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1 第 39 卷第 7 期海洋学报 Vol.39,No 年 7 月 HaiyangXuebao July2017 罗蕊, 祁莉, 张文君, 等. 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 [J]. 海洋学报,2017,39(7):53-69,doi: /j.issn LuoRui,QiLi,ZhangWenjun,etal.ThepossibleinfluenceofseasurfacetemperatureanomaliesoverthetropicalPacificontheArcticseaice[J].HaiyangXuebao,2017,39(7):53-69,doi: /j.issn 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 罗蕊 1, 祁莉 1*, 张文君 1, 何金海 1 (1. 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室 / 气候与环境变化国际合作联合实验室 / 气象灾害预报预警与评估 协同创新中心, 江苏南京 ) 摘要 : 本文利用 年间 Hadley 环流中心海冰和海温资料及 NCEP/NCAR 再分析资料, 研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响, 并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制 结果表明, 在 ENSO 事件发展年的夏 秋季节,EP 型与 CP 型 ElNiño 事件与北极海冰异常的联系无明显信号 而 LaNiña 事件期间北极海冰出现显著异常, 并且 EP 型与 CP 型 LaNiña 之间存在明显差异 EP 型 LaNiña 发生时, 北极地区巴伦支海 喀拉海关键区海冰异常减少,CP 型 LaNiña 事件则对应着东西伯利亚海 楚科奇海地区海冰异常增加 在 EP 型 LaNiña 发展年的夏 秋季节, 热带太平洋海温异常通过遥相关波列, 使得巴伦支海 喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似 AO 正位相的结构, 形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入, 同时造成暖平流, 偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入, 使得巴伦支海 喀拉海海冰异常减少 而在 CP 型 LaNiña 发展年的夏季, 东西伯利亚海 楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响, 以异常北风分量占主导, 将海冰从极点附近由北向南输送到关键区, 海冰异常增加, 而净表面热通量的作用较小 关键词 : 北极海冰 ;EP/CPLaNiña; 大气环流 ; 净表面热通量中图分类号 :P732.6 文献标志码 :A 文章编号 : (2017) 引言 北极海冰作为气候系统五大圈层之一冰雪圈的重要组成部分, 是一个强大的冷源, 它通过隔绝海洋和大气的直接热量输送, 改变了地表辐射平衡和热量平衡, 进而影响大气环流和全球气候的变化 IPCC 第五次评估报告 (AR5) [1] 指出, 在全球变暖的背景下 20 世纪后期北极海冰出现了年代际尺度的急剧消融, 这个现象引起了全球广泛的关注, 因为北极海冰 的消融使得北冰洋相对海冰颜色较深的开阔水域面积大大增加, 改变了海洋表层的能量收支, 这对北极 [2] 甚至全球气候起着非常重要的调制作用 裸露的洋面增加了夏季对太阳辐射的吸收, 同时减缓了秋冬季节北极海冰的结冰速度, 因此, 北极海冰的这种温度 反照率的正反馈机制将全球变暖效应放大, 称为 北极放大效应 (Arcticamplification) [3] 正是由于北极海冰对气候变化的高度敏感性, 它成为了气候变 [4] 化重要的指示器和记忆器 ENSO 作为全球气候 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ); 长江学者和创新团队发展计划资助 (PCSIRT); 江苏高校优势学科建设工程资助项目 (PAPD) 作者简介 : 罗蕊 (1991-), 女, 云南省文山壮族苗族自治州人, 主要从事海 - 冰 - 气相互作用研究 lory_17723@163.com * 通信作者 : 祁莉, 女, 教授, 主要从事季风和海 - 陆 - 气相互作用研究 qili@nuist.edu.cn

2 54 海洋学报 39 卷 通过 大气桥 来影响极地涡旋, 进而改变海冰状 [33] 况 印太暖池区域海温异常与北极海冰变化的联系, 则强调印太暖池区域海温异常对北极海冰快速减少的作用, 同样也是通过 AO 作为中间桥梁, 来解释 [34] 热带海洋对北极海冰产生影响的机制 从国内外的研究进展可知, 现有的研究工作大多侧重分析北极海冰对热带太平洋的影响, 且较为成熟 ; 但是对热带太平洋影响北极海冰的研究工作较少 此外, 近 20 年来一种新的 ENSO 事件频繁发生, [9] 它的异常海温中心位于赤道中太平洋, 本文中称之为 CP 型 ElNiño/LaNiña, 传统型 ENSO( 异常海温中心位于热带东太平洋 ) 称之为 EP 型 ElNiño/La Niña 大量的研究指出 CP 型 ENSO 与 EP 型 ENSO 对热带 中高纬地区的大气环流和气候异常的影响存 [35-39] 在显著的差异 那么, 它们对北极海冰的影响是否也不同? 其中的物理机制是什么? 