南極海冰異常對(duì)南半球冬春季大氣環(huán)流影響的年代際變化

陳奕冰， 吳其岡，2

（1. 復(fù)旦大學(xué) 大氣與海洋科學(xué)系，上海 200438； 2. 復(fù)旦大學(xué) 極地海冰氣系統(tǒng)與天氣氣候教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438）

0 引言

海冰是極地氣候系統(tǒng)的重要組成成分，其存在和異常變化能夠調(diào)節(jié)海-氣間的熱動(dòng)量及物質(zhì)通量交換過(guò)程，從熱動(dòng)力的角度參與海-冰-氣間的相互作用［1］。以往的研究已經(jīng)證明，南極海冰的持續(xù)性異?？梢酝ㄟ^(guò)直接改變南半球區(qū)域的熱輻射平衡，進(jìn)而影響到緯向溫度和壓力梯度，具有影響南半球大氣環(huán)流的能力。Bader 等［2］利用大氣環(huán)流模型ECHAM5 進(jìn)行的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，南極海冰變化所引發(fā)的大氣響應(yīng)與南半球熱帶外大尺度大氣環(huán)流變率的主要模態(tài)——南半球環(huán)狀模（Southern Hemisphere Annular Mode，SAM）類(lèi)似。WACCM4、CCSM3 及CM2.1 等多個(gè)耦合氣候模型的試驗(yàn)結(jié)果也表明［1，3-6］，南極海冰的異常變化會(huì)使南半球中高緯度地區(qū)對(duì)流層內(nèi)的出現(xiàn)反相壓力異常（即SAM），驅(qū)動(dòng)中緯度急流強(qiáng)度的改變及南北位置的偏移，并調(diào)節(jié)極地環(huán)流和費(fèi)雷爾環(huán)流的強(qiáng)度。而Morioka等［7］及Cunningham等［8］的試驗(yàn)則分別研究了威德?tīng)柡：土_斯海的海冰變化，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)開(kāi)闊大洋的海冰異常信號(hào)都能傳播至低緯度地區(qū)。

南極海冰異常變率的主要模態(tài)被稱(chēng)為南極偶極子（Antarctic Dipole， ADP），其特征表現(xiàn)為南極半島兩側(cè)海冰的反相變化。Wu等［9］指出，前期的ADP與后期的SAM在年際尺度上存在顯著關(guān)聯(lián)。同時(shí)，ADP 還能通過(guò)影響經(jīng)圈環(huán)流，與熱帶至北半球的大氣環(huán)流異常產(chǎn)生聯(lián)系［10-11］。而ADP 的出現(xiàn)和維持會(huì)受到厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）事件的強(qiáng)烈影響：在El Ni?o 期間，熱帶太平洋海溫的異常信號(hào)通過(guò)太平洋-南美（Pacific-South America，PSA）遙相關(guān)被傳遞到南極地區(qū)，在阿蒙森-別林斯高晉海誘發(fā)的異常反氣旋和冷暖平流會(huì)促使南極半島兩側(cè)的海冰發(fā)生反相變化［12-13］。但在2000 年前后，ENSO 出現(xiàn)了年代際轉(zhuǎn)變：東部型（eastern Pacific， EP）和中部型（central Pacific， CP）El Ni?o 的發(fā)生頻率分別在2000 年前后占主導(dǎo)地位［14-17］，Dou等［14］已發(fā)現(xiàn)，成熟階段的ENSO與之后南半球冷季ADP 間的相關(guān)系數(shù)在最近二十年中顯著減弱，熱帶太平洋的海溫異?？赡茈y以再通過(guò)引發(fā)ADP，進(jìn)而影響南半球的大氣環(huán)流。

同時(shí)，南極海冰在1979—1999 年間以約12 萬(wàn)平方公里每十年的趨勢(shì)緩慢增長(zhǎng)，2000—2014 年間增速先變?yōu)樵瓉?lái)的5 倍［18-19］，而后在2016 年出現(xiàn)了突變減少，且于2017、2022 年不斷刷新衛(wèi)星觀測(cè)資料出現(xiàn)以來(lái)南極海冰范圍的最小記錄［20-21］，隨后幾年又有所增加［22］，即2000年之后南極海冰的變率明顯增強(qiáng)。故考慮到2000年前后熱帶-極地連接以及南極海冰變率的年代際變化，本研究對(duì)比分析了1979—1999 年（記為P1 階段）和2000—2021 年（記為P2階段）兩階段南半球冬春季大氣環(huán)流受前期海冰異常的不同影響，并討論了該年代際變化發(fā)生的可能原因。

