劉明嘉，劉福凱，羅義勇

(中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

極地地區(qū)氣候變化的研究一直是近年來的熱點(diǎn)話題。然而盡管同樣處在全球變暖這個大背景下，北極和南極的氣候在過去幾十年卻出現(xiàn)了截然不同的變化。具體而言，北極地區(qū)存在著極為顯著的升溫，升溫的速率甚至能夠達(dá)到全球平均速率的兩倍(見圖1)，這種溫度異常升高的現(xiàn)象被人們稱之為“北極放大”[1-2]；伴隨著北極區(qū)域的快速升溫，北極海冰覆蓋范圍不斷減小并且其減少速度在近些年明顯加快。觀測結(jié)果顯示，相較于20世紀(jì)末期北極海冰面積已經(jīng)減少了200多萬km2，長此以往，甚至?xí)楷F(xiàn)出多條能夠貫穿北冰洋的極地航道，蘊(yùn)含大量的社會與經(jīng)濟(jì)價值[3-4]。另一方面北極放大也會對中低緯度的氣候產(chǎn)生一定的影響，比如極端天氣的增加等[5]。而南極地區(qū)的氣溫和海冰的變化趨勢與全球變暖的整體趨勢不一致，即南極地區(qū)的表面溫度整體上變化緩慢、甚至有下降的趨勢，該現(xiàn)象被稱為“增暖遲滯”現(xiàn)象；與此相對應(yīng)，南極海冰覆蓋范圍出現(xiàn)增加的趨勢。但這種現(xiàn)象是把南極地區(qū)作為一個整體(包括南極洲和南大洋)，事實上南極不同地區(qū)氣溫和海冰的變化存在明顯的差異。例如，東南極大陸出現(xiàn)降溫，而南極半島和西南極則呈現(xiàn)增溫；羅斯海地區(qū)發(fā)生了海冰的大范圍擴(kuò)張[6]，而阿蒙森-別林斯高晉海的海冰范圍減少。上述這些北極和南極間出現(xiàn)的不對稱的氣候變化以及極地內(nèi)不同區(qū)域的變化特征促使著我們對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

對兩極氣候變化原因的研究也由來已久。對于北極，最早受到關(guān)注的是該區(qū)域的輻射反饋過程。其中反照率反饋被認(rèn)為有極大的作用[1,7]：溫度升高會引起冰雪的融化，進(jìn)而下墊面性質(zhì)發(fā)生改變，即反照率降低，吸熱增加，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高，產(chǎn)生正反饋，更進(jìn)一步促使海冰消退的發(fā)生[8]。除此之外，溫度垂直遞減率反饋被認(rèn)為是另外一種重要的反饋機(jī)制：高緯度區(qū)域由于缺乏濕絕熱過程，使得升溫異常容易聚集在大氣底層，抑制了長波輻射的釋放并放大了大氣層頂凈輻射熱通量，造成“北極放大”現(xiàn)象[2]。此外大氣環(huán)流與熱量輸運(yùn)的改變等同樣會產(chǎn)生影響。而對于南極來說，該地區(qū)的反照率反饋較北極來說較弱，但是海洋的熱吸收卻起到了更大的作用。南極整體較高的地勢也進(jìn)一步加劇了南北極之間的不對稱[9]。

能夠引起兩極氣候變化的除了上述的局地反饋作用，還存在遠(yuǎn)距離的強(qiáng)迫影響。全球變暖下任一海域?qū)Υ髿獾臒釓?qiáng)迫都可能經(jīng)過大氣橋的“遙相關(guān)”作用調(diào)控南北極區(qū)域的輻射反饋過程，并影響其氣候變化。Svendsen 等[10]就曾遵循這種思路，通過敏感性實驗建立起了來自太平洋的外強(qiáng)迫與北極氣候之間的聯(lián)系。但迄今為止，全球性、系統(tǒng)性的研究尚未見報道，這也是本研究欲解決的問題。因此我們使用耦合了平板海洋模型(Slab Ocean Model)的通用地球系統(tǒng)模型(The Community Earth System Model；簡稱 CESM)進(jìn)行了大量的格林函數(shù)實驗。將中低緯海洋劃分成為97個海域，在各海域分別施加冷、熱強(qiáng)迫，從而得到極地氣候指標(biāo)對全球中低緯海域熱強(qiáng)迫的敏感性分布。同時，我們還將研究實驗中極地內(nèi)部所呈現(xiàn)的氣候變化的空間結(jié)構(gòu)，并利用溫度歸因法(一種將表面溫度的響應(yīng)歸因于不同的輻射核反饋的方法)，來確認(rèn)遠(yuǎn)程熱強(qiáng)迫影響極地氣候的具體途徑。