本文以热带太平洋海温异常的不同模态入手, 分析不同海温模态对北极海冰的可能影响, 以及其中的可能物理机制, 为更好理解北极海冰锐减及其气候效应奠定一定的基础 2 资料与方法 系统中海气相互作用年际变化的最强信号, 它引起的赤道太平洋海温异常, 不仅在纬向上对 Walker 环流产生影响, 直接造成热带太平洋 印度洋地区的天气 气候异常, 同时还在经向上通过三圈环流和遥相关等 [5-9] 方式, 间接影响中高纬地区 那么, 北极海冰和 ENSO 作为全球气候系统中至关重要的两个外强迫源, 它们之间是否存在一定的相互联系呢? 已有的研究主要分为两个部分 一部分以北极海冰为立足点, 分析这一强大的冷性外强迫源对热带海洋的影响 从海冰和 ENSO 的周期相关来看, 北极海冰面积变化具有准两年和准四年的变化 [10] 周期, 这与 ENSO 事件的周期有较好的一致性, 当 Niño3 区海表面温度 (SST) 滞后喀拉海 拉普捷夫海和东西伯利亚海海冰面积指数 16 个月时, 两者达到 [11] 最大负相关 北极海冰的变化存在明显的区域性 [12] 和季节性, 冬春季节喀拉海 巴伦支海海冰面积均与春季白令海海冰面积呈反向变化关系, 与巴芬湾戴 [13-15] 维斯海峡海冰面积也存在相反的变化趋势 不同区域不同季节的海冰变化对热带海洋的影响存在很大的差异, 冬季挪威海区域海冰对厄尔尼诺的产生具有强迫作用, 而夏季巴芬湾区域海冰的变化则是对 [16] 厄尔尼诺响应的结果 格陵兰海 挪威海和巴伦支海冬季海冰面积偏大能够使赤道海温持续偏高, 拉普帖夫海 东西伯利亚海和鄂霍次克海夏秋季海冰面积偏大能够使翌年夏秋季赤道海温偏低, 这种持续影 [17] 响可能与极涡和东亚冷空气有关, 海冰可以通过冷空气活动和低涡西移, 引起副热带高压位置和强度的变化, 影响了热带太平洋地区的信风强弱, 从而与 [13-15,18-19] 热带太平洋海温的异常联系在一起 ; 也会通过影响中亚气压来改变赤道环流, 影响印度洋和太 [19-20] 平洋赤道海温 ; 还有研究把海冰与遥相关 ( 比如 AO NAO) 波列联系起来, 通过影响中纬度地区的风 [21-27] 暴轴事件或者西风异常来影响海温 另一部分的研究工作从 ENSO 出发, 把热带太平洋海温异常看 [28-31] 做外强迫源, 研究它对北极海冰的影响 ENSO 事件海温异常会激发大气的 PNA(PacificNorthAmericanpatern) 遥相关, 使得中纬度的西风偏强, 阿留申低压和北美高压都加强, 造成太平洋风暴轴偏南 [17] [30] 偏东, 或者与 NAO 联系在一起, 正位相的 EN- SO 事件会改变局地 Ferel 环流, 调控平均经向热通 [31] 量, 造成楚科奇和波弗特海的海冰减少 有研究表明, 中部型 ElNiño(LaNiña) 对北极海冰产生的影 [32] 响, 主要以 AO 作为联系热带和北极的纽带, 或者 本文所用到的资料主要有 Hadley 环流中心月平均的海冰密集度和海温资料 HadISST(HadleyCentre SeaIceandSeaSurfaceTemperature DataSet), 空间分辨率 , 海冰密集度单位为 %, 表示单位 [40] 网格内海冰覆盖的百分比, 需要进行说明的是, 虽然该海冰数据在 1979 年之前的可靠性受到争议, 但本文发现仅使用 1979 年后的资料进行分析, 不影响本文的定性结论 为了去除全球变暖的信号以及北极放大效应, 本文中所有与海冰相关的分析, 均进行了去趋势处理 大气环流资料来自 NCEP/NCAR (NationalCentersforEnvironmentalPrediction/NationalCenterforAtmosphericResearch) 月平均再分析 [41] 资料, 水平分辨率 包括海平面气压 位势高度 风场 相对湿度 2 m 气温 向上向下的短波和长波辐射 潜热通量和感热通量 本文主要采用回归 合成分析的方法, 并用 t 检验对合成的结果进行显著性检验 本文的研究时段为 1950 年 1 月至 2015 年 12 月 北极海冰具有明显季节变化的特点, 每年夏季, 随着太阳直射点的向北移动, 北极地区进入极昼, 接收到的太阳辐射全年最多, 海冰进入融冰期, 直到 9

3 7 期罗蕊等 : 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 55 月海冰密集度达到极小值, 秋季随着气温的降低, 北 极地区慢慢进入结冰期, 直到翌年的 3 月, 海冰密集 度又恢复到极大值, 因此每年 3-9 月, 海冰处于逐渐 减少的过程, 夏季减少得尤其快 ;9 月到翌年 3 月海 冰逐渐增加, 秋季增加最快, 所以夏 秋季节是海冰年 际变率最大的季节 [42], 同时也是年际变化尺度上 ENSO 事件的发展期 如果海冰在其年际变率最大 的季节, 同时有 ENSO 事件开始发展, 它是否会对海 冰的变化产生影响? 因此, 为了分析 ENSO 对海冰的 可能影响, 本文重点关注 ENSO 事件发展年夏季和秋 季北极海冰的变化, 北极地区地理分布如图 1 所示 图 1 北极地区地理分布示意图 Fig.1 SketchmapofArcticgeographicdistribution 关于 ENSO 事件的分类, 不同的研究选用不同 的指数得到不同的分类结果 [9,35-36] 大部分工作较 多地关注 EP 和 CP 型 ElNiño 的有效区分以及它们 [37] 不同的气候效应 王磊等和 Zhang [39] 发现 La Niña 事件也存在截然不同的 EP 型和 CP 型, 它们不 同的海气耦合特征在大西洋地区引起的 NAO 响应 几乎相反, 这可能意味着 EP 型和 CP 型 LaNiña 事件 将对北极海冰的不同影响 因此, 本文参考何珊珊 [38] [37] 等和王磊等的分类方法, 依据海温异常的空间 分布型对 ENSO 事件进行分类得到如表 1 所示的分 类结果 图 2 给出了根据表 1 中 4 类 ENSO 事件分类合 成得到的发展年夏 秋季节海温异常的空间分布 EP 型 ElNiño 发展年夏季 ( 图 2a), 海温正距平已经 出现, 主要位于赤道东太平洋 90 W 附近, 最大值超 过 1.2, 且海温异常自东向西逐渐扩展减弱 ; 