(1.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237；3.寧波大學寧波市非線性海洋和大氣災害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315000)

北極地區(qū)長期被云覆蓋，年平均云量在70%左右[1]。Harrison等[2]指出眾多的北極地區(qū)云參數(shù)中云量是重要的氣候因子之一，因此云量可能是影響北極能量收支的一個關鍵因素。

近幾十年來，全球變暖的同時北極放大效應日益顯著，并伴隨著北極海冰范圍顯著減少[3]，北極地區(qū)海冰的減少可能對云有重要的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，初秋季節(jié)海冰范圍越小，冷平流作用在范圍較大的開闊水域，海氣溫差增大，大氣靜力穩(wěn)定度降低，因此邊界層中湍流熱通量增強，低云量增加。同時海表湍流熱通量增強會導致邊界層高度增加，低云凝結高度抬升，具體表現(xiàn)為近地層的低云量減少，500～2 000 m的低云量增加[4-5]。云作為影響地氣平衡的關鍵因子，在北極海冰變化中起到非常重要的作用[6-8]。云的存在也能阻礙地球表面長波輻射的射出。Huang等[9]利用最近的衛(wèi)星資料分析了春季云和輻射變化對9月份北極海冰密集度的影響，發(fā)現(xiàn)3～5月中旬云量和向下長波輻射通量增加產(chǎn)生的溫室效應強于冷卻效應，加快了海冰融化速度。云的反射作用主要決定地表吸收的太陽短波輻射的多少，前人研究發(fā)現(xiàn)5～7月份到達地表的太陽短波輻射異常與8～10月份的北極海冰密集度異常有著明顯的負相關關系，可能原因一方面是云阻擋了太陽短波輻射到達冰面，另一方面是冰-反照率反饋的放大作用[10-11]。隨著高度的增加，云將由水云變?yōu)楸疲@種變化將對其輻射-氣候效應產(chǎn)生巨大影響。在氣候模式中對云輻射過程的模擬中，云垂直分布的不確定性是研究云對氣候影響的障礙之一。前人在研究云在北極海-冰-氣耦合過程的作用中主要對象集中在總云量，很少有人將云量分不同高度層去研究。

海冰內部記憶時間相對較短，目前對九月海冰范圍極小值的預測只能開始于7月份[12]。有研究指出，在最先進的氣候模式對海冰季節(jié)尺度或更長期尺度的預測仍不夠完善[10,13]，這也許是因為影響海冰異常變化的物理過程并沒有被完全了解，尤其是云輻射反饋過程。研究已經(jīng)表明春季云量變化對北極夏秋季節(jié)海冰的預測具有一定能力[9-10,14-15]，因此研究北極春季云量的時空變化特征具有重要意義。云輻射反饋包括云正反饋和負反饋，共同影響北極地表的輻射平衡。由于極地地區(qū)云的觀測資料匱乏以及云垂直分布的不確定性，云輻射反饋過程是氣候模式中最不確定的因素之一，因此云的變化過程及其對北極輻射平衡的影響存在一定的不確定性，進而影響氣候模式中的參數(shù)化方案。因此探討春季的云反饋機制對北極放大的可能作用和貢獻有重要意義。

