北極—中緯度聯(lián)系與北極海冰變化的關系研究新進展

武炳義 2

1 復旦大學大氣與海洋科學系/大氣科學研究院, 上海 200438

2 教育部?！獨怦詈舷到y(tǒng)與天氣氣候重點實驗室, 上海 200438

1 引言

在過去的50 多年時間里，人們在北極海冰物理特性及其對天氣氣候的影響方面，進行了不懈的探索，特別是在氣候系統(tǒng)模式方面的長足發(fā)展，成為探究北極海冰影響的強有力工具，所取得的成果深刻地改變了我們的認知。關于北極海冰變化及其與天氣事件、氣候變率的關系，人們的認知也是曲折起伏的，由初期的通過數(shù)值模擬試驗認為北極海冰變化對大氣環(huán)流有影響（Fletcher, 1968; Newson,1973; Warshaw and Rapp, 1973; Royer et al., 1990），到認為北極海冰變化的影響偏弱（Alexander et al.,2004; Wu et al., 2011; Peings and Magnusdottir, 2014;Mori et al., 2014, 2019），進而質(zhì)疑甚至否定北極海冰的影響（Screen et al., 2013, 2014; Perlwitz et al., 2015; Ogawa et al., 2018; Blackport et al., 2019;Peings, 2019），以及再次確認有影響的過程（ Screen et al., 2018; Smith et al., 2019, 2022;Ronalds et al., 2020; Overland et al., 2021; Bailey et al., 2021; Ding et al., 2021; Outten et al., 2023）。相信隨著研究的不斷深入，我們的認識還會在不同程度上重復類似上述過程，這也體現(xiàn)了基礎研究本身所特有的不確定性。

北極海冰融化對大氣環(huán)流的影響效果受多種因素制約，不存在明確統(tǒng)一的范式。Blackport et al.（2019）認為，只有當海冰減少并伴隨著從大氣向海洋傳輸異常熱量時（大氣驅(qū)動海冰），模式才可以捕捉到觀測聯(lián)系的主要特征。因此，他們認為是異常大氣環(huán)流同時驅(qū)動中緯度冷冬和溫和的北極，北極海冰減少對中緯度嚴冬的影響最小。該結論明顯與Bailey et al.（2021）的觀測研究結果相抵觸，無法令人信服。北極海冰強迫的數(shù)值模擬試驗顯示，北極海冰變化的影響一般小于大氣內(nèi)部變率（除對秋、冬季節(jié)局地表面氣溫的影響外），因此在樣本數(shù)不是很多的北極海冰強迫數(shù)值模擬試驗中，檢測出北極海冰異常對中緯度的顯著影響并不容易。同時，也正是因為北極海冰影響偏弱，導致諸多研究結果缺乏一致性。究其原因，一方面，與使用的資料、分析方法、模擬試驗設計，以及研究者的觀點不同有直接的關系。另一方面，大氣環(huán)流對北極海冰變率的響應不僅取決于海冰的直接影響效果，而且與非線性過程（Petoukhov and Semenov, 2010）、北極海冰的背景條件（Semenov and Latif, 2015）、數(shù)值模式的背景狀態(tài)（Smith et al., 2019）、模式大氣環(huán)流初值（Wu et al., 2016, 2017; Yu and Wu, 2023）以及諸如熱帶強迫等其它影響因子有直接的關系（Sato et al., 2014; Screen and Francis, 2016; Warner et al., 2020; Rudeva and Simmonds, 2021）。因 此，冬季大氣環(huán)流對北極海冰融化的影響不可能在空間上表現(xiàn)出特定的范式（Wu et al., 2022）。

關于海冰變化影響中緯度天氣事件和氣候變率的可能機理，以往研究所概括的對流層過程（Alexander et al., 2004; Deser et al., 2004）和平流層—對 流 層 相 互 作 用 過 程（Jaiser et al., 2013;Cohen et al., 2021）依然有明顯的局限性。例如，它們均無法解釋巴倫支海海冰異常偏少導致的2018 年2～3 月歐洲極端強降雪事件。近年來，有很多研究均強調(diào)了平流層過程，在聯(lián)系北極海冰（歐亞大陸積雪）與歐亞和北美大陸極端天氣事件和冷冬中起重要作用（McKenna et al., 2018; Zhang et al., 2018; Kretschmer et al., 2018; Siew et al., 2020;Overland et al., 2021; Zhang et al., 2022; Tian et al.,2023）。平流層過程甚至可以影響海表溫度和北極海冰密集度（Zhang et al., 2022），但關于北極海冰融化通過平流層路徑影響中緯度區(qū)域?qū)α鲗舆^程，還存在很大的不確定性。McKenna et al.（2018）揭示了不同區(qū)域的北極海冰融化對北半球的影響是截然不同的。他們研究發(fā)現(xiàn)，對于大規(guī)模和中等規(guī)模的北極海冰融化，海冰對冬季平流層極渦的影響是相反的。而對于中等規(guī)模的海冰融化，對流層北極濤動（AO）的響應正、負位相均可能出現(xiàn)；對于大規(guī)模的海冰融化，對流層響應類似強的AO 負位相。這表明隨著海冰融化的加劇，對流層機制變得比平流層過程更為重要。Zhang et al.（2018）認為，平流層對北極海冰強迫的響應，對于冬季冷西伯利亞是至關重要的，并指出與對流層的直接響應相比，平流層過程起著更為重要的作用，特別是平流層異常信號的下傳影響。他們高度強調(diào)了模式在反映平流層—對流層耦合能力的重要性。