1 資料與方法

研究使用的月平均南極海冰密集度（sea ice concentration， SIC）資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心［35］，該資料集使用高級(jí)微波掃描輻射計(jì)-地球觀測(cè)系統(tǒng)Bootstrap算法生成，空間分辨率為25 km×25 km。本研究選取了1979—1999 年和2000—2021 年為兩個(gè)研究時(shí)段。位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和熱通量資料來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料集（ERA5）［23-24］，采用的空間分辨率為2.5° ×2.5°。

研究主要對(duì)南極SIC 和20°～90° S 的500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（Z500）進(jìn)行了最大協(xié)方差分析（Maximum Covariance Analysis， MCA）計(jì)算，其中MCA使用到數(shù)學(xué)中的奇異值分解函數(shù)［25］，可以有效分析兩個(gè)資料陣時(shí)空變化之間的聯(lián)系［25］，計(jì)算得到的左右場(chǎng)的時(shí)間序列分別記為MCA-SIC 和MCA-Z500時(shí)間序列。本研究關(guān)注MCA 第一模態(tài)的結(jié)果，即兩個(gè)時(shí)間序列的協(xié)方差達(dá)到最大的首要模態(tài)結(jié)果。選取前期的海冰異常與滯后的大氣場(chǎng)進(jìn)行MCA 計(jì)算，可以用于研究海冰異常對(duì)后期大氣環(huán)流的影響［9］，得到的首要MCA-SIC 時(shí)間序列和SIC 同質(zhì)空間型代表對(duì)后期大氣環(huán)流產(chǎn)生主要影響的SIC 異常時(shí)間序列和空間模態(tài)，首要MCA-Z500 時(shí)間序列和Z500 異質(zhì)空間型代表受前期SIC 異常主要影響的大氣環(huán)流異常時(shí)間序列和空間模態(tài)。參照Czaja等［26］論文中的蒙特卡洛方法，對(duì)MCA-SIC 和-Z500時(shí)間序列進(jìn)行100 次亂序計(jì)算，以檢驗(yàn)兩者平方協(xié)方差的顯著性。此外結(jié)合了其他的氣象統(tǒng)計(jì)方法包括經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function，EOF）分解法、線性回歸、合成和相關(guān)分析，置信度水平檢驗(yàn)使用雙邊Student-t檢驗(yàn)。MCA 和EOF 計(jì)算前，通過(guò)對(duì)SIC 的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)乘以面積平方根、對(duì)Z500乘以緯度余弦平方根的方式來(lái)進(jìn)行面積加權(quán)，且在所有計(jì)算前分別去除了兩個(gè)研究時(shí)段的氣候態(tài)及利用最小二乘法計(jì)算的線性趨勢(shì)。由于ENSO事件能顯著影響到南半球大氣環(huán)流和南極海冰的異常分布［12，27］，研究中參考Wu 等［9］的方法，選取與前期6 個(gè)月Ni?o 3.4 指數(shù)的最大回歸系數(shù)，從原始場(chǎng)中減去回歸擬合值，以去除熱帶太平洋海溫異常對(duì)結(jié)果的影響。采用的Ni?o 3.4 指數(shù)下載自美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心網(wǎng)站。計(jì)算時(shí)選取連續(xù)的3個(gè)月為每個(gè)季節(jié)，且本研究中提到的季節(jié)均為南半球季節(jié)。由于冷季的大氣環(huán)流更易產(chǎn)生變化［1］，對(duì)海冰異常的響應(yīng)可能更為強(qiáng)烈，故本文選取冬春季大氣場(chǎng)進(jìn)行研究。

為了分析瞬變渦動(dòng)對(duì)大氣環(huán)流異常的作用，計(jì)算了2～8 天濾波后的300 hPa 瞬變渦動(dòng)動(dòng)能（EKE）：其中“- ”和“'”分別表示時(shí)間平均和擾動(dòng)，u表示緯向風(fēng)，v表示經(jīng)向風(fēng)。同時(shí)計(jì)算了E 矢量的水平分量［28］：

此外，通過(guò)計(jì)算準(zhǔn)地轉(zhuǎn)位勢(shì)傾向方程進(jìn)一步了解渦流響應(yīng)對(duì)平均流響應(yīng)的貢獻(xiàn)，參考Lau 的方法［29］將位勢(shì)傾向定義為：