本文將會對春季北極不同高度層云量趨勢變化特征進行系統(tǒng)的研究，并且探討其產(chǎn)生的可能原因及其作用，結果將會為北極氣候系統(tǒng)研究提供一定的科學依據(jù)，并對北極海-冰-氣耦合模式的建立完善和提高海冰的預測能力都具有重要的科學意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文采用2000—2017年的月平均資料，春季定義為每年3～5月的平均，文中使用的具體數(shù)據(jù)資料如下：①使用的云量資料采用美國NASA 搭載在近極地軌道衛(wèi)星Terra和Aqua 的CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)傳感器獲取的CERE_SYN1deg_Ed4A 產(chǎn)品，輻射資料為EBAF-Surface 產(chǎn)品4.0版本，空間分辨率為1°×1°。云量資料(https://ceres-tool.larc.nasa.gov/ord-tool/jsp/SYN1degEd4Selection.jsp)包括：總云量、低云量(1 000～700 hPa)，中云(700～500 hPa)，高云(500～300 hPa)，輻射資料(https://ceres-tool.larc.nasa.gov/ord-tool/jsp/EBAFSFC4Selection.jsp)包括：地表長波輻射通量、短波輻射通量、云長波輻射強迫、云短波輻射強迫和凈云輻射強迫。②溫度、氣壓資料選用的是由歐洲中期天氣預報中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的再分析資料。③海冰資料為美國冰雪數(shù)據(jù)中心NSIDC(National Snow and Ice Data Center)的海冰密集度(Sea Ice Concentration)資料，空間分辨率為25 km×25 km。④潛熱通量為美國Woods Hole海洋研究所提供的海氣通量(OAFlux)資料。

本文研究方法為一元線性回歸分析和相關分析，顯著性檢驗方法為F檢驗。

2 北極云量趨勢變化的三維空間分布特征

2.1 總云量趨勢的空間分布

基于2000—2017年CERES衛(wèi)星的云量資料，可以發(fā)現(xiàn)，春季北極地區(qū)總云量的趨勢大體上呈現(xiàn)出東西半球反位相的蹺蹺板式變化特征，從歐亞沿岸的喀拉海-拉普捷夫海-東西伯利亞海-楚科奇海這一帶以東半球為主的東北極地區(qū)(1)根據(jù)自然地理特點，北冰洋分為北極海區(qū)和北歐海區(qū)兩部分。北極海區(qū)包括北冰洋主體部分、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海、波弗特海及加拿大北極群島各海峽;北歐海區(qū)包括格陵蘭海、挪威海、巴倫支海和白海。本文將主要位于東半球的北極海區(qū)稱為東北極海區(qū)?？傇屏坑忻黠@增加的趨勢，最大值可達0.8%/a，而從波弗特海-加拿大群島-格陵蘭島沿岸的北極西半球地區(qū)為主的北歐海區(qū)總云量呈顯著的減少趨勢，最大值可達-0.5%/a?？傇屏口厔莸倪@種東西半球蹺蹺板式的分布特征主要由低云量的變化所決定(見圖1(b))，低云量與總云量趨勢變化的空間相關性最高，相關系數(shù)可達0.69，中、高云量趨勢變化與總云量趨勢變化的空間相關系數(shù)分別為0.47和0.22，并且中、高云量趨勢變化值較小(見圖1(c)，(d))，因此相對于中云量和高云量，低云量趨勢變化對總云量趨勢變化的貢獻最大。

(綠色打點區(qū)域通過了90%顯著水平檢驗(單位：%/a)。Green dots in figure denote areas exceeding the 90% confidence level (Units:%/a).)
圖1 2000—2017年春季北極(a)總云量；(b)低云量；(c)中云量；(d)高云量趨勢分布
Fig.1 Patterns of trend of (a) total cloud cover;(b) low cloud cover;(c) middle cloud cover;(d) high cloud cover in the spring in Arctic from 2000 to 2017

2.2 低、中、高云趨勢的垂直結構特征

春季北極地區(qū)對流層低、中、高云量的趨勢變化還呈現(xiàn)出高低空云量相反的變化特征，特別是低云量和高云量呈近乎相反的變化趨勢(見圖1(b)，(d))，二者的空間相關系數(shù)為-0.43。北歐海區(qū)低云量呈顯著的減少趨勢(見圖1(b))，中、高云量呈增加趨勢(見圖1(c)，(d))，因此該區(qū)域的總云量趨勢變化不明顯。在東北極海區(qū)從喀拉海到楚科奇海一帶低云量呈顯著增加的趨勢(見圖1(b))，高云量呈減少的趨勢(見圖1(d))，但高云的趨勢變化明顯小于低云的趨勢變化。因此，春季北極地區(qū)云量的趨勢變化不僅在水平場上呈現(xiàn)出球蹺蹺板式的反相變化特征，而且在垂直結構上低云和中高云也呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，這種水平和垂直方向雙重反位相的振蕩特征是由什么原因引起的，將在下文中進行探討。