一般認為，平流層突然變暖之后，歐洲和美國各地通常會出現(xiàn)寒冷和暴風雪天氣，加拿大北部的氣溫也會升高。2021 年1 月5 日平流層突然變暖之后也出現(xiàn)了上述現(xiàn)象（Davis et al., 2022）。針對發(fā)生在2021 年2 月的北美嚴寒和暴雪天氣過程，Cohen et al.（2021）認為，秋季歐亞大陸積雪增加和巴倫支—喀拉海海冰減少，可以通過影響平流層極渦的拉伸變形，進而影響中緯度，引起北美極端嚴寒和暴雪天氣。但是通過數(shù)值模擬試驗，Davis et al.（2022）發(fā)現(xiàn)，平流層突然變暖在隨后的四周時間內(nèi)對地表溫度影響有限。他們認為發(fā)生在2021 年1 月的平流層爆發(fā)性增暖與同年2 月美國嚴寒和暴雪天氣沒有關系，而對流層大氣狀態(tài)是造成2021 年2 月北美創(chuàng)紀錄低溫的主要原因。Siew et al.（2020）也認為，連接秋季北極海冰與冬季北大西洋濤動的平流層路徑是高度間歇性的，在觀測的樣本中，只有16%的個例呈現(xiàn)完整的平流層路徑。該路徑的間歇性與數(shù)值模擬試驗中北極海冰融化的影響偏弱是一致的，說明北極海冰融化在北極—中緯度聯(lián)系中的作用易受其它因素影響。最新的研究結果顯示，平流層突然變暖的發(fā)生概率主要取決于地磁活動、太陽活動以及準兩年振蕩位相的有利組合（Vokhmyanin et al., 2023），而不是烏拉爾阻塞高壓異常和北極海冰融化，進一步證實北極海冰異常偏少與平流層過程的聯(lián)系偏弱。

在上述研究背景下，本文概述近年來（2018～2023 年）在北極—中緯度聯(lián)系與北極海冰變化研究的新進展。由于這方面研究內(nèi)容非常之多，這里只能以個人的視角來審視和概括研究的新進展，這樣不可避免地遺漏一些重要的研究工作，請讀者指正、見諒。概述內(nèi)容包括以下三個方面：（1）極端天氣事件與北極海冰融化的聯(lián)系；（2）北極—中緯度聯(lián)系強弱的階段性變化特征及其影響；（3）北極海冰融化對夏季東亞降水的影響。

2 極端天氣事件與北極海冰異常變化的聯(lián)系

近年來，寒潮、暴雪、霧霾、高溫熱浪以及強降水過程頻繁出現(xiàn)，日益受到人們的關注，盡管這些極端天氣事件的形成原因復雜多變，但均可能與北極大氣環(huán)流有密切的關系（Luo D H et al., 2017,2019, 2021; Wu et al., 2017; Zou et al., 2017; Wu and Francis, 2019; 董曉峣和武炳義, 2019; Cohen et al.,2021）。以下從三個方面概述極端天氣與北極海冰變化關系的研究進展。