式（2）中的π表示瞬時(shí)渦流渦動(dòng)通量的收斂性，定義為：

2 結(jié)果與分析

2.1 海冰異常對(duì)大氣環(huán)流影響的年代際變化

圖1 中兩個(gè)階段首要MCA-Z500 和MCA-SIC時(shí)間序列的平方協(xié)方差都在lag 為0 和1 時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，且具有95%置信度，分別與以往研究所指出的冰-氣間存在相互作用、及大氣環(huán)流能迫使海冰發(fā)生異常變化的結(jié)論吻合［30-31］，而lag 為負(fù)值的情況為研究的重點(diǎn)。如果海冰的異常變化僅是對(duì)大氣被動(dòng)的響應(yīng)，lag 為負(fù)值時(shí)不會(huì)出現(xiàn)顯著的協(xié)方差，而圖1 顯示，雖然出現(xiàn)在不同季節(jié)，兩個(gè)階段lag 取-1到-4 時(shí)都存在顯著的協(xié)方差，證明前期海冰異常會(huì)對(duì)后期南半球冬春季大氣環(huán)流產(chǎn)生影響，但影響的季節(jié)發(fā)生了年代際改變。1979—1999年主要是8月到10 月（ASO）和9 月到11 月（SON）的Z500 受到前期海冰異常的影響，以下的分析將該階段大氣場(chǎng)選定在SON季節(jié)（ASO季節(jié)的結(jié)果與之類(lèi)似），并取其前期1～4個(gè)月即MJJ、JJA、JAS和ASO季節(jié)的SIC異常來(lái)研究氣候效應(yīng)；而P2 階段轉(zhuǎn)變?yōu)榱碌桨嗽拢↗JA）和七月到九月（JAS）的Z500 受前期海冰異常所影響，故將該階段大氣場(chǎng)選定在JAS 季節(jié)（JJA 季節(jié)的結(jié)果與之類(lèi)似），取其前期1～4 個(gè)月即MAM、AMJ、MJJ 和JJA 季節(jié)作為對(duì)后期大氣場(chǎng)產(chǎn)生影響的海冰季節(jié)來(lái)進(jìn)行研究。

圖1 1979—1999年（a）和2000—2021年（b）500 hPa 20°～90° S位勢(shì)高度場(chǎng)異常和南極SIC異常的首要MCA時(shí)間序列間的平方協(xié)方差系數(shù)（橫軸代表選取的位勢(shì)高度場(chǎng)月份從5月到7月（MJJ）至12月到次年2月（DJF），縱軸代表海冰場(chǎng)滯后位勢(shì)高度場(chǎng)的月份（記為lag），lag為負(fù)時(shí)代表選取前期的海冰和滯后的位勢(shì)高度進(jìn)行計(jì)算，lag為0時(shí)代表選取同期的海冰和位勢(shì)高度；深（淺）陰影表示超過(guò)95%（90%）置信度月份）Fig. 1 The 1979—1999 （a） and 2000—2021 （b） squared covariance coefficient associated with the first MCA time series between anomaly fields of the Z500 （20°～90° S） and the Antarctic SIC as a function of seasons and lags. The x-axis denotes the months assigned to Z500， from May to July （MJJ） to December to February （DJF） of the following year. SIC leads Z500 at negative lags indicated （in months） on the y-axis. When the lag is negative， it represents the selection of previous sea ice and lagging geopotential heights for calculation. When lag is 0， it represents the selection of sea ice and geopotential heights for the same season. Shading indicates the 90% （heavy） and 95% （the most heavy） confidence levels

為了進(jìn)一步研究前期海冰異常與后期大氣環(huán)流的聯(lián)系，對(duì)1979—1999 年SON（2000—2021 年JJA）季節(jié)的Z500 與lag 為-4 至+1 的南極SIC 異常進(jìn)行MCA 計(jì)算，得到圖2（圖3）中的SIC 同質(zhì)協(xié)方差圖和Z500異質(zhì)協(xié)方差圖。由于MCA的結(jié)果成對(duì)出現(xiàn)，選取圖2 和圖3 所示的位相進(jìn)行研究，反位相的結(jié)果同理相反。圖2（a）～（d）顯示，1979—1999 年南半球冬春季海冰主要以ADP 型異常對(duì)后期春季大氣環(huán)流產(chǎn)生影響，而圖3（a）～（d）顯示2000—2021年秋冬季的海冰以與前一階段不同的三極型海冰異常對(duì)后期大氣產(chǎn)生影響，其正負(fù)異常中心分布于威德?tīng)柡＜捌鋿|西兩側(cè)，且與所處季節(jié)偏暖有關(guān)［1］，P2 階段威德?tīng)柡５腟IC 異常最值更靠近南極大陸且經(jīng)向范圍收縮，南極東部邊緣的異常強(qiáng)度和顯著性也減弱。