3 春季北極云量趨勢變化的影響因子及其貢獻

北極云量的變化主要受溫濕、水汽特性的局地熱力因子和影響垂直對流上升運動的大氣動力因子的影響。局地熱力因子主要是北極海冰融化過程產(chǎn)生的水汽蒸發(fā)，有利于云的生成[16],大氣環(huán)流的動力因子主要是極區(qū)外的中緯度風暴攜帶大量的水汽向極輸送，造成云量的增加[17]。

3.1 大氣環(huán)流動力因子的貢獻

為了體現(xiàn)大氣環(huán)流動力因子的貢獻，選取對北極冰-氣耦合過程有動力驅動作用的超強氣旋(風暴)進行分析。這里定義北極地區(qū)氣旋中心氣壓低于其5%累積概率氣壓閾值的氣旋為超強氣旋，統(tǒng)計超強氣旋的發(fā)生頻數(shù)。由圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)春季北極地區(qū)超強氣旋主要出現(xiàn)在北歐海區(qū)，說明該區(qū)域表層能量平衡容易受大氣環(huán)流影響。因此，本文計算得到了2000—2017年春季北極地區(qū)的超強氣旋出現(xiàn)頻數(shù)的時間序列(見圖2(c))，發(fā)現(xiàn)北歐海區(qū)的超強氣旋出現(xiàn)頻率也呈現(xiàn)增加趨勢，其趨勢系數(shù)為0.08/a，說明進入北歐海區(qū)的超強氣旋頻率增多，可以帶來更豐富的水汽，有利于該區(qū)域云的生成。進一步的定量分析表明，北歐海區(qū)低云量和高云量的時間序列相關系數(shù)為-0.93(見圖2(c))，這表明超強氣旋的向極增多，進而可能導致更多的水汽進入北歐海區(qū)。從北極地區(qū)超強氣旋線性趨勢的空間分布(見圖2(b))可以發(fā)現(xiàn)，來自北大西洋中緯度的強風暴主要從冰島、格陵蘭海進入巴倫支海，帶來這些區(qū)域大氣的較強對流活動，引起大氣層結出現(xiàn)對流不穩(wěn)定(見圖3(c)，(d))，云底抬升，因而造成低云減少、中高云增多的特征(見圖1)。

(綠色實線為超級氣旋頻率；黑色實線為低云量；藍色實線為高云量。綠色打點區(qū)域通過了90%顯著水平檢驗。The green solid line is the super cyclone frequency;The black solid line is low cloud cover;The blue solid line is high cloud cover.Green dots in figure denote areas exceeding the 90% confidence level.)
圖2 2000—2017年春季北極(a)超級氣旋頻率分布；(b)超級氣旋頻率趨勢分布和(c)經(jīng)過標準化的超級氣旋頻率、低云量、高云量的時間序列(細實線)及其線性趨勢(粗實線)
Fig.2 (a)The pattern of super cyclone frequency;(b) the pattern of super cyclone frequency trend;(c) time series (thin solid line) and trends (thick solid line) of standardized super cyclone frequency,low cloud cover and high cloud cover and their linear trend in the spring in Aretic from 2000 to 2107

(綠色打點區(qū)域通過了90%顯著水平檢驗。Green dots in figure denote areas exceeding the 90% confidence level.)
圖3 2000—2017年春季北極(a)2 m氣溫；(b)皮溫；(c)θ700～θ1000；(d)θ500～θ1000趨勢分布(單位：K/a)
Fig.3 Patterns of trend of (a) 2 m temperature;(b) skin temperature;(c)θ700～θ1000and (d)θ500～θ1000in the spring in Arctic from 2000 to 2017(Units:K/a)