2.1 極端嚴寒暴雪事件

首次觀測研究證實，北極海冰融化是導致極端嚴寒大雪天氣事件的主要原因。2018 年2～3 月，一個強的高氣壓天氣系統(tǒng)席卷了斯堪的納維亞半島，寒冷的東風導致歐洲出現(xiàn)極端嚴寒，北極冷空氣籠罩歐洲大陸數(shù)周，羅馬南部都出現(xiàn)了降雪。Bailey et al.（2021）研究發(fā)現(xiàn)，在該極端事件過程中，異常偏暖的巴倫支海提供了9.3 mm d-1水汽通量，整個過程從巴倫支海蒸發(fā)約1400 億噸水汽，在歐洲北部有高達88%的降雪可能來自巴倫支海的表面蒸發(fā)（對應該海域海冰異常偏少）。再分析數(shù)據(jù)顯示，在1979～2020 年間，巴倫支海3 月的凈蒸發(fā)量增加了70 kg m-2海冰融化（Bailey et al., 2021）。該研究把北極海冰的融化量與海水蒸發(fā)量、極端降雪量直接聯(lián)系起來，明顯不同于以往研究中強調(diào)的由北極海冰融化引起的對流層大氣環(huán)流的負反饋機理以及平流層—對流層的相互作用機制。

2021 年2 月中旬，來自北極的強冷空氣席卷美國中、南部地區(qū)，造成嚴重損失，德克薩斯州受災最為嚴重，導致短時間內(nèi)的能源供應大面積癱瘓。Cohen et al.（2021）認為，秋季歐亞大陸積雪增加和巴倫支—喀拉海海冰減少可以通過影響平流層極渦的拉伸變形，進而影響中緯度，引起北美極端嚴寒和暴雪天氣。該研究強調(diào)的是歐亞大陸積雪和北極海冰外強迫，通過影響平流層途徑，進而影響中緯度區(qū)域的天氣過程。Yao et al.（2023）分析了2022 年11～12 月期間頻繁影響北美和歐亞大陸的極端嚴寒和暴雪事件，并從動力學角度分析了烏拉爾和阿拉斯加阻塞高壓異常維持的背景動力條件（經(jīng)向位渦梯度），認為該背景動力條件與北極海冰融化有關系。

2.2 高溫熱浪事件

近年來，在北極—中緯度聯(lián)系中的進展之一，就是揭示了夏季東亞中緯度區(qū)域的高溫熱浪事件與北極大氣環(huán)流異常的關系，進而可能與北極海冰變化的聯(lián)系（Tang et al., 2014; Wu and Francis, 2019;Francis and Wu, 2020）。研究發(fā)現(xiàn)，包括長江中、下游流域的中緯度區(qū)域夏季高溫熱浪發(fā)生頻次，與該區(qū)域?qū)α鲗游黠L的系統(tǒng)性減弱有直接的聯(lián)系。夏季該區(qū)域?qū)α鲗游黠L的減弱，有利于對流層高壓異常的形成，進而壓制了對流活動，有更多的太陽短波輻射加熱地表，有利于形成高溫熱浪天氣。當長江中、下游流域出現(xiàn)高溫熱浪時，北極大部分區(qū)域則緯向西風加強，夏季歐亞大陸緯向西風的系統(tǒng)性北移，是連接東亞中緯度區(qū)域高溫熱浪和北極西風加強的主要機制。實際上，夏季對流層高層緯向風的系統(tǒng)性變化，可能更多地反映了大氣環(huán)流自身變化優(yōu)勢特征。在夏季季節(jié)內(nèi)時間尺度上，長江流域的極端高溫熱浪事件與同期北極對流層西風的加強也存在直接的動力聯(lián)系（董曉峣和武炳義, 2019）。

另一方面，夏季北極大部分區(qū)域緯向西風的加強，對應加強的北極極渦，有利于夏季北極大部分區(qū)域大氣斜壓性和上升運動的加強。同時，北極大氣環(huán)流的變化有利于北極對流層出現(xiàn)冷卻，從而可能有利于減緩夏季北極海冰的融化（Francis and Wu, 2020）。北極海冰強迫的數(shù)值模擬試驗也表明，北極海冰融化異?？梢约訌娤募颈睒O極渦和高緯度區(qū)域緯向西風，有利于北極對流層中、低層冷異常的出現(xiàn)（Wu and Li, 2022; Wu et al., 2023）。夏季北極對流層西風的加強不僅與東亞中緯度高溫熱浪發(fā)生頻次有直接的動力聯(lián)系，而且是預測后期東亞冬 季 風 趨 勢 的 潛 在 前 兆 信 號（Wu and Francis,2019）。溫室氣體排放的增加導致全球增暖持續(xù)，由此引起北極海冰融化、夏季高溫熱浪的頻繁出現(xiàn)（Sun et al., 2014），而這兩者均與夏季北極冷異常有密切的關系，進而可能減緩了夏季北極海冰的融化。這也是9 月北極海冰范圍在2012 年達到有觀測記錄以來的最小值后，再也沒有出現(xiàn)新的低值記錄的可能原因。但是，夏季北極對流層冷異常如何減緩北極海冰的融化過程和機理還需要進一步深入研究。

