2024, Vol. 54
2. 崂山实验室，山东 青岛 266237;
3. 中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266003
进入21世纪以来全球变暖加剧，极端高温屡创新高，北极也正经历着快速增暖变化。近几十年来由于北极近地面气温增温速率是全球平均的2倍以上，这个现象被称为“北极放大”[1-2]。北极作为地球气候系统的冷极，其异常增暖的放大效应不仅加剧了北极海冰的快速融化，影响北极地区的气候与生态环境，加速北极气候临界点(Tipping point)的提前到来，这会对全球造成不可逆转的气候安全危机。北极放大还会通过改变极地和热带之间的南北温差，通过热成风原理影响中纬度西风急流，进而改变北半球的大气环流异常，对中低纬度天气气候产生深远的影响。例如“暖北极/冷大陆”(Warm Arctic Cold Continent, 简称WACC)极端天气型[3-4]就体现了北极放大对中纬度极寒天气事件增加的可能影响。因此研究北极放大效应及其机理，不仅是当前气候变化的国际前沿热点问题，也为中纬度极端天气气候预测提供重要的理论支撑。
以往的研究表明，北极放大主要与冰雪反照率反馈、温度反馈、云和水汽反馈等基于辐射平衡的局地热力正反馈机制有关。在当前北极海冰范围快速减退、海冰厚度减薄、海冰流动性增强的“新北极”气候态下[5-6]，北极放大增温可达4倍或以上[7-9]，但在包含了上述多种正反馈机制共同作用的最新CMIP6耦合模式的模拟中，依然普遍低估了北极放大率和海冰融化速率[10]，特别是21世纪初进入“新北极”气候态以后，北极放大率从之前的高估转为明显低估[9-11]，因此，在全球变暖背景下北极放大的机理问题仍然是个悬而未决的科学难题，特别是进入“新北极”气候态以来，北极海冰加速融化，北极放大呈加速增暖放大现象，引起海冰加速融化和北极加速增暖的关键物理过程和正反馈机制究竟是什么？本文将系统梳理以往关于北极放大的几种主要反馈过程和机理，并在此基础上提出未来全球变暖背景下北极-中纬度之间动力-热力耦合反馈过程对北极放大的可能贡献。
1 影响北极放大的局地正反馈过程近几十年来北极正在经历一系列快速变化，其中最显著的信号是北极海冰的加速融化和北极的快速增暖。北极增温速率加快需要有正反馈过程的不断循环加速才可能造成北极放大现象，通常认为造成北极放大的主要正反馈机制是冰雪反照率反馈机制，北极放大与北极海冰的加速融化密不可分。在过去的四十多年里，夏季北极海冰覆盖面积和厚度都减少了一半[12]，这在过去的1 450 a历史中是前所未有的[13]，若任由温室气体排放不加以控制的话，夏季北冰洋将会出现永久无冰的情况[12, 14]，也就是北极气候将达到气候临界点，对未来全球气候变化产生不可估量的影响，这也是北极放大效应研究成为当前国际前沿热点问题的一个重要原因。但也有研究表明，在没有海冰/积雪的模式中依然存在北极放大现象[15-17]，因此，还存在除冰雪反照率之外的其他北极放大正反馈机理，如目前较为公认的温度反馈，水汽和云反馈等过程，北极放大应该是多种反馈过程的综合作用结果(见图 1)。
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图 1 北极放大几种局地热力正反馈过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of several local thermal positive feedback processes in Arctic amplification |