圖2 1979—1999年SON季節(jié)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常與前期0～4個(gè)月和滯后1個(gè)月的南極SIC異常MCA首要模態(tài)的同質(zhì)（左側(cè)）和異質(zhì)（右側(cè)）協(xié)方差空間型［位勢(shì)高度的等值線間隔為7.5 gpm，實(shí)線（虛線）為正（負(fù)）值，零線省略；陰影和打點(diǎn)區(qū)分別代表位勢(shì)高度和海冰場(chǎng)關(guān)于首要MCA-SIC時(shí)間序列回歸超過(guò)95%置信度區(qū)域］Fig. 2 1979—1999 （left） homogeneous SIC and （right） heterogeneous Z500 covariance maps in the first MCA mode at lags from -4 to +1 months when Z500 is fixed on SON seasons （Contour interval is 7.5 gpm for Z500； Negative contours are dashed and the zero line is omitted. The shaded and dotted areas indicate significance at 95% confidence levels）

圖3 2000—2021年JAS季節(jié)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常與前期0～4個(gè)月和滯后1個(gè)月的南極SIC異常MCA首要模態(tài)的同質(zhì)（左側(cè)）和異質(zhì)（右側(cè)）協(xié)方差空間型［位勢(shì)高度的等值線間隔為7.5 gpm，實(shí)線（虛線）為正（負(fù)）值，零線省略；陰影和打點(diǎn)區(qū)分別代表位勢(shì)高度和海冰場(chǎng)關(guān)于首要MCA-SIC時(shí)間序列回歸超過(guò)95%置信度區(qū)域］Fig. 3 2000—2021 （left） homogeneous SIC and （right） heterogeneous Z500 covariance maps in the first MCA mode at lags from -4 to +1 months when Z500 is fixed on JAS seasons （Contour interval is 7.5 gpm for Z500； Negative contours are dashed and the zero line is omitted； The shaded and dotted areas indicate significance at 95% confidence levels）

表1 中展示了1979—1999 年SON 和2000—2021年JJA 季節(jié)Z500和前期1～4個(gè)月SIC 異常的首要MCA-SIC 時(shí)間序列之間的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)在滯后1 個(gè)月時(shí)約為0.8，滯后3 個(gè)月時(shí)仍能保持0.6 左右且具有顯著性，說(shuō)明兩個(gè)階段海冰異常都具有較強(qiáng)的時(shí)空連續(xù)性，能對(duì)后期的大氣環(huán)流產(chǎn)生持續(xù)性影響。伴隨著前期的海冰異常影響，圖2 與圖3 中兩階段的Z500 響應(yīng)都呈現(xiàn)出較為典型的SAM 特征［32-33］：高緯度的南極大陸上空和中緯度的位勢(shì)高度場(chǎng)基本呈反相變化，非緯向?qū)ΨQ(chēng)成分主要位于阿蒙森海地區(qū)，該大氣環(huán)流型也是1979—1999年SON 和2000—2021 年JJA 季節(jié)Z500 的EOF 首要變化模態(tài)。850 hPa和150 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的結(jié)果與之相似（圖略），證明該種類(lèi)似SAM的大氣響應(yīng)在對(duì)流層內(nèi)具有深厚的準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)。表2 顯示P1 階段首要MCA-Z500 時(shí)間序列與該時(shí)期SON 季節(jié)Z500 EOF 首要模態(tài)（EOF1）時(shí)間序列間的相關(guān)性均大于0.9，并具有95%置信度，而P2階段MCA-Z500的時(shí)間序列與JAS 季節(jié)Z500 的EOF 首要模態(tài)時(shí)間序列間的相關(guān)性均大于0.98 且95%置信顯著。兩階段分別利用ASO 和JJA 季節(jié)的Z500 異常與SIC 異常計(jì)算的MCA 結(jié)果與之相似。MCA-Z500 和Z500的EOF1時(shí)間序列間的顯著相關(guān)性，證明1979—1999 年和2000—2021年兩個(gè)階段，前期的南極海冰異?？梢燥@著影響到后期南半球冬春季大氣環(huán)流的主要變率。

表1 1979—1999年（P1）超前SON季節(jié)和2000—2021年（P2）超前JAS季節(jié)1～4個(gè)月的首要MCA-SIC時(shí)間序列之間的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients between the first MCA-SIC time series in Fig.2 and Fig.3

