1 背景

1.1 气候变化下北极增温的主要外强迫机制

在全球变暖的影响下,过去几十年北极地区表面温度的增加是全球平均地表温度增加的两倍以上(Serreze and Barry,2011;Vaughan et al.,2013),这个现象被科学界定义为北极放大现象。北极放大现象体现在北极气候系统的很多方面,如高纬大气和海温的快速增暖,海冰、陆冰(冰架及冰川)、冻土的加速融化,植被和生态系统的快速演变,以及北极区域海洋的物理和生化等方面的一系列变化(Koenigk et al.,2020)。这些变化预示着北极可能已经或者很快将要进入一种全新的状态。这种新常态为人类未来的气候应对提出了巨大的挑战,因此深入研究北极变暖机制,以及更为准确地预判未来北极变暖增速就显得尤为重要。因为海冰减少是北极变暖的核心问题之一,所以本文主要关注近几十年对夏季海冰快速减少的机制的理解和讨论。

过去20 a北极海冰迅速减少在各个月份都很明显,最大的变化出现在9月,这主要因为在气候态上,9月是夏季海冰融化季节的末期,也是从融化季向结冰季的关键转折期,因此在9月海冰无论从体积还是面积上都达到全年的最小值。此时海冰对气候的变率更加敏感,很多研究也因此更加关注9月海冰的状态,并把9月海冰的长期变率看作衡量北极变暖的一个重要指标。海冰在9月的变化主要反映了海冰在整个融化季甚至之前结冰期状态的一个累计效果,它的变率更多的是反映了海冰对整个夏天甚至更早月份气候的变率及异常,而并非只是对9月气候异常的反映。

大部分研究认为在过去几十年北极夏季海冰的减少主要是辐射强迫的增加和反馈机制放大效应共同作用的结果(Larsen et al.,2014)。辐射强迫的增加,主要是来源于温室气体成分增加导致的增强的大气向地表面的长波辐射,这是过去百年气候变暖的最根本的驱动力(Hartmann et al.,2013),反馈机制包含很多过程。这些过程在全球范围内大部分会倾向正反馈以放大辐射强迫增加导致的变暖,只有一部分会导致负反馈效应(Sherwood et al.,2020)。但是这些机制在北极大都倾向于正反馈的作用(Goosse et al.,2018),其中最主要的是与地表面反射率、温度垂直递减率、大气水汽含量、热量和水汽从低纬向高纬的大气传输等相关的正反馈效应。高纬海洋表层气候态上的向极海洋平流也被认为会把在极地以外由于气候变暖而增暖的暖海水通过温度平流带入北极,从而起到加速北极变暖的结果(Steele et al.,2008)。除了这些正反馈机制,特别要指出的是普兰克反馈(Planck feedback)机制在北极地区的独特作用。普兰克反馈机制主要指的是在辐射强迫增加的情况下,气候系统会以一定比率略微增温并以长波辐射的方式向外发散热量以达到新的能量平衡,因此它是气候系统内在固有的一个最重要的负反馈机制,担负起气候系统“安全阀”的作用。这一机制导致的热量发散的效率是与系统本身气候态的温度有正相关的关系。但北极地区的气候态温度相对于较低,这一负反馈机制相对于此机制在其他地区尤其是热带地区的“安全阀“作用相比并不十分有效,因此这一机制在北极反而被认为会起到某种正反馈的作用(Goosse et al.,2018)。另外,云的反馈效应在北极变暖中的作用还很不清楚,大部分研究主要关注的是云在结冰季对海冰减少的响应和反馈作用,而对于云在夏天的研究相对较少(Kay et al.,2016),这一方面急需进一步的深入研究,但可以肯定的是云的变化在北极变暖的过程中起着重要的调节作用。

综上所述,导致北极变暖是一个非常复杂的过程。但总体而言,绝大部分研究都认为北极变暖背后的主要驱动力是人类变化导致的长波辐射的改变,以及辐射改变引起的一系列放大效应的叠加结果。气候模式在模拟这一系列过程中体现出了较好的模拟能力。尽管模式也表现出对模拟某一些反馈机制和其具体贡献的不确定性(Pithan and Mauritsen,2014),但随着模式的持续发展,这一不确定性逐渐降低,模式对这一系列过程的模拟能力也一定会进一步提高。