到了秋 季 ( 图 2b), 海温异常大值中心强度继续加强, 范围显 著西伸, 纬向跨度增大, 但其主体仍然位于赤道东太 平洋 而 CP 型 ElNiño 在发展年的夏季 ( 图 2c) 海温 异常主体位于赤道中太平洋 160 W 附近, 且赤道东 西太平洋海温距平在零值附近, 秋季 ( 图 2d) 海温正 异常进一步加强, 达到 0.8 以上, 但大值中心位置几 乎没有变化 两类 LaNiña 的情况与 ElNiño 类似, EP 型 LaNiña 发展年夏季 ( 图 2e), 海温最大负距平 为 -0.8, 主体位于赤道东太平洋 90 W 附近, 向西 逐渐减弱, 秋季 ( 图 2f) 海温负异常加强且纬向范围明 显扩大, 大值中心向西延伸到 110 W 附近 CP 型 La Niña 发展年夏季 ( 图 2g), 海温异常强度虽然与 EP 型 一致, 但在空间分布上主体位于赤道中太平洋 150 W 偏西, 秋季时 ( 图 2h) 其强度迅速加强达到 -1.2 以 上, 位置几乎没有变化 可见, 不管是 ElNiño 还是 LaNiña,EP 型事件的海温异常主要分布在赤道东太 平洋地区, 而 CP 型事件异常海温偏西, 表明了本文 采取的 ENSO 事件的分类方式是合理有效的 并且, EP 型和 CP 型海温异常中心的纬向差异在发展年的 夏季和秋季均十分明显, 这将对局地以及热带外的大 气环流造成不同的影响 表 年间 4 类不同 ENSO 事件的分类 Tab.1 ListoffourtypesofENSOeventsduring1950to2015 EP 型 CP 型 ElNiño LaNiña 1951/52,1957/58,1965/66,1972/73,1976/77,1979/80, 1977/78,1986/87,1990/91,1991/92,1994/95,2002/03, 1982/83,1997/98,2015/ /05,2009/ /55,1955/56,1964/65,1971/72,1984/85,1995/96, 1973/74,1974/75,1975/76,1983/84,1988/89,1998/99, 2005/06,2010/ /01

4 56 海洋学报 39 卷 图 2 4 类 ENSO 事件发展年夏季 (a,c,e,g) 和秋季 (b,d,f,h) 赤道太平洋地区海表面温度异常 (SSTA, 单位 : ) 的空间分布 Fig.2 SpatialdistributionofsummerandautumnmeanSSTanomalies(SSTA,unit: )overthetropicalpacificduring thedevelopmentphaseoffourtypesofensoevents a b 为 EP 型 ElNiño,c d 为 CP 型 ElNiño,e f 为 EP 型 LaNiña,g h 为 CP 型 LaNiña; 打点区域表示通过 90% 显著性检验 ; 两类 LaNiña 合成图中红色框为图 7 和图 8 中海温回归位势高度场时的关键区范围 EPElNiño(a,b),CPElNiño(c,d),EPLaNiña(e,f),CPLaNiña(g,h);dotingindicatesanomaliesexceeding90% confidencelevel; redboxesintwotypesoflaniñaeventsindicatethekeyregionsofsstaregressingtogeopotentialheightinfig.7andfig.8

5 7 期罗蕊等 : 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 类 ENSO 事件与北极海冰的联系 4 类 ENSO 事件与北极海冰是否存在联系? 它们截然不同的海温异常分布型能否引起差异显著的北极海冰响应? 图 3 给出了北极区域 (60 ~90 N,0 ~360 ) 平均的海冰标准化指数与同期 4 类 ENSO 事件强度的散点图, 以美国气候预测中心 (ClimatePredictionCenter,CPC)Niño3 和 Niño4 指数分别表征 EP 和 CP 型事件强度 在 ENSO 事件发展年的夏季 ( 图 3a), 个别 LaNiña 事件发展较晚, 海温异常中心有所偏移, 因此关键区的 SSTA 偏弱, 甚至符号相反 ( 例如 2005/ 2006 和 1983/1984 年 ),ElNiño 事件时海冰以正距平居多, 占总数的比例为 10/17, 但 EP 型 ElNiño( 红 色 ) 和 CP 型 ElNiño( 橙色 ) 对应的海冰变化没有表现出明显的区别, 它们中各有 2 次和 3 次事件中海冰异常偏少 LaNiña 事件中,EP 型 LaNiña( 蓝色 ) 发展年夏季,8 次事件有 7 次北极海冰均为负距平, 而 CP 型 LaNiña 时海冰有正有负 然而, 到发展年秋季 ( 图 3b),6/7 的 CP 型 LaNiña 对应北极海冰正距平, 而 8 次 EP 型 LaNiña 事件中有 5 次海冰明显偏少,3 次虽然数值较小, 但均为负距平, 可以认为两类 La Niña 对应北极海冰的变化出现了显著相反的异常特征, 即 EP 型 LaNiña 时北极海冰偏少而 CP 型 La Niña 时海冰异常偏多 ; 但北极海冰对 ElNiño 事件的响应并不稳定, 无论是 EP 型还是 CP 型 ElNiño 海冰异常均有正有负 图 3 4 类 ENSO 事件发展年夏季 (a) 和秋季 (b) 北极海冰区域 (60 ~90 N,0 ~360 ) 平均标准化指数与同期 CPCNiño 指数散点图分布 Niño3 指数代表 EP 型事件,Niño4 指数代表 CP 型事件 Fig.3 ScaterofstandardizationindexofregionalaverageofArcticseaice(60-90 N,0-360 )and