圖4 顯示了兩階段MAM，JJA 和SON 季節(jié)SIC的EOF1 空間模態(tài)。1979—1999 年EOF1 呈現(xiàn)ADP型異常，南極半島兩側(cè)的海冰異常為反位相分布，同時(shí)該階段MJJ、JJA、JAS和SON 季節(jié)的海冰EOF1也均為ADP（MJJ和JAS圖略），EOF1時(shí)間序列與圖2 中對(duì)應(yīng)季節(jié)的MCA-SIC 時(shí)間序列間的相關(guān)系數(shù)分別為0.67、0.85、0.92 和0.89（均具有95%置信度），表明P1階段前期持續(xù)的ADP與SON 季節(jié)負(fù)位相SAM 顯著關(guān)聯(lián)。P2 階段MAM 季節(jié)的EOF1 中威德?tīng)柡：土_斯海海冰異常減少，阿蒙森-別林斯高晉海海冰異常增加，AMJ 季節(jié)的EOF1（圖略）與MAM 季節(jié)的類(lèi)似，而JJA 季節(jié)的EOF1與P1階段的ADP 相似，但威德?tīng)柡：１惓?qiáng)度明顯偏弱，羅斯海海冰異常略微加強(qiáng)。該階段MAM-MJJ 季節(jié)的EOF1 時(shí)間序列與圖3 中對(duì)應(yīng)季節(jié)的MCA-SIC 時(shí)間序列間的相關(guān)系數(shù)為0.69，0.69 和0.55（均具有95%置信度），也反映出P2階段海冰異常的EOF1與圖3（a）～（d）中影響后期大氣環(huán)流的海冰異常模態(tài)相關(guān)性較高，可以對(duì)后期南半球冬季的SAM 產(chǎn)生影響。

圖4 1979—1999年（a）～（c）和2000—2021年（d）～（f）MAM、JJA和SON季節(jié)南極SIC異常的EOF首要模態(tài)Fig. 4 1979—1999 （a）～（c） and 2000—2021 （d）～（f） Antarctic SIC EOF1 of MAM， JJA and SON seasons

兩階段南半球秋冬季海冰異常的主模態(tài)發(fā)生了年代際改變，P2階段傳統(tǒng)的ADP不再作為優(yōu)勢(shì)模態(tài)出現(xiàn)，這可能與ENSO-ADP間聯(lián)系在2000年之后減弱有關(guān)。Dou等［14］提出，2000年以前，受ENSO 激發(fā)的塔斯曼海海溫異?？勺鳛椤昂Ｑ髽颉保l(fā)到極地的PSA 波列，加深的阿蒙森低壓導(dǎo)致羅斯—阿蒙森海和威德?tīng)柡：１姆聪蜃兓?，建立了成熟季ENSO 與其后冷季ADP 的聯(lián)系，但在2000 年之后，ENSO 與塔斯曼海海溫的相關(guān)性減小，ENSO 很難再通過(guò)影響塔斯曼海的海溫異常來(lái)影響到ADP 的形成，冷季ADP 指數(shù)與前期十二月到二月的Ni?o 4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)也從1979—2001年的0.72，顯著減小到2002—2020 年的0.21，ENSO-ADP 的聯(lián)系減弱。Guo等［15］指出與2000年后發(fā)生頻率升高的CPEl Ni?o 相對(duì)應(yīng)的南半球春季熱帶降水激發(fā)的羅斯貝波波源，會(huì)相對(duì)于EP-El Ni?o 向西移動(dòng)約20°～30°，導(dǎo)致PSA 響應(yīng)變?nèi)醪⑾蛭髌疲欣诹_斯海和威德?tīng)柡：１脑黾雍桶⒚缮?別林斯高晉海海冰的減少，即類(lèi)似于圖4（d）中的EOF1 三極型海冰異常。

以上EOF 和MCA 分析的結(jié)果表明，兩階段影響后期大氣環(huán)流的海冰異常首要模態(tài)及作用季節(jié)發(fā)生的年代際改變，可能與P2 階段ADP 減弱有關(guān)。ADP 在2000 年后不再作為海冰變率的主要模態(tài)出現(xiàn)，圖2（a）～（d）中的ADP 在圖3（a）～（d）中也不再是影響南半球大氣環(huán)流的首要模態(tài)，海冰異常模態(tài)發(fā)生了年代際改變，導(dǎo)致其對(duì)后期大氣環(huán)流的影響也產(chǎn)生了變化。而海冰異常模態(tài)的變化很可能與熱帶太平洋海溫異常對(duì)其影響的年代際改變有關(guān)：P1階段ENSO與ADP聯(lián)系較強(qiáng)［14］，ADP可作為熱帶太平洋海溫異常影響南半球熱帶外大氣環(huán)流的橋梁，建立熱帶到極地的聯(lián)系，但P2 階段ENSO 對(duì)南極海冰的影響作用減弱且影響位置改變，部分解釋了海冰模態(tài)的變化。與此同時(shí)SAM、緯向波數(shù)3 模態(tài)（Zonal Wave 3， ZW3）大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（Madden-Julian Oscillation，MJO）和印度洋偶極子（Indian Ocean Dipole， IOD）等其他大氣模態(tài)的內(nèi)部變率和遙相關(guān)對(duì)南極海冰的變化也存在著重要影響［34-38］，這些強(qiáng)迫因子在不同時(shí)期的對(duì)不同區(qū)域的海冰進(jìn)行調(diào)制作用［39］，因此兩階段與后期大氣環(huán)流異常有關(guān)的首要海冰異常模態(tài)及作用季節(jié)發(fā)生了年代際改變，對(duì)應(yīng)的大氣異常響應(yīng)也有所差別。同時(shí)，圖2（e）～（f）和圖3（e）～（f）顯示出在冰氣相互作用及SAM 的強(qiáng)迫下，兩個(gè)階段均出現(xiàn)ADP 型海冰異常，說(shuō)明ADP 的出現(xiàn)與南半球大氣環(huán)流的異常變化存在顯著聯(lián)系。