3.2 局地熱力因子的貢獻

值得注意的是，引起北極地區(qū)云量趨勢變化的局地熱力因子的分布，都主要表現(xiàn)出北極地區(qū)整體一致性的變化特征。春季海冰密集度的減小趨勢不僅在北歐海區(qū)顯著，在東北極海區(qū)大部分區(qū)域海冰密集度也呈減少趨勢(見圖4)，從而可能造成整個北極地區(qū)低層氣溫和表面溫度增加的趨勢(見圖3(a)，(b))，因此對流層中低層大氣靜力穩(wěn)定度均呈現(xiàn)明顯減弱的趨勢(見圖3(c)，(d))。海冰融化的同時提供了水汽，在這種條件作用下有利于低云的形成，這可能是東北極海區(qū)低云呈明顯增加趨勢的原因。不同于北歐海區(qū)超強氣旋的動力抬升作用，東北極海區(qū)超強氣旋的頻數(shù)增加并不十分顯著(見圖2(b))，不會像北歐海區(qū)那樣產(chǎn)生較強的對流，因此東北極海區(qū)云量的趨勢變化呈現(xiàn)出低云明顯增加、而中高云量趨勢變化較弱的特征。

4 云輻射強迫對北極放大的反饋作用

4.1 北極云輻射強迫的趨勢變化特征

在研究云對北極地區(qū)海-冰-氣反饋中的作用時，通常利用云輻射強迫來衡量，也稱凈的云輻射強迫或云輻射效應。云的輻射強迫定義為大氣的凈輻射通量與假定沒有云時的凈輻射通量之差。該定義既適用于地面和大氣層頂，也適用于太陽短波輻射和長波輻射。云輻射強迫為云長波輻射強迫和云短波輻射強迫之和。云輻射強迫為正值時，反映了云的加熱效應；云輻射強迫為負值時，體現(xiàn)了云的冷卻效應。

(綠色打×區(qū)域通過了90%顯著水平檢驗。Green dots in figure denote areas exceeding the 90% confidence level.)
圖4 2000—2017年春季北極海冰密集度趨勢分布(單位：%/a)
Fig.4 Pattern of sea ice concentration trend in the spring in Arctic from 2000 to 2017(Units:%/a)

通常在北半球的春季，北極地區(qū)的云長波輻射強迫為正值，云短波輻射強迫為負值。圖5給出了2000—2017年春季北極地區(qū)云輻射強迫、云長波輻射強迫和云短波輻射強迫的趨勢變化的空間分布，可以發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)云輻射強迫的趨勢呈現(xiàn)出與總云量類似的東西半球蹺蹺板式的偶極子型分布特征，在北歐海區(qū)，云輻射強迫呈減小的趨勢，而在東北極海區(qū)，云輻射強迫呈增大的趨勢(見圖5(a))，表明在北極的西半球地區(qū)云量的輻射效應主要表現(xiàn)為降溫的貢獻，而北極的東半球區(qū)域云量的輻射效應主要體現(xiàn)為增溫的作用，這從表面氣溫的趨勢分布可以看到云輻射強迫的影響(見圖3(a)，(b))。

北極地區(qū)的云長波輻射強迫(見圖5(b))和云短波輻射強迫(見圖5(c))趨勢也大體上在北歐海區(qū)和東北極海區(qū)呈現(xiàn)出蹺蹺板式的反位相空間分布特征，二者對云輻射強迫的貢獻呈相反的變化趨勢。在東北極海區(qū)，增溫的云輻射效應主要是云長波輻射的正貢獻，云長波輻射強迫的趨勢最大值主要在喀拉海-拉普捷夫海，可達1.35 W·m-2·a-1。在巴倫支海以及格陵蘭島沿岸，云輻射的冷卻效應主要由云短波輻射強迫的負貢獻引起的，最強的云短波輻射強迫減少趨勢位于巴倫支海區(qū)域，最大可達-2.77 W·m-2·a-1。在北歐海區(qū)以及西半球的陸地區(qū)域，云輻射的冷卻效應主要由云長波輻射強迫的負貢獻引起的。

