北极海冰减少与东亚极冷事件的幕后“黑手”丨大气悟理
11-03 21:55
编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。
说到北极你会想到什么？无边的冰雪、漫长的冬季、被海冰覆盖的白色海洋……一直以来，这个面积广大但人烟稀少的地区用她的美丽与神秘吸引着人们的目光，从对北极一无所知到开辟北极航道，这里一直激发着人类探索的欲望。近年来，北极再次成为人们关注的热点问题，但这次人们议论的不是令人神往的美景与未知，而是让人揪心的现实：北极海冰面积一再刷新最低记录。
北极海冰持续减少，背后“黑手”究竟是谁？
北极作为地球的顶点之一，人类为探知这个地区的真相付出了极大的代价，探测手段也从原始的雪橇探险，发展为飞机测绘、潜艇、破冰船、无人设备的使用等等。自1979年以来，卫星成为持续监测北极冰变化的可靠工具。不断进步的观测技术带来了更加丰富的数据，也让全球变暖背景下北极海冰减少的事实清晰无比地呈现在世人面前：在过去的半个世纪中，北极的变暖速度约为全球变暖速度的两倍。北极海冰急剧下降，成为了气候变化的关键指标和“放大器”，气候变暖加速了海冰融化，同时总体冰减少造成反射的太阳光减少，进一步导致气候变暖。
2020年9月15日的北极海冰，达到了今年的最小范围，面积平均374万平方公里，为卫星记录中第二低。（图片来源：NSIDC / NASA地球观测站）
北极地区长期极为寒冷的气候特点使该地区存在着终年不化的厚厚冰层，称为多年期海冰，它们用多变的形状和低调的色彩展示着自己独特的美。还有一些北极海冰则具有明显的季节和年际变化：每年8-9月，北极冰盖就会融化到科学家所说的“最小值”，随着冬季来临海温降低，北冰洋及其周围海域覆盖的海冰覆盖范围就会扩大，到次年3～4月海冰范围达到最大。这些海冰会随着海温高低出现年循环过程，影响着北极周围的生态系统以及北极航线的安全。
（图片来自网络）
近几十年来，北极地区海冰覆盖面积大幅下降，对依赖于冰川生活的动植物和土著人群产生了极大的影响。同时，冰川的消逝还可以通过改变中纬度地区气候和天气模式，海洋环流进而影响到更加遥远的地区。导致北极变暖和海冰融化的各种潜在物理机制以及相对重要性仍然存在很多争议，这是因为我们的地球系统是一个复杂的非线性相互作用的整体，各个圈层之间可以相互影响，比如时时刻刻在海洋上空奔腾不息但又“隐身”的大气环流，就是造成冬季北极海冰面积减少幕后“黑手”其中之一。
“牵一发动全身”的天气系统
冬季北极地区海冰减少主要有两个关键区域：一个是北美高纬度地区（巴芬湾、哈德逊海峡及拉布拉多海）；一个是巴伦支海-喀拉海附近。其中巴伦支海-喀拉海是欧亚大陆寒潮发源地之一，是影响欧亚大陆冬季冷空气活动的关键海区。近年来，北半球中纬地区极端强寒潮事件频发，不少学者认为是巴伦支海-喀拉海的海冰迅速减少引发大气环流的调整影响到中纬度地区。
（图片来自网络）
北半球的西风带里，大气运动并不是直直的一条线，而是呈波浪起伏式。向北凸起的波峰称为高压脊，向南凹陷的波谷区就是低压槽，脊的西面（术语“槽前脊后”）一般吹西南风输送暖湿气流，脊的东面（术语“槽后脊前”）一般吹东北风带来干冷空气。
2020年1月北半球500hPa位势高度场（图片来源：国家气候中心）
有时西风带槽脊在发展演变过程中，脊不断北伸，它与南方暖空气的联系被冷空气切断，于是在脊的北边出现一个孤立的闭合暖高压中心。它经常持续时间比较长而且很少移动，阻碍着西风带里上游天气系统向东移动，于是称之为“阻塞高压”。北半球阻塞高压的形成与崩溃对我国的天气和气候有十分重要的作用：乌拉尔山阻塞高压的崩溃经常在东亚造成大范围的寒潮，鄂霍次克海阻塞高压的维持是我国梅雨发生的重要的大尺度环流条件。
（图片来源：中央气象台）
阻塞高压是北半球中高纬重要的天气系统之一，它的建立和崩溃常常伴随着一次大范围甚至半球范围的环流形式的剧烈转变。大气物理研究所罗德海团队从事了一系列针对冬季乌拉尔阻塞高压与北极海冰相互关系的研究，他们的结果表明，在北极增温的背景下，欧亚中高纬度地区的经向温度梯度和西风减小，从而导致经向位涡(PV)梯度减少，在这种环流背景下，乌拉尔阻塞会表现出准定常（不移动）的特征，同时其持续性也会变长。盘踞在乌拉尔山和新地岛上空移动缓慢的阻塞高压通过向下的长波辐射造成持久的海冰减少，最近二十年巴伦支-喀拉海海冰剧烈减少可能与准定常型乌拉尔阻塞的维持有关。同时，乌拉尔阻塞环流西侧与上游北大西洋海平面气压场配合，有利于将低纬度地区暖湿水汽输送到北极，造成巴伦支海-喀拉海地区的海冰持续减少；乌拉尔阻塞环流东侧则将高纬度地区的冷空气持续向欧亚中纬度地区输送，使得该地区极端冷事件的发生频率显著增加。