2.2 影響大氣環(huán)流的可能機(jī)制

由MCA 計(jì)算的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然影響到后期大氣環(huán)流的海冰異常主要模態(tài)在2000 年前后發(fā)生了年代際改變，但P1 階段南半球春季和P2 階段南半球冬季的大氣環(huán)流對(duì)于前期海冰異常的響應(yīng)整體呈現(xiàn)類(lèi)似SAM的結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要研究了前期海冰異常影響下該大氣環(huán)流異常出現(xiàn)的可能機(jī)制。

首先，海冰會(huì)通過(guò)改變海表反照率及海-氣間的熱通量來(lái)影響大氣環(huán)流狀態(tài)［40］，而兩階段海冰異?？臻g型會(huì)引發(fā)不同的熱力效應(yīng)。南半球冷季，較低的日照量抑制了反照率效應(yīng)，為了研究?jī)蓚€(gè)階段海冰異常型對(duì)熱通量的影響，圖5 利用標(biāo)準(zhǔn)化首要MCA-SIC 時(shí)間序列計(jì)算了1979—1999 年MJJ-ASO季節(jié)［圖5（a）～（d）］和2000—2021年MAM-JJA季節(jié)

圖5 超前1979—1999年SON季節(jié)（a）～（d）和2000—2021年JAS季節(jié)（e）～（h）1～4個(gè)月的感熱、潛熱之和關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化首要MCA-SIC時(shí)間序列的合成分析結(jié)果（打點(diǎn)表示結(jié)果超過(guò)95%置信度）Fig. 5 Composite response in seasons preceding （a）～（d） 1979—1999 SON and （e）～（h） 2000—2021 JAS 1～4 months surface energy heat flux of the normalized MCA-SIC time series （The dotted areas indicate significance at 95% confidence levels）

［圖5（e）～（h）］熱通量的合成分析。由于海冰覆蓋區(qū)的隔絕效應(yīng)，高緯度SIC 正（負(fù)）異常區(qū)存在熱通量負(fù)（正）異常，異常的最大值發(fā)生在冰緣附近，位于極地環(huán)流和中緯度環(huán)流之間［3］，且具有下游效應(yīng)，故有利于海冰異常信號(hào)向極地外地區(qū)的傳播。由于圖2（a）～（d）中ADP 的存在，圖5（a）～（d）中威德?tīng)柡：土_斯海熱通量出現(xiàn)反相異常，且下游南大西洋和南太平洋出現(xiàn)與極地符號(hào)相反的大范圍異常熱通量。而2000—2021年的結(jié)果圖3（a）～（d）中，三極型海冰異常以威德?tīng)柡橹行模蕡D5（e）～（h）中熱通量異常最值持續(xù)出現(xiàn)在威德?tīng)柡＜澳洗笪餮?，中低緯度的南太平洋和南印度洋也存在熱通量的異常變化。海冰異常引發(fā)的熱通量異常從地表傳遞至大氣，進(jìn)而影響南半球大尺度的大氣環(huán)流。

此外，相關(guān)研究已指出，海冰變化影響大氣環(huán)流的過(guò)程中涉及到強(qiáng)渦流相互作用［9，41］，而南半球的地形變化的影響與北半球相比較弱，定常波對(duì)平均流的貢獻(xiàn)與渦旋作用相比較小，南半球的大氣環(huán)流異常主要受渦旋運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的緯向流異常主導(dǎo)［1，42］，其中高頻瞬變渦旋對(duì)南半球總渦強(qiáng)迫貢獻(xiàn)最大［43］，故可通過(guò)研究海冰異常對(duì)瞬變渦旋的影響，來(lái)分析與前期海冰異常有關(guān)的SAM型響應(yīng)出現(xiàn)及維持的可能機(jī)制。