(綠色打點區(qū)域通過了90%顯著水平檢驗。Green dots in figure denote areas exceeding the 90% confidence level.)圖5 2000—2017年春季北極(a)云輻射強迫；(b)云長波輻射強迫；(c) 云短波輻射強迫趨勢分布(單位：W·m-2·a-1)Fig.5 Patterns of trend of (a) cloud radiative forcing;(b) cloud longwave radiative forcing;(c) cloud shortwave radiative forcing in the spring in Arctic from 2000 to 2017(Units:W·m-2·a-1)

4.2 云輻射強迫與云量的關系

為了探究春季北極地區(qū)不同高度層云量與云輻射強迫之間的關系，本文對2000—2017年的云輻射強迫分別與總云量、低云量、中云量和高云量進行相關分析，給出相關系數(shù)空間分布場(見圖6)。

(圖(a)～(d)分別為總云量、低云量、中云量、高云量與云輻射強迫的相關系數(shù)場。綠色打點區(qū)域通過了90%顯著水平檢驗。(a) Total cloud cover;(b) Low cloud cover;(c) Middle cloud cover;(d) High cloud cover in the spring in Arctic from 2000—2017.Green dots in figure denote areas exceeding the 90% confidence level.)
圖6 春季北極云量與云輻射強迫相關系數(shù)空間分布
Fig.6 Patterns of correlation coefficient between cloud radiative forcing in the spring in Arctic

云輻射強迫與總云量的相關場(見圖6(a))依然呈現(xiàn)出北冰洋海區(qū)偶極子型的相關分布。在北歐海區(qū)，云輻射強迫與總云量呈負相關關系，這種負相關關系主要來源于云輻射強迫與中、高云之間的負相關關系(見圖6(c)，(d))。表明該地區(qū)中、高云云量越多，云輻射的冷卻效應越強。而在東北極海區(qū)云輻射強迫與總云量呈正相關關系(見圖6(a))，這種正相關主要來源于云輻射強迫與低云之間的顯著正相關關系(見圖6(b))，說明該區(qū)域低云量越多，對海表面的加熱效應越強。西半球陸地上云輻射強迫與總云量主要呈正相關關系(見圖6(a))，格陵蘭島地區(qū)主要由中、低云與云輻射強迫的正相關關系所主導，加拿大群島地區(qū)的正相關關系則主要由低云與云輻射強迫的正相關抵消了中、高云與云輻射強迫的負相關而得到的(見圖6(c)，(d))。

4.3 北極增溫的云反饋作用

春季北極地區(qū)除北歐海以及格陵蘭島、加拿大群島等小范圍區(qū)域外，北極大部分地區(qū)都以顯著的增溫趨勢為主(見圖3(a)，(b))，最顯著的增溫趨勢位于喀拉海-拉普捷夫海一帶的東半球區(qū)域，這種北極增溫的非均勻分布，與云反饋作用的影響密切相關?；谇拔牡难芯靠芍?，東北極海區(qū)的低云云量顯著增加而中高云趨勢變化不顯著(見圖1)，由于低云量與凈的云輻射強迫呈正相關關系(見圖6(b))，因此該區(qū)域云的長波輻射增溫效應(見圖5(b))主要是低云對云長波輻射效應的貢獻。當全球變暖北極海冰融化(見圖4)，低空大氣層結穩(wěn)定性減弱(見圖3(c))，海面水汽蒸發(fā)加強，低空低云云量增加，引起向下長波輻射增強(見圖7(a))，有利于表層溫度升高(見圖3(a)，(b))，進一步促進海冰密集度減小，降低海冰反照率而使得向上短波輻射減弱(見圖7(d))；同時海洋吸收更多熱量加熱大氣，融化海冰，形成海冰反照率正反饋過程，加速了北極的增溫(即北極放大)；另一方面低云的增多會反射和散射更多的太陽短波輻射，也會引起表層向下短波輻射減少(見圖7(c))，從而使得云長波輻射的增溫效應大于云短波輻射的冷卻效應，產(chǎn)生凈的云增溫輻射效應(見圖5(a))。因此北冰洋低云量的顯著增加使得云輻射強迫作用強化了海冰反照率正反饋機制，從而加強了北極的增溫趨勢(見圖3(a)，(b))。