CPCNiñoindexinsummer(a)andautumn(b)duringthedevelopmentphaseoffourtypesofENSOevents.Niño3andNiño4indexindicateEPandCPeventsrespectively 图 4 和图 5 分别给出了 EP/CP 型 ElNiño 和 La Niña 在其发展年夏 秋季北极海冰异常的分布特征 ElNiño 发生时 ( 图 4), 无论是 EP 型还是 CP 型, 通过 90% 显著性检验的区域不多, 并且在这些为数不多的区域里, 海冰几乎都为正异常 可见,EP 型 ElNiño 与 CP 型 ElNiño 之间, 北极海冰的异常特征差异不大 这也是散点图 ( 图 3) 中 EP 型和 CP 型 ElNiño 无法区分的原因 有趣的是, 两类 LaNiña 事件的合成结果 ( 图 5) 与 ElNiño 的结果 ( 图 4) 差异十分明显 EP 型 LaNiña 夏季, 巴伦支海 喀拉海附近海冰明显 减少约 12%, 并通过了 90% 的显著性检验 ( 图 5a), 到了秋季海冰异常减少的区域增大, 向东扩展且强度增强, 减少约 15%( 图 5b) 然而, 在 CP 型 LaNiña 年北极海冰却异常增加, 夏季东西伯利亚和楚科奇海附近海冰异常增加约 12%( 图 5c); 秋季 ( 图 5d) 增加的范围主要集中在东西伯利亚海区域并扩大向北伸展 因此, 在 ENSO 发展年的夏季和秋季, 对于 ElNiño 事件, 无论是 EP 型还是 CP 型, 北极海冰的响应几乎没有异常信号 ; 而对于 LaNiña 事件而言,EP 型 La Niña 时巴伦支海 喀拉海地区的海冰异常减少,CP 型

6 58 海洋学报 39 卷 图 4 EP/CP 型 ElNiño 发展年夏季 (a,c) 和秋季 (b,d) 北极海冰密集度异常 (%) 合成结果 Fig.4 CompositesofArcticseaiceconcentrationanomalies(%)insummer(a,c)andautumn (b,d)ofep/cpelniñoduringtheirdevelopmentphase a b 为 EP 型 ElNiño,c d 为 CP 型 ElNiño; 图中填色区域通过了 90% 显著性检验 EPElNiño(a,b),CPElNiño(c,d);shadingindicatesanomaliesexceeding90% confidencelevel LaNiña 则对应东西伯利亚海和楚科奇海地区海冰的异常增加, 与图 3 散点图的结果基本一致 两类 La Niña 时出现海冰异常的关键区域, 即东西伯利亚海和楚科奇海 巴伦支海和喀拉海, 它们地理位置十分特殊, 分别是北太平洋和北大西洋与北极地区相联系 [42] 的海域, 受风场 海水及其热通量的影响较大, 这可能是它们在 LaNiña 年出现海冰异常的原因 但是由于北极地区海冰的变化不仅存在明显的区域性, 各区域之间的变化也不尽相同, 因此对整个北极地区海冰进行区域平均的散点图结果在两类 LaNiña 中差异存在但并不十分显著 ( 图 3) 考虑到 EP 型和 CP 型 ElNiño 时北极海冰并未明显的异常特征, 本文重点关注两类 LaNiña 事件中北极海冰截然不同的 异常特征, 及其中可能的物理机制 4 两类 LaNiña 事件与北极海冰联系的可能物理机制 北极海冰的变化与局地大气环流和净表面热通 量异常关系密切, 下面将主要从这两个角度对两类 LaNiña 事件对应的北极海冰变化进行对比分析 4.1 EP 型 LaNiña 事件与北极海冰联系的可能物理 机制 图 6a 和 6b 为 EP 型 LaNiña 发展年夏 秋季节 海平面气压异常的合成结果 可以看到, 在发展年夏 季 ( 图 6a), 海冰异常减少的巴伦支海 喀拉海关键区 海平面气压异常偏低, 其西南侧北大西洋海平面气压

7 7 期罗蕊等 : 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 59 图 5 EP/CP 型 LaNiña 发展年夏季 (a,c) 和秋季 (b,d) 北极海冰密集度异常 (%) 合成结果 Fig.5 CompositesofArcticseaiceconcentrationanomalies(%)insummer(a,c)andautumn(b,d) ofep/cplaniñaduringtheirdevelopmentphase a b 为 EP 型 ElNiño,c d 为 CP 型 ElNiño; 图中填色区域通过了 90% 显著性检验 EPElNiño(a,b),CPElNiño(c,d);shadingindicatesanomaliesexceeding90% confidencelevel 为显著正异常, 二者均通过 90% 的显著性检验, 它们形成了纬向西高东低的异常海平面气压梯度 受此分布型影响, 关键区 ( 图 6c) 以气旋式环流为主, 与此同时关键区东南侧 2m 气温出现正距平, 与风场配合形成暖平流 此外, 该气旋性环流西南侧的异常西风促进北大西洋暖流对关键区暖水的输送, 二者共同作用造成海冰减少 秋季 ( 图 6b), 虽然北极地区通过检验的区域较少, 但关键区异常低压对应的气旋式环流得以维持, 它与异常偏高的 2m 气温异常配合, 使得巴伦支海 喀拉海地区仍然以暖平流为主 ( 图 6d), 促进海冰进一步减少 图 6 的分析表明关键区附近的气旋式环流异常对海冰的减少有重要作用, 这种环流异常在对流层中 层也表现明显 ( 图 7a,7b) 图 7c 和 7d( 图 2e 2f 红框范围 ) 给出了夏秋季节海温异常对 500hPa 位势高度的回归 ( 为方便分析, 回归结果均已进行反号处理 ), 对比合成和回归结果可以发现, 无论是夏季还是秋季, 在副热带中东太平洋至北美东部地区均呈现出了 PNA 位势高度距平波列, 海冰关键区位势高度以负异常为主, 秋季, 该负异常与中纬度出现的位势高度正异常共同形成了类似 AO 正位相气压北负南正的结构, 使海冰关键区及其周边地区出现气旋式环流, 气温增加, 有利于海冰的减少 需要进行说明的是, 当用逐月的海温异常对海冰密集度进行超前滞后相关分析时, 发现 6-11 月北极海冰关键区的异常变化滞后海温异常约 1-2 个月 ( 图略 ), 这种滞后性同样