2.3 極端強降水事件

已有諸多研究探討了北極海冰變化與夏季降水異常的可能聯(lián)系，但關于北極海冰融化對夏季極端強降水的影響卻并不多見。針對2020 年夏季發(fā)生在長江流域和日本的強降水過程，有研究認為與北極海冰融化、北極增暖異常有關系（Chen et al.,2021; Nakamura and Sato, 2022）。 Chen et al.（2021）認為，2020 年晚春至早夏北極海冰異常偏少，通過影響南下冷空氣活動，進而引發(fā)長江流域和日本的極端強降水過程。而其它研究則認為，2020 年夏季長江流域的極端強降水過程與北大西洋濤動（Liu et al., 2020）、熱帶印度洋海表溫度（Zhou et al., 2021）以及新冠疫情期間減排的突然減少有關系（Yang et al., 2022）。因此，夏季區(qū)域極端強降水的發(fā)生，是多種因素共同作用的結果。

3 冬季北極—中緯度聯(lián)系強弱的交替出現(xiàn)與北極海冰異常變化的聯(lián)系

冬季北極接受的太陽輻射非常有限，由于強的輻射冷卻作用，使得地表（海冰表面）溫度低于周圍大氣溫度，致使北極大部分區(qū)域成為大氣環(huán)流的冷源區(qū)。由于大氣冷源以及熱成風關系，環(huán)繞極地冷源的西風加強，從而形成環(huán)繞北極區(qū)域的極渦。北極極渦的強度、位置以及極地低壓的空間分布直接影響南下冷空氣的路徑和強度。冬季途徑巴倫支海和途徑喀拉海以東海域的冷空氣，經(jīng)常造成東亞寒潮天氣過程。從天氣尺度角度看，北極冷空氣南下的過程，與烏拉爾阻塞高壓加強、西伯利亞高壓加強、東亞大槽加深、東亞中緯度對流層高層西風的加強，乃至熱帶對流活動的加強均有密切關系。此時，北極與中緯度區(qū)域的物質(zhì)和能量交換活躍、偏強，即北極—中緯度聯(lián)系偏強。

在年際變化時間尺度上，從上世紀80 年代后期（1986 年）至本世紀初期（2003 年），冬季西伯利亞高壓強度總體偏弱，對應我國暖冬頻繁出現(xiàn)；在2004～2012 年間，冬季西伯利亞高壓的強度頻繁轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｆ珡?，對應強東亞冬季風頻繁出現(xiàn)（Wu et al., 2015，見該文中圖3）。因此，東亞中緯度區(qū)域冬季大氣環(huán)流呈現(xiàn)明顯的階段性變化特征。北極1000～500 hPa 大氣厚度變率顯示，1979/1980～2003/2004 年冬季北極對流層中、低層溫度偏低，而此后（2004/2005～2015/2016 年冬季）則轉(zhuǎn)變?yōu)槠A段，這期間除2013/2014～2014/2015 年兩個冬季東亞為暖冬外，東亞冬季風偏強頻繁出現(xiàn)[見Wu（2017）文中圖1]。利用美國（NCEP/NCAR）和日本（JRA-25）的再分析數(shù)據(jù)，Yang and Wu（2013）研究了東亞區(qū)域冬季平均表面氣溫的年代際變化的主要特征，揭示了冬季氣溫變率的第二模態(tài)在空間上呈現(xiàn)南北反向變化，該模態(tài)在上世紀90 年代后期發(fā)生了年代際變化，即在1997～2011 年間，東亞區(qū)域北（南）部冬季表面氣溫變得更冷（暖）。秋季北大西洋海表溫度和北極海冰密集度也在上世紀90 年代中、后期發(fā)生了年代際變化，即1995 年以后北大西洋海溫一致性升高，1996 年以后秋季北極海冰減少（Yang and Wu, 2013）。此外，夏季（7～9 月平均）北冰洋表面風場變率的優(yōu)勢模態(tài)，也呈現(xiàn)明顯的年代際變化，1997 年以前盛行的氣旋性風場異常被1997 年以后的反氣旋風場異常所取代，該年代際變化與9月北極海冰范圍的消融趨勢是一致的（Wu et al.,2012）。Xu et al.（2019）認為，冬季巴倫支—喀拉海表層增暖與西伯利亞高壓之間關系有明顯的階段性變化特征：1979～1996 年（1997～2017 年）冬季北極增暖與西伯利亞高壓聯(lián)系偏弱（偏強）。他們認為，在1997～2017 年冬季，當巴倫支—喀拉海表面氣溫異常偏高時，西伯利亞高壓加強西伸，東亞急流加強西伸，北極對流層中、上層增暖是北極與中緯度加強聯(lián)系的重要原因。上述研究清楚地說明，已有的關于北極—中緯度聯(lián)系的研究，都是從氣候系統(tǒng)自身的年代際變化著手（即發(fā)生在20世紀90 年代后期和21 世紀初期的年代際變化），而不是從它們之間關系的階段性演變著手。因此，這些研究不僅沒有如實地反映北極—中緯度聯(lián)系的階段性變化特征，而且可能會誤導北極—中緯度之間的關系。