對于北歐海區(qū)，由于低云量的顯著減少而中高云異常增多(見圖1)，低云減少中高云增加引起云輻射的冷卻效應(見圖5(b))，抵消了該區(qū)域的增溫，并使得格陵蘭島和加拿大群島附近部分區(qū)域海冰密集度異常增加(見圖4)，引起向上短波輻射的加強(見圖7(d))；同時低云量的顯著減少導致總云量減少，減弱了云對太陽短波輻射的阻擋作用，使得向下短波輻射增強(見圖7(c))，同時該區(qū)域中、高云云量越多，云輻射的冷卻效應越強(見圖6(c)，(d))；這種云短波輻射強迫的增溫效應(見圖5(c))與云長波輻射的冷卻效應相抵消，因而使得北歐海區(qū)的海表面增溫不顯著(見圖3(a)，(b))。由此可見，云量的垂直結構變化對北極放大的云反饋過程起重要作用，北極低云減少而中高云增加所引起的云輻射強迫分別體現(xiàn)了云的正、負反饋作用。

(綠色打點區(qū)域通過了90%顯著水平檢驗(單位：W·m-2·a-1)。Green dots in figure denote areas exceeding the 90% confidence level(Units:W·m-2·a-1).)
圖7 2000—2017年春季北極 (a)地表向下長波輻射；(b) 地表向上長波輻射；(c)地表向下短波輻射；(d)地表向上短波輻射趨勢分布
Fig.7 Patterns of trend of (a) surface downwelling longwave radiation;(b) surface upwelling longwave radiation;(c)surface downwelling shortwave radiation and (d)surface upwelling shortwave radiation in the spring in Arctic from 2000 to 2017

5 結論

本文利用2000—2017年月平均的CERES云量、輻射資料和ERA再分析資料對春季北極云量趨勢變化特征和成因及其對北極放大反饋的貢獻進行了研究，發(fā)現(xiàn)云量趨勢呈蹺蹺板式的東西半球反位相變化特征，其產(chǎn)生原因和云輻射反饋作用對北極放大的貢獻歸納總結于圖8的示意圖中。

圖8 云反饋對北極放大作用的物理機制示意框圖Fig.8 Schematic diagram of physical mechanism for Arctic amplification by cloud feedback

春季北極地區(qū)總云量的趨勢在北歐海區(qū)和東北極海區(qū)呈蹺蹺板式的反位相變化特征，并與低云量的趨勢變化有較為一致的空間分布，中高云則與低云大體上呈相反的變化特征。在北歐海區(qū)低云量呈減少趨勢，中高云呈增加趨勢。東北極海區(qū)低云量呈明顯增加趨勢，高云量呈減少的趨勢，但高云的趨勢變化明顯小于低云的趨勢變化。

在春季的北歐海區(qū)，進入該區(qū)域的超強氣旋增多，帶來豐富的水汽，對流增強，云凝結高度抬升，使得低云量減少而中高云量呈增加趨勢。這種云量垂直結構的變化所引起的云輻射強迫作用分別體現(xiàn)了云的正、負反饋作用，增溫和降溫效應大體上相互抵消，使北歐海增溫不顯著，甚至有的地方負反饋作用強而出現(xiàn)降溫趨勢。

在春季的東北極海區(qū)海冰密集度呈減少趨勢，海表面溫度呈增加趨勢，大氣靜力穩(wěn)定度呈現(xiàn)明顯減弱趨勢，海冰融化的同時提供了充足的水汽，因此低云呈增加趨勢。低云的這種變化有利于地表長波輻射增強，海表溫度增加，進一步促進海冰密集度減少，形成正反饋過程，同時強化了海冰反照率正反饋機制，從而加強了東北極海區(qū)的增溫趨勢。