圖6中等值線代表1979—1999年SON和2000—2021 年JAS 季節(jié)300 hPa 瞬變EKE 關(guān)于前期1～4 個(gè)月標(biāo)準(zhǔn)化首要MCA-SIC時(shí)間序列的回歸，發(fā)現(xiàn)海冰異常會(huì)引發(fā)顯著的瞬變渦旋響應(yīng)。在60° S和40° S緯度帶附近即SAM 中位勢(shì)高度場(chǎng)反相變化的臨界區(qū)域，存在著明顯的EKE 異常。1979—1999 年，南半球春季60° S大洋上空出現(xiàn)顯著的風(fēng)暴軸減弱，前期1～4 個(gè)月的海冰影響持續(xù)且穩(wěn)?。蹐D6（a）～（d）］，中緯度上空出現(xiàn)大范圍的風(fēng)暴加強(qiáng)，并在副熱帶地區(qū)存在緯向延伸的動(dòng)能極大值，對(duì)SAM負(fù)位相伴隨的西風(fēng)急流在極地側(cè)的減弱和副熱帶側(cè)的加強(qiáng)作用明顯，并借助動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化加深了SAM型結(jié)構(gòu)。2000—2021 年，前期海冰異常對(duì)南半球冬季風(fēng)暴活動(dòng)的影響與前一階段相比在高緯度更強(qiáng)，且集中在南極大陸周?chē)蹐D6（e）～（h）］，三個(gè)最強(qiáng)作用區(qū)分別位于約55° S 的南大西洋、南印度洋和南太平洋，而中緯度EKE 正異常區(qū)域主要出現(xiàn)在南印度洋到南太平洋。圖6 的結(jié)果證明兩種海冰異常模態(tài)都通過(guò)激發(fā)南半球瞬變渦旋的異常變化，支持了SAM 中高緯反相位勢(shì)高度異常的產(chǎn)生。

圖6 1979—1999年SON季節(jié)（a）～（d）和2000—2021年JAS季節(jié)（e）～（h）的500 hPa EKE（等值線間隔為3 m2·s-2，紅色實(shí)線代表正異常）關(guān)于超前1～4個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)化首要MCA-SIC時(shí)間序列的回歸結(jié)果（陰影表示結(jié)果超過(guò)95%置信度）Fig. 6 Regression coefficients of 1979—1999 SON （a）～（d） and 2000—2021 JAS seasons （e）～（h） 500 hPa EKE （interval：3 m2·s-2， red contours represent positive） onto the normalized MCA-SIC time series at lags from -4 to -1 months（Shadings indicate that the coefficients are significant at 95% confidence levels）

E 矢量能診斷波流間的相互作用，其輻合輻散能反映瞬變渦旋對(duì)緯向氣流的削弱或加強(qiáng)［44］。故進(jìn)一步計(jì)算了1979—1999 年南半球SON 和2000—2021 年JAS 季節(jié)300 hPa E 矢量的水平分量關(guān)于前期1～4 個(gè)月標(biāo)準(zhǔn)化首要MCA-SIC 時(shí)間序列的回歸結(jié)果（圖7）。與海冰異常相關(guān)的E 矢量在高緯西風(fēng)減弱區(qū)有強(qiáng)烈的輻合，且P2 階段輻合更為明顯，作用的最強(qiáng)區(qū)與EKE 異常最值區(qū)域吻合，表明瞬態(tài)渦旋對(duì)西風(fēng)強(qiáng)烈的減弱作用。中緯度到副熱帶的E矢量出現(xiàn)顯著輻散，表明瞬變渦旋對(duì)副熱帶西風(fēng)風(fēng)速存在顯著的加強(qiáng)作用，P1 階段輻散在南太平洋東部最強(qiáng)，P2階段轉(zhuǎn)移至南印度洋。E矢量的響應(yīng)證明，海冰異常所引發(fā)的瞬變渦旋異常，能影響到伴隨著SAM的緯向風(fēng)的改變。