圖1 （a）區(qū)域（60°～80°N，30°～90°E；圖1d 中紅線所圍繞區(qū)域）平均的12 月海平面氣壓（SLP，單位：hPa）年際變化；（b）區(qū)域（40°～60°N，90°～120°E；圖1d 中藍線所圍繞區(qū)域）平均的12 月表面氣溫（SAT，單位：°C）年際變化；（c）標準化后的SLP（藍色）和SAT（紅色）的累計偏差演變；（d）紅色和藍色線圍繞區(qū)域表示所選定的特定區(qū)域，分別來計算區(qū)域平均SLP 和SAT。計算所用資料來自美國NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)I。Fig.1 (a) Interannual variations of regionally [(60°-80°N, 30°-90°E); red box in (d)] averaged SLP (Sea Level Pressure, units: hPa) in December.(b) As in (a), but for regionally [40°-60°N, 90°-120°E; blue box in (d)] averaged SAT (Surface Air Temperature, units: °C).(c) Cumulative deviations of normalized December SLP averaged over the red box in (d) and SAT averaged over the blue box in (d).(d) The red and blue boxes represent the boundaries of the two regions.Data are derived from NCEP/NCAR reanalysis I.

近期研究表明，冬季東亞對流層低層區(qū)域氣溫經(jīng)歷了明顯的階段性變化特征（2004/2005～2012/2013 年冬季以及2013/2014～2018/2019 年冬季），前一階段呈現(xiàn)暖北極—冷歐亞氣溫分布，北極與亞洲的溫度聯(lián)系加強；而后一階段則變?yōu)榕睒O—暖歐亞溫度空間格局，此時北極與亞洲氣溫的聯(lián)系階段性減弱（Wu et al., 2022）。這說明在北極海冰異常偏少、北極增暖依然持續(xù)的背景下，北極—中緯度區(qū)域之間聯(lián)系的階段性強、弱交替出現(xiàn)，并由此導致中緯度區(qū)域冬季氣候異常潛在的可預測性降低。Smith et al.（2022）分析發(fā)現(xiàn)，秋季北極海冰范圍與冬季NAO、平流層極渦強度的關系在2012年以后也減弱了（見該研究中圖9）。

由觀測的北極海冰密集度強迫數(shù)值模擬試驗，可以再現(xiàn)北極—歐亞中緯度聯(lián)系強弱的階段性變化的主要特征（Wu et al., 2022），冬季亞洲區(qū)域氣溫對北極海冰持續(xù)融化的響應有顯著的低頻振蕩特征，從而證實了北極海冰在年代際變化中起重要作用（Kellogg, 1975; Mysak et al., 1990）。北極海冰融化對北極增暖異常有直接的貢獻，同時，通過對流層負反饋、平流層—對流層相互作用以及其它未知機制，可以引起“暖北極—冷歐亞”氣溫異常分布。當北極海冰持續(xù)融化時，北極增暖的幅度和范圍進一步增加和擴大，以至于正的溫度異常從北極向南擴展至歐亞大陸高緯度區(qū)域，從而有利于產(chǎn)生“暖北極—暖歐亞”的氣溫異常。但是，有關北極海冰持續(xù)融化為什么可以產(chǎn)生類似NAO 正位相的階段性大氣環(huán)流異常[見Wu et al.（2022）中圖4]，以及北極—中緯度聯(lián)系的階段性減弱機制尚不清楚。此時，北極海冰異常偏少引起的負反饋機制、平流層—對流層相互作用機制均不再起作用。

這里給出12 月北極和亞洲大陸大氣環(huán)流異常演變的階段性特征及其與北極海冰異常的可能聯(lián)系。圖1 顯示，包括巴倫支—喀拉海在內(nèi)的區(qū)域平均海平面氣壓（SLP）與亞洲區(qū)域平均表面氣溫呈反向變化關系（圖1a 和b），而它們的累計距平演變清晰地呈現(xiàn)階段性特征（圖1c）。在北極，區(qū)域平均SLP 在1999 年和2012 年分別達到最小值和最大值；而亞洲區(qū)域平均氣溫則在1999 年和2012年分別處于極大值和和極小值，因此，1999 年和2012 年可以近似地作為SLP 和表面氣溫階段性變化的轉(zhuǎn)換點。由此把整個研究時段分劃為三個階段：1979～1999 年（階段I），2000～2012 年（階段II）以及2013～2019 年（階段III）。