目前被大家广泛接受的北极放大正反馈机制是地表(冰雪)反照率反馈(Surface albedo feedback)[2-3, 17, 19, 21-24]，它体现了海-冰-气之间的热力正反馈过程，主要发生在极昼时期的春夏季。当全球变暖使得海冰融化，海冰密集度就会降低，相应的开阔水域会增加，这会大大降低海冰反照率，增加海水对太阳短波辐射的热量吸收，进而加快海冰的融化，海冰的融化使得海冰密集度进一步降低，从而构成了一个正反馈的循环过程，如此循环往复，就会加快海冰的融化。这种正反馈过程能较好地解释为什么过去几十年里北极地区的增暖比全球其他地方更快[12, 18]，但无法解释北极放大在北半球的秋冬季最强、夏季不显著的特征[25]，且还需要考虑跨越冬季的跨季节持续反馈过程。当春、夏季北极海冰开始融化时，原本会被海冰反射回去的太阳辐射和低空大气湍流热通量被上层海洋所吸收；到了秋季极夜开始，由于大气受到的辐射加热减少导致气温下降，海面上空气温低于海温，海洋会向大气放热并使得北极对流层低层大气增暖，同时结冰过程放热使上层海洋热量增加；这些热量会使得冬季海冰生成减缓或变薄，从而在来年春季和夏季使得表面反照率降低，进一步加热大气，使得夏秋季海冰进一步减少，形成了跨季节的冰雪反照率正反馈机制[3]。冬季北极增暖造成的海冰厚度减薄与其后夏秋季海冰面积的减少存在非线性的变化关系[26]，当海冰厚度低于一定阈值后，夏秋季海冰面积将非线性加速减少，导致北极气候临界点的提前出现[27]。这种非线性过程可能是导致当前IPCC多模式模拟的北极海冰减少普遍被低估的主要原因[28-29]。有数值模拟结果表明，在没有海冰/积雪的模式中依然存在北极放大现象[15-17]，表明反照率反馈并不是北极放大的唯一机制。
1.2 水汽和云反馈对于北极而言，由于全球变暖使大气中产生更多的水汽形成水汽反馈(Water vapour feedback)[16]，它对大气层顶辐射平衡的影响在夏季要比冬季强，但从地表辐射平衡的角度来看，水汽反馈在冬季的贡献可能更大[18]，这是由于冬季海冰消融贡献了大气中81.1%的水汽，而在夏季这个比例是65.1%，水汽的增多使得大气增湿更为显著[30]。由于水汽增加改变了云对地球辐射平衡效应的变化而形成云反馈[20]，其作用是在夏季阻挡了太阳短波辐射到达地面，成为负反馈作用，而在冬季则使得向下的净长波辐射增强而使地面增温，表现为正反馈作用。Zhao等[31]提出了一种新的气溶胶-云反馈机制，指出冬季北极的气溶胶加强了云的正反馈过程，但在夏季则加强了云的负反馈作用。近期的一些工作也发现，全球变暖背景下北极云的空间变化加剧了云反馈的复杂性[32-33]。由此可见，由于水汽和云的变化比较复杂且不稳定，有时甚至会出现负反馈作用，因此只用水汽和云反馈也无法解释近年来持续加强的北极放大增暖现象。
1.3 温度反馈温度反馈(Temperature feedback)[18]近年来被认为是北极放大的重要正反馈机制。它主要通过考虑全球变暖对大气层顶向外长波辐射有直接影响的地面补偿增温过程，包括普朗克反馈(Plank feedback)和气温直减率反馈(Lapse-rate feedback，简称LRF)两种机制。普朗克反馈主要考虑大气从地面到大气层顶均匀增温的理想状态下，由于热带温度高而极地温度低，因而在增加同样的辐射强迫下，极地的增温要比热带的增温大，这是大气自身拥有的一种极地放大机制；气温直减率反馈则主要考虑对流层中相对于垂直均匀增温的大气垂直不均匀增温的偏差部分，即气温直减率在热带和极地由于加热结构的不同而引起的北极地面补偿性增温。温度反馈机制不仅能解释为什么北极不需要冰雪反照率反馈也能发生北极放大现象，而且还能很好地解释北极放大的季节性差异和垂直结构的分布特征。但该机制主要从大气层顶辐射平衡的角度来推测地面补偿增温的作用，是在简单理想大气的假设下，估算得到的北极放大因子大约为1.3~1.4，远远低于当前北极放大增温已达4倍或以上的事实[7-9]。这也说明温度反馈机制也不可能完全解释北极放大现象。
1.4 动力-热力耦合反馈上述几种基于辐射反馈过程的热力学反馈机理虽然都会对北极放大效应有一定的贡献，但是无法完全解释北极放大的观测事实，特别是21世纪以来北极的加速增暖无法在CMIP6模式中准确再现，可能不单单是温室气体增多产生的外强迫贡献[7]。在当前“新北极”(New Arctic)的气候背景下，海冰更薄更少，流动性更强，动力作用在海冰融化中的贡献越来越大。有研究发现，由于气旋式环流的Ekman输运作用使北极中央高密集度冰区的海冰向外辐散，加大了中央区开阔水域面积，进而加快了海冰反照率正反馈的循环过程，造成北极增暖中央区海冰加速融化[34]。这种动力-热力耦合反馈过程(见图 2)体现了动力作用对热力正反馈循环的协同耦合加强作用，很可能是揭示北极加速增暖的关键机制。这种观点也得到了其他科学家的证实[5]，因此越来越多的研究开始关注北极气旋或风暴对海冰融化的动力作用。