圖1 1963—2017 年全球表面溫度變化趨勢(K·a-1)Fig.1 Global surface temperature trend from 1963 to 2017 (K·a-1)

1 方法介紹

1.1 模型與實驗

本文中所涉及的實驗使用的是通用地球系統(tǒng)模式，是美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)在2010年推出的地球系統(tǒng)耦合模式，具體型號為 CESM1.1.2。而CESM1由許多模塊共同構(gòu)成，包含了大氣、海洋、陸地與冰凍圈，且可以通過選擇耦合不同的模塊以達(dá)到相應(yīng)的配置[11]。本實驗中所采用的模塊具有完整的大氣過程，而在海洋方面則是選擇了混合層海洋模型，該模型只考慮海洋的熱力學(xué)過程、忽略了動力學(xué)過程。本文通過修改混合層海洋中的q-flux改變海洋提供給大氣的熱通量，進(jìn)而檢驗氣候系統(tǒng)對該熱通量強(qiáng)迫的響應(yīng)。

實驗采用的分辨率為：陸地模塊與大氣模塊為 fv1.9×2.5 網(wǎng)格，對應(yīng)分辨率為 2.5° (經(jīng)度) ×1.9° (緯度)；海冰模塊與海洋模塊則為 gx1v6 不規(guī)則網(wǎng)格。而全球中低緯的海洋被我們劃分成了97個區(qū)域分別施加冷、熱強(qiáng)迫，具體情況如圖2所示：每個圓環(huán)代表一個片區(qū)的位置，而在每個片區(qū)中心施加最高的熱強(qiáng)迫(±12 W·m-2)，若記此最大值為Q，則施加在該片區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)上的熱強(qiáng)迫遵循Barsugli and Sardeshmukh[12]給出的局部余弦峰(Localized cosine hump)公式：

(1)

加熱中心位于(φk±φw，λk±λw)，φw=30°與λw=12°分別代表了加熱范圍的經(jīng)向與緯向半徑。從圖中我們也可以看出，施加熱強(qiáng)迫的范圍與對應(yīng)的海洋片區(qū)并不完全重合，而是與相鄰片區(qū)存在重疊；片區(qū)邊緣位置受到的熱強(qiáng)迫為最大值的一半(Q/2)。這樣來自所有片區(qū)的熱強(qiáng)迫之和等于除了海洋邊緣之外在全球海洋均勻加熱(冷卻)12 W·m-2[13]。

圖 2 格林函數(shù)實驗中各個熱強(qiáng)迫的位置Fig.2 Distribution of thermal forcing in the Green’s function experiments

通過這一系列的實驗，我們即可觀察兩極氣候?qū)μ囟êＱ髤^(qū)域熱強(qiáng)迫所產(chǎn)生的響應(yīng)，最終系統(tǒng)性的得到一張兩極區(qū)域氣候針對全球中低緯海域的敏感性分布圖。同時，我們也可以利用經(jīng)驗正交函數(shù)法(EOF)對97個格林函數(shù)實驗中的響應(yīng)進(jìn)行分析，從而得到南北極在海洋熱強(qiáng)迫的作用下最容易呈現(xiàn)的響應(yīng)。

1.2 溫度歸因法

基于“反饋核”理論，Liu等[15]提出了溫度歸因法來量化各個反饋過程造成的溫度變化。具體來說，對于一個平衡態(tài)的系統(tǒng)而言，大氣層頂各熱輻射通量(Fi)的和表面熱通量(Fs)以及大氣能量傳輸輻散(·F, Atmospheric heat transport, AHT)三者的異常之間存如下關(guān)系：

(2)

(3)

(4)

2 極地氣候要素的響應(yīng)