這三個不同階段的表面氣溫（SAT）和SLP異常呈現(xiàn)截然不同的空間分布特征（圖2）。在第一階段，表面氣溫異常顯示冷北極—暖亞洲空間格局（圖2a）。表面氣溫負異常覆蓋了北極、歐洲和北美區(qū)域，其中最大負異常出現(xiàn)在巴倫支海。同時，表面氣溫正異常出現(xiàn)在亞洲和東亞沿岸。與第一階段的表面氣溫異常分布相反，表面氣溫正異常覆蓋了北冰洋和北美大陸大部分區(qū)域，同時，氣溫負異常占據(jù)歐亞大陸的大部分區(qū)域，形成暖北極—冷歐亞空間分布（圖2b）。在第三階段，氣溫正異常在高緯度區(qū)域進一步發(fā)展，歐亞大陸大部分區(qū)域為氣溫正異常區(qū)域（青藏高原和東亞小部分區(qū)域為氣溫負異常），形成暖北極—暖歐亞空間分布（圖2c）。

第一階段的SLP 負異常占據(jù)了歐亞大陸和北極的大部分區(qū)域，而SLP 正異常出現(xiàn)在亞洲中、低緯度區(qū)域，西北太平洋以及北美大陸的大部分區(qū)域（圖2d）。第二階段的SLP 異常幾乎呈現(xiàn)相反的空間分布（與第一階段相比），SLP 正異常覆蓋了大部分北極和歐亞大陸的中、高緯度區(qū)域（圖2e），因此加強的西伯利亞高壓與冷亞洲是動力一致的（圖2b）。在第三階段，SLP 異常的空間結構類似正位相的北大西洋濤動，這期間北大西洋濤動指數(shù)平均值為1.17。因此，北極暖異常與北大西洋濤動負位相沒有必然的聯(lián)系。

秋季北極平均海冰密集度也呈現(xiàn)不同的空間分布和振幅異常（圖3a-c）。第一階段對應北極海冰偏多時期，海冰密集度正異常覆蓋了大部分北冰洋及其邊緣海域，幾乎與第二階段的海冰密集度異常呈現(xiàn)相反的空間分布，更強的海冰融化出現(xiàn)在第三階段?；貧w分析結果表明，在前兩個階段，亞洲區(qū)域表面氣溫正異常，均對應前期秋季巴倫支—喀拉海海冰的顯著增加（圖3d 和e）。第三階段北極海冰與12 月亞洲區(qū)域氣溫的關系明顯減弱（與前兩個階段相比），特別是在巴倫支—喀拉海海域，該海域秋季海冰減少反而有利于東亞12 月氣溫升高（圖3f）。秋季巴倫支—喀拉海海冰密集度與氣溫的演變曲線進一步證實了這一結論（圖3g）。

4 夏季北極海冰異常變化與中國夏季降水變化的聯(lián)系

長期以來，關于北極海冰異常及其與我國降水變化的關系，也是人們重點關注的問題之一（Wu et al., 2023）。近年來，一些觀測研究強調(diào)了巴倫支—喀拉海海冰異常在導致東亞降水異常中所起的重要作用（Shen et al., 2019; Zhang et al., 2021; Yang et al., 2022; Du et al., 2022）。Shen et al.（2019）發(fā)現(xiàn)，夏季巴倫支海海冰融化與中國中部和東南部夏季降水異常關系密切。而春季巴倫支海海冰與5～6 月東北亞降水變化有關系（Zhang et al., 2021）。通過復雜的冰—氣相互作用和平流層-對流程相互作用，Yang et al.（2022）指出，晚秋至早冬巴倫支—喀拉海海冰異?？梢杂绊懞笃? 月中國區(qū)域降水變化。最新研究表明，在北極海冰融化階段，盡管夏季高緯度大氣環(huán)流異常是顯著的，但其對華北夏季降水幾乎沒有影響；數(shù)值模擬試驗結果也表明，夏季北極海冰融化異常對華北夏季降水影響有限，其對長江流域和華南夏季降水沒有影響（Wu et al.,2023）。