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图 2 北极海冰融化的热力-动力耦合正反馈过程示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the thermal-dynamic coupled positive feedback process of Arctic sea ice melting |
但是，由于北极气旋是天气尺度系统，其动力作用的影响时间仅限于个别超强气旋过后1~2周内，海冰有明显减少现象[5, 35-36]。研究指出，在全球变暖背景下，近几十年来北极超强气旋数量并没有显著的长期增加趋势[37]，这与北极海冰的持续减退和北极放大的不断加强变化趋势并不一致。另外值得注意的是，北极的气旋是冷性涡旋，冷性涡旋的温压结构还会带来北极增暖的负反馈效应，因此这种高频脉冲式北极超强气旋的天气尺度扰动不可能导致近年来北极持续的快速增温。另外，超过2/3北极超强气旋来源于中纬度沿北大西洋东北-西南走向西风急流的向极输入[37]，这意味着在研究“新北极”气候背景下北极放大的正反馈机理时，应该更多地考虑北极以外海洋、大气向极动力输送的贡献。因此，探讨北极外热-动力过程对北极放大的作用至关重要。
2 影响北极放大的中纬度动力过程与反馈机制 2.1 海洋中的向极热输送海洋中的向极热输送也是北极放大不可忽视的正反馈机制之一[18]，其对北极放大的贡献主要发生在北半球的冬季，主要通过北大西洋上层暖流的向极输送加速巴伦支海/喀拉海(BKS)的海冰融化。在当前“新北极”气候背景下，北极的上层海洋出现“北大西洋化(Atlantification)”现象[38-40]，这减弱了上层海洋的层结，使北大西洋中层暖水释放更多热量，引起北大西洋暖流向巴伦支海输送更多暖水，同时从弗雷姆海峡输出的海冰增多[40]，冬季来自海洋热输送的加热在BKS海区对气温直减率反馈有着协同加强的作用[41]，进而加强了北极放大效应。但这种海洋输送的贡献呈现出年代际振荡特征，无法解释北极放大持续加强的趋势；同时该研究还发现，这种海洋输送的动力作用取决于大气环流的驱动——北极偶极子型振荡(AD)的位相转换“开关机制”[40]。这些最新研究启发我们应重点考虑来自极外中纬度大气的向极动力输送与极区热力反馈的协同作用来揭示北极放大的机理。
2.2 大气中的向极输送已有研究表明，大气中热量、动量和水汽的向极输送，通过与北极局地的辐射反馈过程的协同作用，都会对北极放大有所贡献[42-44]。大气中的向极输送过程主要来自于中纬度西风带上Rossby波槽(波谷)前脊(波峰)后(对应地面气旋/反气旋之间)位置西南气流的向极输送。例如2015年、2016年冬季北极创纪录的极端高温事件就是由高空阻塞反气旋环流引导三个性质不同的暖气团向北极的入侵(见图 3)导致的[45]。我们的工作也证实了2015年、2016年冬季北极中央区海冰出现历史最强的极端融化事件，主要与北大西洋异常反气旋向极的暖平流输送相关[46]；在进一步对1989—2017年冬季发生的所有北极中央区海冰密集度极端低值事件合成分析(见图 4)中发现：冬季引起北极异常增暖导致海冰极端融化的主要原因是北大西洋-北欧地区的异常气旋-反气旋之间的向极暖平流输送，其中沿北欧沿岸入侵北极的反气旋异常发展加强尤为强烈(见图 4(b))。这意味着异常的中纬度大气反气旋环流向极发展可能是造成北极放大的关键天气动力系统。中纬度西风带Rossby长波脊发展加强的极端状态就是出现闭合高压中心，即大气出现阻塞高压(或阻塞环流)，当前有关中纬度大气阻塞环流(如乌拉尔阻塞)会有助于北极增暖的研究结果[47-50]也表明中纬度大气阻塞与北极增暖之间应该存在北极放大的正反馈过程。