為進(jìn)一步分析兩種海冰異常模態(tài)是否通過(guò)影響瞬變渦旋運(yùn)動(dòng)使大氣環(huán)流呈現(xiàn)出負(fù)SAM的傾向，圖8 計(jì)算了位勢(shì)高度傾向方程關(guān)于前期1～4 個(gè)月標(biāo)準(zhǔn)化首要MCA-SIC 時(shí)間序列的回歸。圖8 與圖2（a）～（d）和圖3（a）～（d）中位勢(shì)高度的異常空間型特征十分相似，均在中高緯度呈現(xiàn)反相異常。1979—1999年的南半球春季，與前期ADP型海冰異常有關(guān)的瞬變渦旋作用與南極洲持續(xù)穩(wěn)健的位勢(shì)高度傾向正異常有關(guān)［圖8（a）～（d）］，位于中緯度新西蘭南部、阿根廷和南非南部海洋的負(fù)位勢(shì)高度也受瞬變渦旋的持續(xù)影響，超前4 個(gè)月的瞬變渦旋對(duì)南大西洋東部到南印度洋西部及澳大利亞南部的帶狀位勢(shì)高度異常也存在顯著強(qiáng)迫［圖8（a）］。相較于前一階段，2000—2021 年南半球冬季與前期海冰異常有關(guān)的瞬變渦旋作用在高緯度增強(qiáng)［圖8（e）～（h）］，同時(shí)中緯度瞬變渦旋強(qiáng)迫下的位勢(shì)高度傾向異常中心向東偏移，在三大洋中部各有一個(gè)負(fù)異常中心［圖8（e）～（h）］，與圖3（e）～（h）中三個(gè)海區(qū)上空的位勢(shì)高度負(fù)異常對(duì)應(yīng)良好，進(jìn)一步證明由前期海冰異常引發(fā)的瞬態(tài)渦旋強(qiáng)迫，在1979—1999年南半球春季和2000—2021 年冬季大氣環(huán)流出現(xiàn)類(lèi)似SAM 型異常的傾向中存在重要貢獻(xiàn)。

圖8 1979—1999年SON（a）～（d）和2000—2021年JAS季節(jié)（e）～（h）的300 hPa位勢(shì)高度傾向關(guān)于超前1～4個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)化首要MCA-SIC時(shí)間序列的回歸結(jié)果，等值線間隔為3×10-5 m·s-1（陰影代表超過(guò)95%置信度區(qū)域）Fig. 8 Regression coefficients of 1979—1999 SON （a）～（d） and 2000—2021 JAS （e）～（h） 300 hPa geopotential height tendencies （interval： 3×10-5 m·s-1） onto the normalized MCA-SIC time series at lags from -4 to -1 months（Shadings indicate that the coefficients are significant at 95% confidence levels）

3 結(jié)論與討論

本研究主要通過(guò)最大協(xié)方差分析及蒙特卡洛顯著性檢驗(yàn)，分析了前期南極海冰異常對(duì)南半球冬春季大氣環(huán)流影響的年代際變化，發(fā)現(xiàn)1979—1999年間主要是南半球春季大氣環(huán)流受前期ADP 型海冰異常的影響，冬季大氣與前期海冰異常的聯(lián)系并不顯著，而2000—2021年間轉(zhuǎn)變?yōu)槟习肭蚨敬髿猸h(huán)流異常與前期秋冬季海冰異常顯著相關(guān)，且影響到后期大氣環(huán)流的海冰異常主要模態(tài)不再是ADP而轉(zhuǎn)變?yōu)槿龢O型。受前期海冰異常所影響的大氣環(huán)流在2000 年前后均出現(xiàn)類(lèi)似SAM 的響應(yīng)，對(duì)流層位勢(shì)高度以60° S 為界在中高緯度呈反相變化。相關(guān)的動(dòng)力診斷發(fā)現(xiàn)，兩種海冰異常均可以通過(guò)影響高頻瞬變渦旋來(lái)產(chǎn)生和維持SAM 型大氣環(huán)流異常，后續(xù)的研究中可利用數(shù)值模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證兩種海冰異常模態(tài)對(duì)SAM的影響及具體機(jī)理。

此外，本研究中雖然去除了ENSO 的年際變化在南極海冰影響南半球大氣環(huán)流過(guò)程中的干擾，但南極海冰與南半球大氣環(huán)流關(guān)系的改變，很可能與ENSO 的年代際變化存在密切聯(lián)系。正如Dou 等［14］指出的，在2000 年之前ENSO 可通過(guò)激發(fā)塔斯曼海的海溫異常產(chǎn)生到南極半島的波列，促使ADP 產(chǎn)生。該過(guò)程建立了ENSO 與南極海冰的聯(lián)系，進(jìn)而通過(guò)激發(fā)南極海冰的異常影響到南半球的大氣環(huán)流。而2000 年以后，發(fā)生頻率升高的CP-Ni?o 與塔斯曼海海溫的異常相關(guān)性微弱［14-15］，熱帶太平洋海溫與極地的聯(lián)系減弱，海冰異常的模態(tài)受其他因素影響加深，例如關(guān)于2016年南極海冰出現(xiàn)突變減少的原因，相關(guān)研究就指出熱帶印度洋的遙相關(guān)作用強(qiáng)于熱帶太平洋［45-46］。故2000年前后ENSO等海冰強(qiáng)迫因子在南極海冰異常影響南半球大氣環(huán)流過(guò)程中的不同作用，還需要進(jìn)一步研究和確認(rèn)。