5 討論

本小節(jié)重點討論當前研究中備受關注的幾個焦點問題：（1）極端天氣事件與北極海冰異常變化的聯(lián)系；（2）大氣內(nèi)部變率與北極海冰變化的影響；（3）北極海冰異常與天氣過程和短期氣候趨勢預測；（4）暖北極—冷歐亞與北極海冰異常變化的關系。這幾個問題在邏輯上是有內(nèi)在聯(lián)系的，它們都涉及北極海冰異常強迫與大氣內(nèi)部變率的區(qū)分，以及它們在極端事件和氣候變率中的不同作用。

（1）極端天氣事件與北極海冰異常變化的聯(lián)系。相對于北極海冰，大氣變化屬于快變過程，而氣溫的快變過程在北極地區(qū)尤為突出（1 克0 攝氏度的冰融化變成0 攝氏度的水需要吸收80 卡的熱量，而1 克大氣升高1 攝氏度需要熱量僅為0.24 卡）。因此，研究北極海冰的影響，更要關注其對大氣低頻變化的影響（季節(jié)內(nèi)和年際低頻變化）。而中緯度極端天氣事件多屬于天氣尺度的快變過程，形成機制很難歸咎于單一因子，同時揭示多種因素的共同影響又過于籠統(tǒng)，因此需要定量化研究北極海冰融化在極端天氣和氣候事件中的貢獻。

（2）大氣環(huán)流內(nèi)部變率與北極海冰異常變化的影響。許多研究都明確指出，大氣環(huán)流對北極海冰強迫的響應小于大氣內(nèi)部變率，由此得出北極海冰變化的影響是次要的，甚至否定其在天氣和氣候變率中的作用。一個突出的例子就是在歐亞大陸冬季降溫趨勢與北極海冰融化是否存在因果聯(lián)系。一部分研究認為，北極海冰融化與冬季歐亞大陸降溫趨勢有因果聯(lián)系（Cohen, 2016），而另外一些研究把降溫趨勢歸結于大氣內(nèi)部變率（Warner et al.,2020）。但我們無法區(qū)分大氣環(huán)流內(nèi)部變率與海冰外強迫的影響，它們已經(jīng)深度融合在一起。因此，把冬季歐亞大陸的降溫趨勢歸結為北極海冰融化和內(nèi)部大氣變率的共同影響更合理（Outten et al.,2023）。在研究中，區(qū)分北極海冰異常的強迫作用與大氣內(nèi)部變率的不同，已無實際意義。

（3）北極海冰與東亞極端天氣過程和短期氣候趨勢預測。已有很多研究涉及到利用北極海冰異常來預測極端天氣和短期氣候趨勢（Wang et al.,2017; Dai and Mu, 2020; Zhang et al., 2020; Ma et al.,2022; Yu and Wu, 2023）。秋季北極海冰不僅是預測冬季北大西洋濤動強度的因子之一（Wang et al.,2017），也是預測東亞冬季風的前兆信號（Zhang et al., 2020）。如前文所述，由于北極海冰對歐亞大陸冬季氣溫的影響受控于諸多因素，為降低秋季北極海冰對后期冬季東亞氣溫影響的不確定性，在考慮北極海冰異常偏少的情況下，往往同時參考大氣初值條件的影響（Wu et al., 2016; Dai and Mu,2020; Yu and Wu, 2023）。Ma et al.（2022）將條件非線性最優(yōu)邊界擾動方法運用到復雜大氣環(huán)流模式（CAM4）中，通過數(shù)值求解北極海冰密集度影響冬季烏拉爾阻塞事件的非線性最優(yōu)化問題，從次季節(jié)尺度研究了北極海冰對烏拉爾阻塞事件可預報性的影響。他們研究發(fā)現(xiàn)，在超前烏拉爾阻塞形成前的第4 候，使得烏拉爾阻塞的預報具有最大不確定性的海冰密集度擾動主要集中在格陵蘭海、巴倫支海和鄂霍次克海，海冰通過一系列復雜過程最終影響第4 候烏拉爾阻塞的形成。但是，由于極端天氣和氣候預測的復雜性，以及考慮到冬季北極—東亞氣溫聯(lián)系強弱與北極海冰融化關系的階段性變化等影響，利用北極海冰預測天氣事件和氣候趨勢依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