2.1 兩極地區(qū)表面溫度的敏感性分布

為了能夠系統(tǒng)性地評估全球中低緯度海域?qū)O地氣候的影響，本文選擇了極地地區(qū)近地表的氣溫(Surface temperature,TS，下稱表面溫度)作為其氣候要素的代表，因為表面溫度是表征海氣熱量、動力和水汽交換的重要參量，在很多研究中也就是用表面溫度對于外界強(qiáng)迫的敏感度來指代氣候敏感度，能夠較好地體現(xiàn)出氣候的具體響應(yīng)。我們通過衡量二者對于海洋熱強(qiáng)迫的響應(yīng)，建立全球的敏感性分布。

圖 3 北極(a)與南極(b)表面溫度對全球海洋熱強(qiáng)迫的敏感性分布 Fig.3 Sensitivity of surface temperature in the Arctic(a)and Antarctic(b)to oceanic thermal forcing

圖3分別展示了北極區(qū)域(66.3°N～90°N)和南極區(qū)域(90°S～66.3°S)表面溫度的敏感度，圖中的每個點(diǎn)的位置分別對應(yīng)于圖2中所劃分出的一片海域；斑點(diǎn)顏色的深淺即代表其敏感性的強(qiáng)弱；紅色和藍(lán)色則是分別對應(yīng)在施加正向熱強(qiáng)迫以后，選定指標(biāo)的升高和降低。舉例來說，以150°E，44°N為中心施加1PW的熱強(qiáng)迫能夠使北極區(qū)域升溫9.2℃。

通過對空間分布的詳細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，對北極地區(qū)而言，影響力較大的區(qū)域主要集中在較近的北太平洋以及北大西洋海域；而到了低緯度地區(qū)，東熱帶太平洋海域也對其氣候有著較強(qiáng)的影響力，但熱帶印度洋與熱帶大西洋的影響較小，甚至產(chǎn)生了使北極冷卻的趨勢；此外圖中還有一個相當(dāng)值得注意的特征，北極地區(qū)對來自遙遠(yuǎn)的南太平洋海域的熱強(qiáng)迫同樣展現(xiàn)出了較高的敏感性。南極地區(qū)的狀況又有所不同，除了同樣對較為鄰近的南大洋熱強(qiáng)迫產(chǎn)生了較強(qiáng)的響應(yīng)外，對另一半球海洋熱強(qiáng)迫的響應(yīng)整體上并未達(dá)到同樣的強(qiáng)度。因此，敏感性較高的區(qū)域大多集中于南大洋。兩極地區(qū)對于敏感性的空間分布產(chǎn)生了不對稱的現(xiàn)象。

圖4 表面溫度敏感度的緯向分布Fig.4 Zonal mean of sensitivity of surface temperature in the Arctic and Antarctic to oceanic thermal forcing

圖4呈現(xiàn)的是將氣候要素的敏感性進(jìn)行緯向平均之后的結(jié)果。橫軸代表施加強(qiáng)迫的海域所在的緯度，紅線代表北極，藍(lán)線代表南極。我們可以發(fā)現(xiàn)，在南北極表面溫度響應(yīng)的量級接近一致的情況下，北極地區(qū)對于來自另一半球熱強(qiáng)迫的響應(yīng)要明顯強(qiáng)于南極地區(qū)；而對兩極氣候影響最小的熱強(qiáng)迫都出現(xiàn)在副熱帶地區(qū)。造成這一現(xiàn)象的原因可能在于各緯度海域?qū)κ┘佑谧陨淼臒釓?qiáng)迫的響應(yīng)程度不同。

2.2 兩極在海洋熱強(qiáng)迫下最易激發(fā)的響應(yīng)

除了能夠從全球的角度篩選出對兩極氣候具有顯著影響的區(qū)域，本文還可以聚焦南、北兩極，探究兩者對中低緯度海洋熱強(qiáng)迫最容易呈現(xiàn)的響應(yīng)，并與觀測結(jié)果對比，理解氣候變化下特定溫度變化出現(xiàn)的原因。