1.2 自然变率影响北极变暖的主要途径

近期北极变暖的另一个不容忽视的驱动原因是气候系统中来自海洋和大气的内在变率(Chylek et al.,2009;Lee,2012;Zhang,2015)。过去关注这方面的大部分研究主要强调高纬海洋的内在变率对北极变暖的作用,其中最为关注的是所谓的“大西洋化现象”(“Atlantification”;Polyakov et al.,2020)。“大西洋化现象”机制主要指的是,冬季大西洋北部靠近格陵兰岛的上层暖海水由于某种原因更多的侵入北极海洋内部,通过减少海洋上层稳定性,从而增加垂直混合来将跃盐层以下的暖海水带到表层,以起到对海水的增暖和对海冰的融化的作用。但这一现象背后的具体原因还不清楚。另外基于观测和模拟,北太平洋的PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)模态及高纬大气的北极偶极子环流型也被认为会对从北太平洋海洋上层的暖平流侵入北极内部起到一定的加强作用(Steele et al.,2008;Zhang,2015)。

大气内部的变率对北极的影响在近期的研究中越来越受到重视(Wernli and Papritz,2018;Olonscheck et al.,2019)。最主要的研究认为,热带太平洋或者大西洋的海温异常或者季风区的降水异常会通过改变中高纬大气环流型来改变北极的气候(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)。其中最早注意到这一联系的研究认为,向极地的大气扰动主导的大气热输送与热带东太平洋的海温异常有关(Lee,2012)。在La Ni$\tilde{n}$a年,这种热输送会相应地增加,从而导致北极增暖加速。而在El Ni$\tilde{n}$o年,这个作用相反。本人最近几年在这方面也做了一些研究,主要强调的是热带海温所驱动的大气遥相关环流型对北极的影响。下面就对我们研究组近几年在这方面的工作进行一个小结。

2 资料

1)1979—2018年ERSST5(Huang et al.,2017)、ERA-I(Dee et al.,2011)及NSIDC海冰资料(Maslanik and Stroeve,1999)。2)模式检验部分来自CMIP5(Taylor et al.,2012),部分图取自于我们研究组在近几年已发表的文章。3)2020年夏天的环流资料来源于NCEP2(Kalnay et al.,1996)。

3 观测和模拟的夏季海冰与局地大气的联系

我们的工作的一个主要观点是,北极近期的变暖与热带太平洋东部海温长期的内在变率所激发的遥相关型有着很紧密的联系。这一联系在夏天尤为明显(Ding et al.,2017)。在北极,近几十年大气变暖和海冰的融化与北半球环流的长期变化趋势有着紧密联系。这个趋势反映出环流在高纬呈现出很强的高压趋势(图1a)。此高压具有准正压结构(图1b),其趋势的异常中心从格陵兰岛一直延伸到北极内部。此高压中心会导致非常强的下沉运动,并产生绝热下沉加热,加热同时提高大气水汽的含量。大气的变湿和变暖会一起增强大气向下的长波辐射能力。这个作用与温室气体导致的辐射强迫和北极变暖非常相似,都是增强向下的长波辐射,从而激发与海冰反射率等有关的正反馈机制以增强北极变暖。

根据观测发现,在年际尺度上6—8月高纬环流异常往往是先于9月海冰的变化。夏季环流能影响到同期海冰变化,但没有夏季环流与9月海冰之间的关系紧密,这是因为9月的海冰是整个夏季变化的累积量。为了更清楚展示夏季环流与9月海冰之间的关系,计算了6—9月海冰和6—8月环流的交叉相关系数(图2),其中长期趋势在所有变量中已被最先去除,相关系数反映的主要是年际变化上的关系。由图2可以清晰地看出,凡是在海冰的月份领先环流月份的配置下,其相关系数都不是非常显著,但当环流月份领先海冰月份的时候,相关系数则显著增加,并呈现出显著的负相关关系。这个统计关系清晰地表明,环流和海冰的因果关系是海冰受到环流的驱动,而并非海冰变化来驱动环流的变化。负相关系数说明夏季高压的环流异常领先海冰变少,或者低压的异常导致海冰增加。图3是北极大气夏季温度和水汽与9月海冰的相关系数(图3),得到了一致的关系。夏季高压异常所产生的下沉运动可以造成温度的绝热增加,温度的增加会进一步增加大气的水汽含量,并产生非常强的向下的长波辐射,这样可以增加海冰的能量收支盈余并造成海冰的减少。这一夏季的环流作用通过累积最大程度地反映在9月的冰量变化上(图2m),因此变量间呈现出显著的负相关关系。

