北極海冰減少與東亞極冷事件的幕後「黑手」丨大氣悟理

2020-11-04 光明網

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設「大氣悟理」，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

說到北極你會想到什麼？無邊的冰雪、漫長的冬季、被海冰覆蓋的白色海洋……一直以來，這個面積廣大但人煙稀少的地區用她的美麗與神秘吸引著人們的目光，從對北極一無所知到開闢北極航道，這裡一直激發著人類探索的欲望。近年來，北極再次成為人們關注的熱點問題，但這次人們議論的不是令人神往的美景與未知，而是讓人揪心的現實：北極海冰面積一再刷新最低記錄。

北極海冰持續減少，背後「黑手」究竟是誰？

北極作為地球的頂點之一，人類為探知這個地區的真相付出了極大的代價，探測手段也從原始的雪橇探險，發展為飛機測繪、潛艇、破冰船、無人設備的使用等等。自1979年以來，衛星成為持續監測北極冰變化的可靠工具。不斷進步的觀測技術帶來了更加豐富的數據，也讓全球變暖背景下北極海冰減少的事實清晰無比地呈現在世人面前：在過去的半個世紀中，北極的變暖速度約為全球變暖速度的兩倍。北極海冰急劇下降，成為了氣候變化的關鍵指標和「放大器」，氣候變暖加速了海冰融化，同時總體冰減少造成反射的太陽光減少，進一步導致氣候變暖。

2020年9月15日的北極海冰，達到了今年的最小範圍，面積平均374萬平方公裡，為衛星記錄中第二低。（圖片來源：NSIDC / NASA地球觀測站）

北極地區長期極為寒冷的氣候特點使該地區存在著終年不化的厚厚冰層，稱為多年期海冰，它們用多變的形狀和低調的色彩展示著自己獨特的美。還有一些北極海冰則具有明顯的季節和年際變化：每年8-9月，北極冰蓋就會融化到科學家所說的「最小值」，隨著冬季來臨海溫降低，北冰洋及其周圍海域覆蓋的海冰覆蓋範圍就會擴大，到次年3～4月海冰範圍達到最大。這些海冰會隨著海溫高低出現年循環過程，影響著北極周圍的生態系統以及北極航線的安全。

（圖片來自網絡）

近幾十年來，北極地區海冰覆蓋面積大幅下降，對依賴於冰川生活的動植物和土著人群產生了極大的影響。同時，冰川的消逝還可以通過改變中緯度地區氣候和天氣模式，海洋環流進而影響到更加遙遠的地區。導致北極變暖和海冰融化的各種潛在物理機制以及相對重要性仍然存在很多爭議，這是因為我們的地球系統是一個複雜的非線性相互作用的整體，各個圈層之間可以相互影響，比如時時刻刻在海洋上空奔騰不息但又「隱身」的大氣環流，就是造成冬季北極海冰面積減少幕後「黑手」其中之一。

「牽一髮動全身」的天氣系統

冬季北極地區海冰減少主要有兩個關鍵區域：一個是北美高緯度地區（巴芬灣、哈德遜海峽及拉布拉多海）；一個是巴倫支海-喀拉海附近。其中巴倫支海-喀拉海是歐亞大陸寒潮發源地之一，是影響歐亞大陸冬季冷空氣活動的關鍵海區。近年來，北半球中緯地區極端強寒潮事件頻發，不少學者認為是巴倫支海-喀拉海的海冰迅速減少引發大氣環流的調整影響到中緯度地區。

（圖片來自網絡）

北半球的西風帶裡，大氣運動並不是直直的一條線，而是呈波浪起伏式。向北凸起的波峰稱為高壓脊，向南凹陷的波谷區就是低壓槽，脊的西面（術語「槽前脊後」）一般吹西南風輸送暖溼氣流，脊的東面（術語「槽後脊前」）一般吹東北風帶來乾冷空氣。