准定常乌拉尔阻塞对北极增温\欧亚变冷的物理过程示意图
一个尚未解开的谜团
科学家的研究结果表明，海冰减少和中纬度极端冬季之间存在关联，但这并不意味着一个直接导致了另一个，而是两者同时受到相同的大尺度大气环流的影响。地球各圈层间的相互影响有点类似于“鸡与蛋溯源”，也许北极海冰减少不是亚洲冬季寒冷的直接原因，但是大气环流影响下海冰覆盖面积的减少意味着开阔水域面积的增加，这让海洋在冬季向大气释放更多热量，这将进一步改变大气环流，可能使寒冷冬季将变得更加频繁和严重。随着全球变暖问题日益严峻，对北冰洋整体海冰和各海区的变化，以及海洋-海冰-大气相互关联规律的认识更为重要。日前, IOP出版社公布的“中国高被引文章奖”获奖名单中，就包括了大气所研究员罗德海及其合作者关于北极海冰减少系列研究中的一篇文章 Atmospheric circulation patterns which promote winter Arctic sea ice decline ，是此次环境科学领域仅有的两篇高被引论文之一。该文章于2017年发表在Environmental Research Letters 期刊上。
三极地区（北极、南极、青藏高原）受气候变化的影响要高于全球平均水平，北极冰层变得越来越薄，越来越多古老而厚的冰层在消失，即使在某些短暂的冷空气作用下水域重新结冰，但是新的冰层更薄、更脆弱，当温度稍微回升便会导致新的“大开口”。变薄的海冰降低了海冰系统的稳定性，更具有流动性，随着移动速度加快，冰层更容易进入更加温暖的海洋，然后融化。而这发生在千万里之外的事情并非与我们毫无关系，海冰范围快速消退与亚洲极端寒潮事件如何关联？是否会造成其他极端天气出现？这一切都还属于未知。
参考文献：
1. Binhe Luo, Dehai Luo*, Lixin Wu, Linhao Zhong and Ian Simmonds. Atmospheric circulation patterns which promote winter Arctic sea ice decline. Environ. Res. Lett. 12 (2017) 054017
2. Chen, X., D. Luo*, S.B. Feldstein, and S. Lee, 2018: Impact of Winter Ural Blocking on Arctic Sea Ice: Short-Time Variability. J. Climate, 31, 2267–2282.
3. Yao Yao, Dehai Luo*, Aiguo Dai, and Ian Simmonds, 2017: Increased Quasi Stationarity and Persistence of Winter Ural Blocking and Eurasian Extreme Cold Events in Response to Arctic Warming. Part I: Insights from Observational Analyses. J. Climate, 30(10), 3549-3568.
4. Dehai Luo*, Yao Yao, Aiguo Dai, Ian Simmonds and Linhao Zhong, 2017: Increased Quasi Stationarity and Persistence of Winter Ural Blocking and Eurasian Extreme Cold Events in Response to Arctic Warming. Part II: A Theoretical Explanation. J. Climate, 30(10), 3569-3587.
5. Dehai Luo*, X. Chen, J. Overland, I. Simmonds, Wu, Y. and P. Zhang, 2019: Weakened potential vorticity barrier linked to recent winter Arctic sea ice loss and midlatitude cold extremes. J. Climate, 32, 4235-4261.
来源：中国科学院大气物理研究所