8 60 海洋学报 39 卷 图 6 EP 型 LaNiña 事件发展年夏季 (a,c) 和秋季 (b,d) 海平面气压异常 (a,b, 单位 :hpa) 以及 2m 气温 ( 单位 : ) 和风场异常 (c,d, 单位 :m/s) 的合成结果 Fig.6 Compositesofsealevelpressure(SLP)anomalies(a,b,unit:hPa),2mairtemperature(unit: )and windanomalies(c,d,unit:m/s)insummer(a,c)andautumn(b,d)duringeplaniñadevelopmentphase 红色扇形框表示海冰异常偏少的关键区范围, 网格区域 (a,b) 和粗实线内区域 (c,d) 表示通过 90% 显著性检验 Redfansindicatekeyareasthatseaiceislessthannormal,griddings(a,b)andareaswithinthethickline(c,d)indicateanomalies exceeding90% confidencelevel 体现在大气环流的变化上, 但由于本文研究的是夏秋季节平均海冰的异常变化, 因此 1-2 月的滞后性不明显 以上分析表明, 热带太平洋海温异常可以通过遥相关波列影响北极高纬度地区的大气环流异常, 在巴伦支海 喀拉海形成气旋式环流, 促进该地区海冰的异常偏少, 进一步研究还发现, 该地区的局地净表面热通量也出现了异常变化 局地净表面热通量由以下公式给出 : Qnet= Qdsw -Qusw +Qdlw -Qulw -Qlh -Qsh,(1) 式中, 方程右边各项分别为向下 ( 上 ) 短波辐射 Qdsw (Qusw), 向下 ( 上 ) 长波辐射 Qdlw(Qulw), 潜热通量 Qlh 和感热通量 Qsh 根据该公式计算得到 EP 型 La Niña 发展年夏季和秋季净表面热通量的异常分布, 如图 8 所示 可见, 在 EP 型 LaNiña 发展年夏季 ( 图 8a) 巴伦支海 喀拉海关键区为显著的热通量净收入, 且通过 90% 显著性检验, 异常增加的热通量造成了海冰减少 然而秋季 ( 图 8b) 净表面热通量反向变为负距平, 为解释这一现象, 给出海冰关键区在 EP 型 LaNiña 发展年期间公式 (1) 中右边每一项的贡献 ( 图 9) 夏季关键区净热通量 (Qnet) 异常偏高 ( 图 9a), 海冰异常偏少, 产生正贡献的项为向上短波辐射 (Qusw) 向下长波辐射 (Qdlw) 潜热通量 (Qlh) 和感热通量 (Qsh) 向上短波辐射(Qusw) 取决于下表面反照

9 7 期罗蕊等 : 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 61 图 7 EPLaNiña 事件发展年夏季 (a,c) 和秋季 (b,d)500hpa 位势高度异常合成 (a,b) 和回归 (c,d) 结果对比 Fig.7 Contrastof500hPageopotentialheightcomposite(a,b)andregression(c,d)insummer(a,c)and autumn(b,d)duringeplaniñadevelopmentphase 回归序列为图 2e f 红色框内海温异常的区域平均 ; 红色扇形框表示海冰异常偏少的关键区范围 ; 网格区域表示通过 90% 显著性检验 RegressionsequenceistheSSTAregionalaverageofredboxesinFig.2eand2f;redfansindicatekeyareasthatseaiceis lessthannormal,griddingsindicateanomaliesexceeding90% confidencelevel 率, 但海冰 - 反照率强烈的正反馈机制, 使得该项主要表现为海冰变化的结果, 因此在进行海冰变化原因分析时暂不考虑 ; 向下长波辐射 (Qdlw) 潜热通量 (Qlh) 和感热通量 (Qsh) 主要与空气中水汽含量 风场和温度有关, 水汽含量越高 ( 低 ) 风场与温度场形成暖 ( 冷 ) 平流, 对净热通量贡献越大 ( 小 ), 关键区海冰则异常减少 ( 增加 ), 这与上文分析的 2 m 温度场与 10m 风场的合成结果一致 ( 图 6c,6d) 此外, 夏季关键区比湿也表现为显著的正异常 ( 图 10), 这与热通量的分析是吻合的 秋季 ( 图 9b), 关键区净热通量 (Qnet) 为异常负距平, 主要贡献项为向上长波辐射 (Qulw), 该项取决于地表温度, 反映结冰量的多少, 结 冰量越大 ( 小 ), 释放热量使得下表面温度越高 ( 低 ), 向上长波辐射越强 ( 弱 ), 则净热通量增加 ( 减少 ), 这说明秋季净热通量异常主要是海冰异常作用的结果, 而非原因 Walsh 和 Johnson [46] 认为在海冰结冰的季节 (8 月至翌 1 月 ), 海冰对大气环流的影响稍大于大气对海冰的影响, 而其他季节主要是大气影响海冰, 以上的分析验证了这一说法, 同时也证明了虽然秋季净热通量不能作为影响海冰变化的原因进行分析, 但对夏季净热通量的分析仍然是必要的 综上所述,EP 型 LaNiña 发展年夏 秋季节, 热带太平洋的海温异常通过遥相关波列使得巴伦支海 喀拉海地区以气旋式环流为主, 秋季与中纬度出现的