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图 3 北极异常暖事件的形成机制示意图(引自文献[45]) Fig. 3 Schematic diagram of the formation mechanism of Arctic extreme warm events (cited from Reference [45]) |
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图 4 1989—2017年冬季北极高密集度冰区(绿实线)海冰出现极端融化事件的近地面气温(填色, 单位：℃)、风场(a)和海平面气压异常场(b)的合成场(引自文献[46]) Fig. 4 Synthetic analysis of (a) near-surface air temperature (shaded. Unit: ℃), wind and (b) sea level pressure anomalies during extreme sea ice melt events in high ice concentration areas (green solid line) in the Arctic during winter from 1989 to 2017 (cited from reference [46]) |
中纬度西风带闭合高压中心除了大气阻塞高压外，通常还有大陆冷高压，如西伯利亚高压。近期研究从西伯利亚的角度对暖北极-冷欧亚的形成提出了不同的解释，Wu and Ding[51]认为冬季欧亚大陆区域冷异常对北极增暖有贡献，在合适的条件下，欧亚大陆的区域冷异常可以加强西伯利亚高压，进一步导致乌拉尔山反气旋环流的发展，进而引起巴伦支-喀拉海增暖。冬季西伯利亚高压的加强同样对应于北半球中高纬度大气环流的系统性北移，是引起巴伦支-喀拉海增暖异常的直接原因。
北大西洋涛动(NAO)作为北大西洋-北极地区大气变率第一模态，通常被认为与北极的增暖和欧亚大陆变冷(WACC)有关。但Cai等[10, 52]研究表明，NAO更容易导致戴维斯海峡-巴芬湾附近区域增暖和欧亚大陆北部变冷；与NAO相比，北大西洋-北极地区大气变率第二模态，即巴伦支海涛动(BO)，在调节WACC的年代际变化方面发挥了更为重要的作用，其方差贡献接近60%。BO代表了北大西洋-北极地区年代际变率主导模态，其进入21世纪后逐渐转为正位相并且加强，在北大西洋北部地区和巴伦支海南部地区形成异常高压，促进了从格陵兰岛南部沿挪威海和从欧亚大陆到巴伦支海的两个热量和水汽输送分支，导致水汽在巴伦支海上空汇聚，促进了巴伦支-喀拉海的增暖。该研究强调了BO作为一个新发型的模态，与其相关的大气环流变化成为近几十年北极增暖的一个新的驱动因素。为未来深入理解北极增暖机制提供重要理论依据。
2.3 中纬度大气阻塞-北极放大的正反馈在全球变暖背景下，北极增暖会减小北极和热带之间的南北温度梯度，根据热成风原理这会使得中纬度对流层的西风急流减弱并北移。以往的理论研究表明，背景西风减弱往往是大气Rossby长波脊发展成阻塞环流的先决条件[53-55]，北半球大气阻塞空间分布的观测统计特征也证实了这些理论结果[56]。当中纬度西风减弱时有利于阻塞环流的长时间维持和振幅加强，同时西风急流的向极移动更有利于大气阻塞的向北极入侵，从而输送更多的热量和水汽，加快北极海冰融化，进而通过反照率反馈等热力正反馈过程加强北极的增暖，就形成了“北极增暖-经向温度梯度减小-西风减弱-阻塞加强-向极输送更多暖湿空气-海冰融化、北极变暖加强”这一中纬度大气阻塞-北极放大的正反馈循环过程[1, 53-55]。