2020年1月北半球500hPa位勢高度場（圖片來源：國家氣候中心）

有時西風帶槽脊在發展演變過程中，脊不斷北伸，它與南方暖空氣的聯繫被冷空氣切斷，於是在脊的北邊出現一個孤立的閉合暖高壓中心。它經常持續時間比較長而且很少移動，阻礙著西風帶裡上遊天氣系統向東移動，於是稱之為「阻塞高壓」。北半球阻塞高壓的形成與崩潰對我國的天氣和氣候有十分重要的作用：烏拉爾山阻塞高壓的崩潰經常在東亞造成大範圍的寒潮，鄂霍次克海阻塞高壓的維持是我國梅雨發生的重要的大尺度環流條件。

（圖片來源：中央氣象臺）

阻塞高壓是北半球中高緯重要的天氣系統之一，它的建立和崩潰常常伴隨著一次大範圍甚至半球範圍的環流形式的劇烈轉變。大氣物理研究所羅德海團隊從事了一系列針對冬季烏拉爾阻塞高壓與北極海冰相互關係的研究，他們的結果表明，在北極增溫的背景下，歐亞中高緯度地區的經向溫度梯度和西風減小，從而導致經向位渦(PV)梯度減少，在這種環流背景下，烏拉爾阻塞會表現出準定常（不移動）的特徵，同時其持續性也會變長。盤踞在烏拉爾山和新地島上空移動緩慢的阻塞高壓通過向下的長波輻射造成持久的海冰減少，最近二十年巴倫支-喀拉海海冰劇烈減少可能與準定常型烏拉爾阻塞的維持有關。同時，烏拉爾阻塞環流西側與上遊北大西洋海平面氣壓場配合，有利於將低緯度地區暖溼水汽輸送到北極，造成巴倫支海-喀拉海地區的海冰持續減少；烏拉爾阻塞環流東側則將高緯度地區的冷空氣持續向歐亞中緯度地區輸送，使得該地區極端冷事件的發生頻率顯著增加。

準定常烏拉爾阻塞對北極增溫\歐亞變冷的物理過程示意圖

一個尚未解開的謎團

科學家的研究結果表明，海冰減少和中緯度極端冬季之間存在關聯，但這並不意味著一個直接導致了另一個，而是兩者同時受到相同的大尺度大氣環流的影響。地球各圈層間的相互影響有點類似於「雞與蛋溯源」，也許北極海冰減少不是亞洲冬季寒冷的直接原因，但是大氣環流影響下海冰覆蓋面積的減少意味著開闊水域面積的增加，這讓海洋在冬季向大氣釋放更多熱量，這將進一步改變大氣環流，可能使寒冷冬季將變得更加頻繁和嚴重。隨著全球變暖問題日益嚴峻，對北冰洋整體海冰和各海區的變化，以及海洋-海冰-大氣相互關聯規律的認識更為重要。日前, IOP出版社公布的「中國高被引文章獎」獲獎名單中，就包括了大氣所研究員羅德海及其合作者關於北極海冰減少系列研究中的一篇文章 Atmospheric circulation patterns which promote winter Arctic sea ice decline，是此次環境科學領域僅有的兩篇高被引論文之一。該文章於2017年發表在 Environmental Research Letters期刊上。

三極地區（北極、南極、青藏高原）受氣候變化的影響要高於全球平均水平，北極冰層變得越來越薄，越來越多古老而厚的冰層在消失，即使在某些短暫的冷空氣作用下水域重新結冰，但是新的冰層更薄、更脆弱，當溫度稍微回升便會導致新的「大開口」。變薄的海冰降低了海冰系統的穩定性，更具有流動性，隨著移動速度加快，冰層更容易進入更加溫暖的海洋，然後融化。而這發生在千萬裡之外的事情並非與我們毫無關係，海冰範圍快速消退與亞洲極端寒潮事件如何關聯？是否會造成其他極端天氣出現？這一切都還屬於未知。

參考文獻：

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.

來源：中國科學院大氣物理研究所

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來源： 中科院之聲

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