10 62 海洋学报 39 卷 图 8 EP 型 LaNiña 事件发展年夏季 (a) 和秋季 (b) 净表面热通量 (Qnet) 的合成结果 Fig.8 Compositesofnetsurfaceheatfluxinsummer(a)andautumn(b)duringEPLaNiña developmentphase 红色扇形框表示海冰异常偏少的关键区范围, 网格区域表示通过 90% 显著性检验 Redfansindicatekeyareasthatseaiceislessthannormal,griddingsindicateanomaliesexceeding90% confidencelevel 图 9 EP 型 LaNiña 发展年夏季 (a) 和秋季 (b) 海冰关键区 (70 ~90 N,30 ~90 E) 区域平均净表面热通量各项贡献 Fig.9 Contributionsofeachitemsofnetsurfaceheatfluxaveragedintheseaicekeyarea(70-90 N, E)insummer(a)andautumn(b)duringEPLaNiñadevelopmentphase 位势高度正异常共同形成类似 AO 正位相气压北负南正的结构, 改变了风场, 促进了暖平流的形成, 同时有利于北大西洋暖水的输送, 该区域异常偏高的水汽含量也有利于净表面热通量的增加, 两者共同作用造成了巴伦支海 喀拉海海冰的异常减少 4.2 CPLaNiña 事件与北极海冰联系的可能物理机制根据合成的结果已知, 在 CP 型 LaNiña 发展年, 东西伯利亚海和楚科奇海地区海冰异常增加 由于两类 LaNiña 事件在海温异常空间分布上的差异, 使得它们对中高纬度大气环流和气候异常有着显著不同的影响, 对比上一节 EP 型 LaNiña 事件与北极海冰联系的可能物理机制, 本节主要对 CP 型 LaNiña 的情况进行分析 CP 型 LaNiña 夏季 ( 图 11a), 在海冰增加的东西

11 7 期罗蕊等 : 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 63 图 10 EP 型 LaNiña 事件发展年夏季 (a) 和秋季 (b)850hpa 比湿的合成结果 Fig.10 Compositesof850hPaspecifichumidityinsummer(a)andautumn(b)duringEPLaNiñadevelopmentphase 红色扇形框表示海冰异常偏少的关键区范围, 网格区域表示通过 90% 显著性检验 Redfansindicatekeyareasthatseaiceislessthannormal,griddingsindicateanomaliesexceeding90% confidencelevel 图 11 CP 型 LaNiña 事件发展年夏季 (a,c) 和秋季 (b,d) 海平面气压异常 (a,b, 单位 :hpa) 以及 2m 气温 ( 单位 : ) 和风场异常 (c,d, 单位 :m/s) 的合成结果 Fig.11 Compositesofsealevelpressureanomalies(a,b,unit:hPa),2mairtemperature(unit: )andwind anomalies(c,d,unit:m/s)insummer(a,c)andautumn(b,d)duringcplaniñadevelopmentphase 红色扇形框表示海冰异常偏多的关键区范围, 网格区域 (a,b) 和粗实线内区域 (c,d) 表示通过 90% 显著性检验 Redfansindicatekeyareasthatseaiceismorethannormal,griddings(a,b)andareawithinthethickline(c,d)indicateanomaliesexceeding 90% confidencelevel

12 64 海洋学报 39 卷 图 12 CPLaNiña 事件发展年夏季 (a,c) 和秋季 (b,d)500hpa 位势高度异常合成 (a,b) 和回归 (c,d) 结果对比 Fig.12 Contrastof500hPageopotentialheightcomposite(a,b)andregression(c,d)insummer(a,c)andautumn(b,d) duringcplaniñadevelopmentphase 回归序列为图 2g h 红色框内海温异常的区域平均 ; 红色扇形框表示海冰异常偏多的关键区范围, 网格区域表示通过 90% 显著性检验 RegressionsequenceistheSSTAregionalaverageofredboxesinFig.2g,h;redfansindicatekeyareasthatseaiceismorethannormal, griddingsindicateanomaliesexceeding90% confidencelevel 伯利亚海 楚科奇海地区东侧, 海平面气压为弱的负距平且通过了 90% 的显著性检验, 该分布形式在局地形成了气旋式环流, 使得其西侧的关键区北风分量占主导 ( 图 11c), 秋季 ( 图 11b) 极区通过检验的区域不多, 但关键区气压的偏低, 与极点附近出现的正异常形成北高南低的气压异常梯度, 使得关键区偏北部仍以北风异常为主 ( 图 11d) EP 型和 CP 型 LaNiña 海冰异常区域均处于北极地区与大洋相联系的位置, 但 CP 型 LaNiña 海冰异常区域所在位置入口较窄, 受北太平洋海水影响的程度较弱, 远小于北大西洋暖流对 EP 型 LaNiña 中海冰异常区的影响 前人研究指出该地海冰的变化主要依靠冷暖平流及风场对海 [44] 冰的输送, 由图 11c 和 11d 可见, 在夏 秋季节关键 区冷平流很弱, 所以海冰的变化主要依靠风场来影响海冰的辐合和辐散, 进而改变局地的海冰密集度, 从图 11c 11d 可以看到一直维持的北风异常促进了海冰自极点由北向南输送到关键区, 有利于东西伯利亚海 楚科奇海海冰的异常增加 在 500hPa 位势高度上 ( 图 12a,12b), 关键区气压异常与低层相似并有所加强, 形成的正压结构对北风异常的维持具有重要作用, 北半球中高纬出现沿纬圈的位势高度异常波列, 与同期海温回归的结果十分相似 ( 图 12c,12d), 关键区都表现为夏季西高东低而秋季全区一致偏低的分布形式, 这表明该区域的夏秋季节海冰异常与热带太平洋海温异常是紧密联系的, 热带太平洋的海温异常通过遥相关波列使得关键区