3 未来“新北极”背景下中-高纬度耦合反馈机理研究展望前人研究发现在夏季北极海冰的减少趋势中，近一半的贡献来自于大气内部变率[57]，即Rossby长波的变化。在未来“新北极”气候背景下，随着全球变暖加剧，海冰加速融化，北极会出现无冰的北冰洋，这使得冰雪反照率反馈在北极放大中的贡献会越来越小，而中纬度大气的向极输送的作用则可能不断加大。中纬度大气向极输送的动力过程主要通过Rossby长波脊和气旋的向极入侵来实现。大气动力学理论告诉我们Rossby波的产生机制是β效应，由于在北极点β=0不能产生线性Rossby波，且气旋比反气旋造成的风浪强度更大，对海冰的动力作用更强，因此以往的研究多关注北极气旋对海冰融化的动力作用，而忽略了Rossby长波脊的作用。但北极气旋的发生是高频的“脉冲式”的，其对海冰融化的持续影响往往不超过2周，且研究表明入侵北极的气旋没有显著的增多趋势，这就很难导致北极的持续增温放大现象。因此，分析入侵北极的中纬度Rossby长波脊对北极放大的贡献可能是揭示未来北极增暖机制的更有效途径。
3.1 当前中纬度-北极放大正反馈机制存在的问题中纬度Rossby长波脊非线性发展的极端状态就是中纬度的阻塞高压，因此，前人提出的中纬度大气阻塞-北极放大的正反馈机制[1, 53-55]显然是最有可能体现中纬度Rossby长波脊入侵北极造成北极增暖的物理过程和机制。但该机制仍然存在以下问题需进一步完善。
(1) 由于大气阻塞环流是西风带上Rossby长波脊非线性发展出现闭合高压时的一种极端状态，这表明大气阻塞产生的条件较为苛刻，其出现概率必然较低。不失一般性，上述大气阻塞-北极放大的正反馈循环中，并不要求中纬度Rossby长波脊一定要发展加强成阻塞高压，只要该Rossby长波脊能够进入北极带来暖平流加热大气，启动并维持北极局地的热力正反馈循环过程，即可导致北极放大。因此，从中纬度入侵北极的Rossby长波脊为切入点研究中-高纬度之间的动力输送和热力耦合正反馈对北极放大的贡献更具普适性。
(2) 近期的研究发现，在全球变暖北极放大背景下，北半球西风急流并没有表现出一致的减弱趋势，而是表现出较强的年际振荡和区域性差异特征，中纬度北太平洋急流加强而北大西洋急流减弱[58-59]，因而阻塞发生频次和弱西风关系的区域性和季节性变化也并不完全相吻合，这在我们早期的观测统计和理论分析中就已发现[56]。因此，目前从观测中并不能完全证实中纬度大气阻塞-北极放大正反馈循环链条中的关键环节。虽然[60]应用他们发展的一套基于位涡经向梯度(PVy)的非线性大气阻塞理论(简称为PVy理论)[61]解释了欧亚位涡梯度减弱对冬季BKS海冰融化和中纬度极端冷事件的可能机制，但对于中纬度阻塞增多如何影响海冰融化和加强北极暖异常的正反馈链条中各环节的物理过程，并未提供充分的观测证据。
(3) 对于理想大气西风带中的Rossby长波脊向高纬度发展加强时，脊后向极的暖平流和脊前向极区外的冷平流输送使得穿越北极圈的热量通量往往正负抵消，当天气尺度绕极波的槽脊为南北向对称波动时，其对北极长期增暖趋势的贡献不大。只有当长波脊发展成非对称形态，脊后暖平流输送强于脊前冷平流输送; 或者向极入侵的Rossby长波脊破碎(有时会出现阻塞环流)，暖空气被截断滞留在北极地区，这两种情况频繁或持续发生时，北极地区才易于出现持续的暖异常。这两种情况均与中纬度向极发展的Rossby长波的非线性不稳定发展和波破碎过程[62-63]有关。除水平方向波动传播和发展外，在垂直方向上对流层长波向平流层的入侵同样重要[64]。对流层波动向平流层的传播得到加强时，波动在平流层发生破碎，往往会导致平流层极涡的减弱，该信号在后期逐渐延伸到地表，导致北极地区的动力增暖。而北极海冰和欧亚积雪的减少通常会进一步加强对流层波动的上传，对流层-平流层耦合加强，从而引发由北极海冰减少的热力过程和平流层动力过程所产生的协同增暖[3, 65-66]。北极放大效应在垂直方向上有两个中心：一个中心在近地面；另一个中心在对流层顶，而对流层顶的增暖与北极海冰减少所引发的对流层-平流层耦合加强有直接关系[67]。因此，中纬度大气Rossby长波发展理论及其波破碎理论是上述正反馈机制中的关键核心基础。