Ding et al.(2017)在一动力模式中通过把观测中的大气环流叠加到模式中来定量分析了夏季环流对海冰减少的作用,发现过去40 a的环流变化可以解释过去40 a9月海冰减少的40%。另外,高压异常所导致的反气旋的环流也对海冰起到动力推动作用,促进海冰向极区外部的移动,这个作用对夏季海冰减少的具体贡献,还需要更系统的定量化的研究。另外环流的变化也会造成云在高纬的变化,但云的具体变化仍不清楚。由于云的各种要素的变化在北极的能量收支中起到了非常重要的作用(Kay et al.,2016),因此对这方面的研究是未来研究北极变暖的一个重要方向之一。

由于观测到的夏季环流、温度、水汽与9月海冰在年际尺度上的负相关关系非常显著,同时这个关系可表征很强的动力联系,因此认为这一统计关系可以作为对模式检验的一个衡量依据,气候模式应当有对此现象比较全面的捕捉能力,从而保证海冰在模式中对大气变率具有一定的敏感性。为此,研究了CMIP5中的大部分模式,发现大部分模式缺乏对这个联系的捕捉能力(图4)。在观测中,相关系数在大气中层(1979—2018年)普遍为-0.6~-0.7。而模式中,在同一位置以及在相同时间长度内(40 a),通常只有-0.3~-0.4。如果考虑用R ²来定量化模式捕捉这一关系的能力,模式大概只能模拟到观测中夏季环流与9月海冰耦合程度的四分之一(0.3²/0.6²=25%)。由于气候模式是我们对海冰预报和预测最为有力和依赖的工具,这一缺陷应该引起重视。检验发现,在大部分模式中9月海冰对夏季环流的敏感性普遍较低,这表明,即使气候模式可以更好地预报出高纬大气夏季的变率,由于海冰对大气变率的响应偏弱,模式对于海冰预报的准确性会大大降低。这对海冰的季节预报和未来的气候预测都是一个需要关注和解决的问题。目前对这个缺陷的根本原因仍不清楚,可能与环流、温度和水汽之间的相互关系,或者海冰模式的某些因素有关,这也是一个未来需要关注的研究方向之一。

4 观测和模拟的夏季海冰与热带海温异常的联系

为了进一步研究北极环流的大尺度影响因子,我们着眼于和北极夏季环流变化有着紧密联系的主要遥相关型。北半球的大尺度遥相关型有很多种。在夏季的遥相关型中,一个主要的波型就是PNA(Pacific-North American teleconnection,太平洋-北美遥相关;Barnston and Livezey,1987)。PNA主要受ENSO驱动。当PNA被ENSO有关的热带海温异常所激发,它的波列向高纬传播,到达阿拉斯加后就会转向低纬,从而影响美国南部地区,形成经典的“大圆”波形(Ding et al.,2014)。因此PNA倾向于造成北极与热带的同号振荡,也就是热带海温增暖对应北极增暖。

另一种遥相关型是与IPO(the Interdecadal Pacific Oscillation,太平洋年代际振荡)有关的环流异常(Ding et al.,2014,2019;Trenberth et al.,2014)。它也经过阿拉斯加,但是由于波数和波列的特性会向东北继续传播,甚至可以到达格陵兰岛,从而影响NAO。这个遥相关型是过去几十年联系热带和北极的最主要的遥相关环流型之一。相对于PNA,IPO具有波长短、波数高的特点,因此这个遥相关型所对应的关系是北极与热带异号的震荡,即热带海温冷异常对应北极增温。由此可以看出,北极与热带的关系在年际尺度上是相当复杂的。图5是9月海冰和夏季全球海温的相关系数(Topl et al.,2020),可以清晰地看出,东太平洋的正相关系数表示热带东太平洋夏季的冷海温与北极9月海冰减少相关的。这个关系在过去30、40 a还是很稳定的,相关系数也通过了显著性检验。另外还发现大部分CMIP5模式对这个环流型的捕捉都有着很大的局限(图6)。模式更倾向于热带海温变暖对应北极增温的关系(负相关系数)。这可能是因为模式更容易模拟PNA型,而与IPO有关的环流型的模拟有着显著的缺陷,这与模式对IPO等热带东太平洋海温的低频模态的模拟能力不足有一定的关系(Fasullo et al.,2020)。另外。模式对大气环流的气候态的模拟也存有一定误差(Ding et al.,2014),这也会造成对遥相关型模拟能力的不足。