13 7 期罗蕊等 : 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 65 图 13 CP 型 LaNiña 事件发展年夏季 (a) 和秋季 (b) 净表面热通量 (Qnet) 的合成结果 Fig.13 Compositesofnetsurfaceheatfluxinsummer(a)andautumn(b)duringCPLaNiñadevelopmentphase 红色扇形框表示海冰异常偏多的关键区范围, 网格区域表示通过 90% 显著性检验 Redfansindicatekeyareasthatseaiceismorethannormal,griddingsindicateanomaliesexceeding90% confidencelevel 图 14 CP 型 LaNiña 发展年夏季 (a) 和秋季 (b) 海冰关键区 (70 ~90 N,150 E~160 W) 区域平均净表面热通量各项贡献 Fig.14 Contributionsofeachitemsofnetsurfaceheatfluxaveragedintheseaicekeyarea(70-90 N,150 E-160 W) insummer(a)andautumn(b)duringcplaniñadevelopmentphase 出现气压异常, 北风的维持与净热通量的显著减少 ( 图 13a), 共同促进了关键区海冰的增加 秋季 ( 图 13b), 极区通过检验的区域较少, 部分区域还出现了 净通量的正距平, 为分析其原因, 同样计算了公式 (1) 右边各项对该地区净表面热通量的贡献, 结果如图 14 夏季 ( 图 14a) 关键区净表面热通量为显著的负异常, 主要贡献项分别为向上短波辐射 (Qusw) 和感热通 量 (Qsh), 上文分析已经指出暂不考虑向上短波辐射 项, 但感热通量数值较小, 因此净表面热通量的作用 较弱, 同时冷暖平流合成结果中 ( 图 11c,11d) 通过检 验的区域也较少, 可见该区域海冰的异常增加可能主要来源于风的驱动作用, 从图 11c 11d 可以看到, 关键区北风异常将极点附近的海冰由北向南输送, 因此引起海冰密集度的异常增加 秋季 ( 图 14b) 情况与 EP 型 LaNiña 相似, 净热通量变化是海冰作用的结果而非原因, 故不再进行分析 5 结论 本文利用 Hadley 环流中心月平均海冰密集度 海温资料及 NCEP/NCAR 再分析资料, 分析了 4 类

14 6 海洋学报 39 卷 不同 ENSO 事件与北极海冰变化之间的可能关系, 得到结论如下 : (1) 通过合成分析发现, 在 ENSO 事件发展年的夏 秋季节,EP 与 CP 型 ElNiño 事件与北极海冰异常没有明显联系 而 LaNiña 事件期间北极海冰出现显著的异常, 并且 EP 型与 CP 型 LaNiña 之间存在明显差异, 在 EP 型 LaNiña 事件中北极地区的巴伦支海 喀拉海关键区海冰异常减少, 而 CP 型 LaNiña 事件对应东西伯利亚海 楚科奇海关键区海冰异常增加 (2) 在 EP 型 LaNiña 发展年的夏 秋季节, 热带太平洋海温异常通过遥相关波列, 使得巴伦支海 喀拉海海平面气压维持负异常, 秋季, 它与中纬度的气压的正异常构成了类 AO 正位相的气压结构, 改变了风场的分布, 使关键区以气旋式环流结构为主, 有利于北大西洋暖水的输入, 并形成暖平流, 偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入, 以上过程共同 作用, 使得巴伦支海 喀拉海海冰异常减少 (3) 在 CP 型 LaNiña 发展年的夏季, 关键区受其东侧气旋式环流的影响, 北风分量占主导, 秋季北高南低气压梯度的出现, 使得北风分量得以维持, 而净表面热通量的作用较小, 因此关键区主要依靠北风的驱动作用, 将海冰从极区向关键区输送, 使得东西伯利亚海 楚科奇海海冰异常增加 本文主要分析了 ENSO 冷位相 LaNiña 事件对北极海冰的可能影响, 着重讨论了 EP 型与 CP 型海温分布的空间差异对海冰影响的差异, 并从局地大气环流和净表面热通量异常变化两个方面, 讨论了两类 LaNiña 事件与北极海冰联系可能的物理机制 但是, 由于夏 秋季节 LaNiña 事件并未发展到盛期, 且两个海冰关键区地理位置特殊, 因此今后还需要借助模式进行更加深入的讨论和研究, 为加深我们对热带太平洋海温异常与北极海冰联系的认识, 提供更多的科学依据 参考文献 : [1] OfipccW GI.ClimateChange2013:ThePhysicalScienceBasis.[J].ContributionofWorking,2013,43(22): [2] BaderJ,MesquitaM DS,HodgesKI,etal.AreviewonNorthernHemispheresea-ice,storminessandtheNorthAtlanticOscilation:Observationsandprojectedchanges[J].AtmosphericResearch,2011,101(4): [3] ScreenJA,IanS.ThecentralroleofdiminishingseaiceinrecentArctictemperatureamplification[J].Nature,2010,464(7293): [4] 俞永强. 海 - 气相互作用对我国气候变化的影响 [M]. 