传统的基于β通道内均匀背景西风假设下中纬度Rossby长波的成波机理为β效应，即地转涡度的经向梯度，该简化理论无法解释上述正反馈循环中“西风减弱-阻塞加强”环节与观测不完全一致的事实；对于考虑了背景西风经向切变的PVy理论[61]，其主要成波机制就是位涡的经向梯度PVy，该项的贡献类似于台风眼周围涡旋Rossby波的等价动力学成波机理[68-69]。因此本文将考虑了涡旋Rossby波效应的成波机理称为涡旋β效应，PVy理论中PVy的物理本质就是涡旋β效应。由于极区纬度较高，极区的β远小于中纬度的值，中纬度常用的β平面近似并不适合极区的大气动力学分析，现有的基于麦卡托投影的理论[62, 70]也不适用于较高纬度的北极地区，因此建立一套适用于高纬度地区考虑涡旋β效应的Rossby波动力学模型及其波破碎理论，对研究中-高纬度动力-热力耦合反馈机制至关重要。
3.2 未来中-高纬度耦合反馈机理的科学猜想基于上述分析，我们对未来“新北极”气候态下可能造成北极放大的中-高纬度动力-热力耦合正反馈机理提出如下科学猜想(见图 5)：由于全球变暖，北极也会增暖，使得北极和热带大气之间的南北温度梯度减小，根据热成风原理，中纬度西风将减弱，有助于Rossby长波脊振幅加强，同时中纬度西风带北移，更有利于Rossby长波脊的向极入侵。长波脊入侵北极后主要通过两种方式造成北极放大：一是脊后暖平流强于脊前冷平流的非对称向极输送；二是Rossby波破碎造成暖空气滞留北极。这两种方式均会造成入侵北极的长波脊向极输送暖湿气流，通过与北极局地热力反馈过程的耦合，特别是水汽反馈和云反馈的贡献可能会加大，进而会加速北极放大的正反馈过程，形成“北极增暖-特定海域西风减弱且向极偏移-有利于Rossby长波脊入侵北极且发生波破碎-进而加热北极”这样的正反馈过程，从而造成北极的加速增暖。在上述正反馈过程中，考虑到高纬度大气的涡旋β效应和中纬度Rossby长波脊入侵北极及其波破碎效应是本文新提出的动力反馈理论，需要在未来的研究中进一步证实。
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图 5 影响北极放大的中高纬度动力-热力耦合反馈机制的科学猜想示意图 Fig. 5 Schematic diagram of the scientific conjecture of the thermal and dynamic coupling feedback mechanism affecting Arctic amplification at middle and high latitudes |
要使得北极增温比全球增温速率快，需要有正反馈机制持续循环作用，当前被广泛接受的北极放大正反馈机理均是基于辐射平衡的热力反馈机理，主要包括冰雪反照率反馈、温度反馈(包含普朗克反馈和气温直减率反馈)、水汽和云反馈等。但即使是这些正反馈过程共同作用，仍然无法造成当前近4倍的北极放大率。尤其是21世纪初北极逐渐进入海冰加速减退、海冰流动性加快的“新北极”气候态，造成海冰融化北极放大的动力作用不可忽视，特别是动力作用和北极局地的热力正反馈的耦合作用，极有可能是加速北极的增暖放大的关键过程。
基于这种动力-热力耦合正反馈的思想，本文分析了动力作用的主要来源可能是中纬度大气Rossby长波脊的向极输送，并在此基础上提出了一种有利于未来北极放大加速的中纬度-北极之间动力-热力耦合反馈机理的科学猜想。这其中需要进一步探索如下两个科学问题：
(1) 哪些动力或热力因子决定了中纬度Rossby长波脊向北极入侵和Rossby波波破碎的形态、位置及强度？即在全球变暖背景下入侵北极的中纬度Rossby长波脊的入极条件与Rossby波发生波破碎的临界阈值条件分别是什么？
(2) 中纬度入侵北极的Rossby长波脊与北极地区不同热力反馈过程之间是否存在协同作用？如果存在协同作用，最优匹配的时空尺度和反馈类型是什么？不同季节不同尺度的最优动力-热力协同反馈过程是什么？对流层波动和平流层波动的耦合机制是怎样的？对这些问题的深入研究，有助于丰富高纬度(极区)大气Rossby波动力学的理论, 深入理解中纬度与北极之间相互作用的大气动力-热力耦合反馈过程和机理。
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