（4）暖北極—冷歐亞與北極海冰異常變化的關系。自從Overland et al.（2011）通過個例分析提出暖北極—冷大陸的概念之后，已有大量研究探討了暖北極—冷歐亞大氣環(huán)流異常變化的主要特征和可能的形成機理，盡管對北極海冰的影響仍有爭論，但主要結論是北極海冰融化不僅對北極增暖異常有貢獻，也是引起歐亞大陸冷異常和降溫趨勢的原因之一。近期研究對暖北極—冷歐亞的形成提出了不同的解釋（Wu and Ding, 2023）：冬季歐亞大陸區(qū)域冷異常對北極增暖有貢獻，在合適的條件下，歐亞大陸的區(qū)域冷異常可以加強冬季西伯利亞高壓、導致烏拉爾山附近區(qū)域的反氣旋環(huán)流發(fā)展，進而引起巴倫支—喀拉海異常偏暖。觀測分析顯示，冬季巴倫支—喀拉海異常偏暖不僅取決于NAO 正位相的強度，而且與西伯利亞高壓的加強有直接關系。冬季加強的西伯利亞高壓對應北半球中、高緯度大氣環(huán)流的系統(tǒng)性北移，是引起巴倫支—喀拉海增暖異常的直接原因。秋季北極海冰異常偏少很可能通過影響冬季西伯利亞高壓，進而引起巴倫支—喀拉海異常偏暖。

在冬季季節(jié)內(nèi)時間尺度上，源自北大西洋區(qū)域的大氣低頻變化可以加強烏拉爾山附近的反氣旋性環(huán)流異常，滯后1～2 天該異常反氣旋可以引起巴倫支—喀拉海異常偏暖，通過?！獨庀嗷プ饔眠^程，進一步加強了烏拉爾山附近的反氣旋性環(huán)流異常，幾天以后異常反氣旋引起歐亞大陸的冷異常（Nie et al., 2022）。Peings et al.（2023）認為，巴倫支-喀拉海海冰可以調(diào)節(jié)大氣環(huán)流對烏拉爾阻塞的響應，海冰偏少有利于更持久的響應。該研究表明，在季節(jié)內(nèi)時間尺度上，冬季巴倫支—喀拉海異常偏暖依然與中、高緯度系統(tǒng)加強有直接的關系，巴倫支—喀拉海海冰異常偏少則加強了烏拉爾山附近的異常反氣旋。相反的觀點則認為，冬季巴倫支—喀拉海溫度超前烏拉爾山附近阻塞高壓異常1～2 天，后者再引起歐亞大陸的冷異常（Luo et al.,2016; Kim et al., 2021）。因此，在冬季季節(jié)內(nèi)時間尺度上，西伯利亞高壓、烏拉爾山附近阻塞高壓異常以及北極增暖異常之間因果關系鏈條依然不是很清晰明確，北極海冰異常在其中所起的作用也亟需進一步研究。

6 結論

近期（2018～2023 年）北極—中緯度聯(lián)系與北極海冰異常變化的關系研究新進展，可以概括總結為以下六個方面：（1）對北極海冰異常變化在歐洲極端降雪個例中的貢獻有了實質(zhì)性的認識。通過對大氣中水蒸氣同位素的測量和分析，揭示了巴倫支海海冰融化通過向大氣輸送更多的水蒸氣，導致歐洲2018 年2 月出現(xiàn)極端降雪事件，這是以往研究提出的北極海冰影響大氣環(huán)流的機制所無法解釋的。（2）冬季亞洲區(qū)域氣溫對北極海冰持續(xù)融化的響應有顯著的低頻振蕩特征。北極海冰持續(xù)融化有利于冬季暖北極—冷歐亞（2004/2005～2012/2013 年）和暖北極—暖歐亞（2013/2014～2016/2017 年）交替出現(xiàn)，與暖北極—冷歐亞階段相比，暖北極—暖歐亞階段北極與東亞中緯度的聯(lián)系減弱了。（3）東亞中、低緯度區(qū)域夏季高溫熱浪極端天氣事件與同期北極對流層冷異常有直接的動力聯(lián)系，夏季北極對流層冷異常不僅有利于減緩北極海冰融化，而且成為預測后期東亞冬季風趨勢的前兆因子。（4）北極夏季海冰融化異常，對我國華北以南區(qū)域夏季降水并無實質(zhì)性影響。（5）北極海冰融化異常通過平流層過程影響中緯度區(qū)域的不確定性大于對流層過程。（6）區(qū)分大氣內(nèi)部變率與北極海冰強迫在天氣事件和氣候變率中的不同作用已無實際意義。

未來關注北極海冰異常融化的影響時，更應注重其在大氣環(huán)流低頻變化中的作用，以及北極海冰異?？臻g分布差異和不同異常振幅的影響，同時需要定量化研究北極海冰融化在極端天氣和氣候事件中的作用。

致謝 本文插圖的計算所用資料來自美國NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)I和英國大氣數(shù)據(jù)中心，特此感謝。