5 与2020年夏季的北极增温有关的环流型

海冰资料显示北极海冰在2020年9月到达过去42 a的第三低(图7)。这一变化已经引起学界的广泛关注,因为如果只关注海冰最近十年的变化,自2012年以来,9月海冰的减少好似已经停滞。对这个停滞的理解有很多争议(Swart et al.,2015)。由于2020年的降低非常接近前期(2012、2016年)的极小值,因此对于2020年海冰变化的理解就显得尤为重要。最核心的问题是,是什么导致2020年夏季的快速变暖和融冰?

在2020年夏季,北半球的环流非常相似于与IPO有关的遥向关环流型。而在热带,也发现了较弱的拉尼娜现象(图8)。这都与过去41 a与海冰紧密联系的大尺度环流型有一些相似性(图5、9)。这说明在2020年的北极变暖中,一部分原因仍是来源于热带。在北极,夏季的高压异常非常明显,达到过去42 a的第三高。同时底层的大气温度增温达到2~3℃(图9)。这都与环流导致的异常下沉气流有关。这些配置都与过去40 a海冰融化相配合的局地环流配置相一致(图3)。因此也说明2020年夏季海冰的异常融化有着同样来自大气内在变率的贡献。而这个内在变率可能于2020年夏季热带海温的冷异常有关。但要定量化这个贡献还需要更多的工作和模式的帮助来完成。

6 结论和讨论

本文是对我们研究组近期对北极变暖的内在变率研究的一个总结。主要观点强调了热带东太平洋冷海温通过遥相关型来影响夏季海冰融化的机制。另外也指出大部分气候模式对这一过程的模拟显示出能力不足的局限性。这需要未来更多的研究,来更好地认识导致这个局限性的原因。另外我们注意到,自2012年以来的8 a中(图7),北极夏季海冰融化并没有再一次打破2012年9月的最小冰面总面积的最低记录,这与我们预期的北极放大效应导致的结果并不完全一致。如果北极发大效应是北极变暖的唯一驱动因素,那么温室气体在过去10 a间的持续排放,应该导致海冰更加快速的消融。而在观测中,我们并没有观测到在2012年后的加速融化,反而北极增温和融冰在最近的8 a间反映了一定的停滞趋势。这说明气候的内在变率对海冰的驱动不能被完全排除。我们认为由于热带东太平洋海温的冷异常在2007—2012年间达到极值,这一海温所驱动的遥相关环流性在2007—2012年也达到最强(Baxter et al.,2019),其作用与人类影响导致的北极变暖的结果一致。因此在这6 a间我们观测到北极的加速暖化。在2012之后,由于热带东太平洋海温前期的冷趋势减弱,这一内在因素也相应地减弱甚至可能变成促进北极变冷的作用以抵消一部分人类影响导致的变暖的作用。这也可以部分解释近期的变暖停滞的现象。特别要指出的是,我们对大气内在变率对北极气候的研究主要基于最近40 a的资料,这显然是不足的。未来更长期的再分析,气候重建或者古气候资料应该被更好地利用起来,以在更长时间尺度上更好地理解北极与热带的关系。最后,我希望这个小结能够对提高我们认识北极变暖的内在变率的重要性起到抛砖引玉的作用。但是我们不可否认,人类影响仍然是造成近几十年北极变暖的最主要原因。同时我们也强调,北极变暖在未来的趋势仍是由人类影响和内在变率相互协调相互制约的结果。这一相互影响的过程还将在未来一段时间内继续主导北极气候的变化,因此我们需要提高气候模式对这一相互影响过程的模拟能力。

参考文献