北京 : 气象出版社,2005. YuYongqiang.TheEfectofAir-seaInteractionontheClimateChangeinChina[M].Beijing:ChinaMeteorologicalPress,2005. [5] WalaceJM,GutzlerDS.TeleconnectionsinthegeopotentialheightfieldduringtheNorthernHemispherewinter[J].MonthlyWeatherReview, 1981,109(4): [6] KingJC.Curentsofchange:ElNiño simpactonclimateandsociety[j].weather,1997,52(5): [7] Trenberth KE,BranstatorG W,KarolyD,etal.ProgressduringTOGAinunderstandingandmodelingglobalteleconnectionsassociatedwith tropicalseasurfacetemperatures[j].journalofgeophysicalresearchoceans,1998,103(c7): [8] RopelewskiCF,HalpertM S.GlobalandregionalscaleprecipitationpaternsassociatedwiththeElNiño/Southern Oscilation[J].Monthly WeatherReview,1987,115(8): [9] AshokK,BeheraSK,RaoSA,etal.ElNiñoModokianditspossibleteleconnection[J].JournalofGeophysicalResearchOceans,2007,112 (C11):C [10] GloersenP.Modulationofhemisphericsea-icecoverbyENSOevents[J].NatureInternationalWeeklyJournalofScience,1995,373(6514): [11] 朱艳峰, 陈隆勋. 北极海冰与 ENSO 事件在准四年时间尺度上的可能联系 [J]. 大气科学,2003,27(5): ZhuYanfeng,ChenLongxun.PotentialrelationshipbetweenArcticsea-iceandENSOeventsontimescalesofquasi-quadrennialȳear[J].Chinese JournalofAtmosphereSciences,2003,27(5): [12] 汪代维, 杨修群. 北极海冰变化的时间和空间型 [J]. 气象学报,2002,60(2): WangDaiwei,YangXiuqun.TemporalandspatialpaternsofArcticseaicevariations[J].ActaMeteorologicaSinica,2002,60(2): [13] 武炳义, 黄荣辉, 高登义. 冬季喀拉海 巴伦支海海冰面积变化对后期北太平洋海温的影响 [J]. 气候与环境研究,1999(2): WuBingyi,HuangRonghui,GaoDengyi.Theefectofvariationofsea-iceextentintheKaraandBarentsSeasinwinteronSSTintheNorthern Pacificinthelaterperiod[J].ClimateandEnvironmentalResearch,1999(2): [14] 武炳义, 高登义, 黄荣辉. 冬春季节北极海冰的年际和年代际变化 [J]. 气候与环境研究,2000(3): WuBingyi,GaoDengyi,HuangRonghui.InterannualandinterdecadalvariationsinArcticsea-iceinspringandwinter[J].ClimateandEnvironmentalResearch,2000(3): [15] 武炳义, 高登义. 冬季格陵兰 喀拉海和巴伦支海海冰年际变化与 ENSO 事件 [J]. 科学通报,1997(18): WuBingyi,GaoDengyi.TherelationshipbetweeninterannualchangesofwinterseaiceinGreenland,KaraSea,BarentsSeaandENSO[J].Chi-

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17 7 期罗蕊等 : 热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响 69 AO-likepaterntogetherwithpositiveSLPinmiddlelatitude.Itchangesthewindwhichbringswarmadvection andsoutherlyanomalieshelpstotransfermorewarm waterfrom NorthAtlantic,highwatervaporcontentatthe sametimeenhancetheincomeofnetsurfaceheatfluxandresultinthedecreaseofseaiceinbarents/karasea.in thesituationofcplaniña,eastsiberia/chukchiseaaredominatedbynorthwindinsummerbecauseofacȳ cloniccirculationintheeasternside,seaicearetransportedherefrom NorthPoleandthusseaiceconcentrationincreased,efectofnetsurfaceheatfluxissmal. Keywords:Arcticseaice;EP/CPLaNiña;atmosphericcirculation;netsurfaceheatflux