實驗過程中是通過將全球中低緯海洋劃分成97個片區(qū)分別進(jìn)行實驗，每一次實驗僅在單獨(dú)的一片海域分別施加冷熱強(qiáng)迫而不對其他區(qū)域施加擾動。因此我們每次都可以得到一個極地地區(qū)氣候響應(yīng)的結(jié)果，分別對應(yīng)于相應(yīng)海域的影響。97次實驗全部完成后我們可以參照EOF方法，將結(jié)果組合成為一個序列，即用這97次實驗去代替常規(guī)EOF分解中的時間維，進(jìn)行分解得到EOF模態(tài)，其第一模態(tài)能解釋的方差最大，可以認(rèn)定為最為顯著的模態(tài)，即南北兩極在外強(qiáng)迫作用下最容易呈現(xiàn)的響應(yīng)。

圖5 北極表面溫度響應(yīng)的第一模態(tài)(a)以及對應(yīng)的PC分布(c)，南極表面溫度響應(yīng)的第一模態(tài)(b)以及對應(yīng)的PC分布(d)Fig.5 The first mode of surface temperature response (a) and PC distribution (c) in the Arctic,the first mode of surface temperature response (b) and PC distribution(d) in the Antarctic

圖5(a,b)是對兩極表面溫度的響應(yīng)進(jìn)行EOF分解后得到的第一模態(tài)的結(jié)果，展現(xiàn)出了極地地區(qū)在受到遠(yuǎn)距離熱強(qiáng)迫的影響后最容易激發(fā)的響應(yīng)。二者較為活躍的區(qū)域都集中在海上，從北極地區(qū)來看，大多集中在緯度較低的沿岸海域，包括波弗特海、拉普捷夫海以及楚科奇海海域，接近極地中心的位置也有較強(qiáng)的響應(yīng)，來自大西洋的一側(cè)則在格陵蘭海同樣存在著較強(qiáng)的響應(yīng)。而南極地區(qū)響應(yīng)則更加集中，響應(yīng)較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在南極半島外緣的別林斯高晉海，且活躍程度與北極相當(dāng)，這也與目前觀測結(jié)果中溫度變化劇烈的區(qū)域相吻合，例如Kwok和Comiso[17]就曾在南極地區(qū)1982—1998年表面溫度空間分布的相關(guān)研究中展示了別林斯高晉海的異常升溫。Wang等[18]在對1979—2014年的氣溫數(shù)據(jù)的研究中指出，在北極的暖異常中心位于波弗特海以及喀拉向北80°N區(qū)域附近。

EOF分解得出的結(jié)果除了不同的空間模態(tài)外，還有一條主成分(PC)時間序列，數(shù)值相對越大，反映出在當(dāng)前時間節(jié)點(diǎn)越容易激發(fā)出相應(yīng)的模態(tài)。而在本文中由于用不同海域的結(jié)果排列代替了時間序列，出現(xiàn)的結(jié)果也就意味著其數(shù)值越大，在該海域施加熱強(qiáng)迫越容易激發(fā)極地相應(yīng)的模態(tài)。同樣將結(jié)果與熱強(qiáng)迫位置對應(yīng)(見圖5(c),(d))，可以看到其分布與之前的敏感性分布相似：北太平洋、熱帶東太平洋與南太平洋地區(qū)仍舊是最容易激發(fā)北極地區(qū)表面溫度第一模態(tài)的區(qū)域；而最易激發(fā)南極表面溫度第一模態(tài)的同樣是南大洋。時間序列與敏感性分布的相關(guān)性分別高達(dá)0.9(北極)與0.95(南極)。

2.3 溫度歸因法分析

本研究所進(jìn)行的實驗中關(guān)于極地氣候的響應(yīng)都是源于非局地作用的結(jié)果，它們經(jīng)過大氣橋的“遙相關(guān)”作用調(diào)控極地地區(qū)的輻射反饋過程，最終影響極地的氣候。因此，對于輻射過程變化的研究有助于我們進(jìn)一步探尋氣候變化背后的途徑和機(jī)制。為此，我們利用前面提到的溫度歸因法，對氣候變化過程中大氣能量輸運(yùn)和各項輻射反饋的貢獻(xiàn)進(jìn)行了計算。

圖6、7所示的結(jié)果即為極地輻射反饋的最終分解結(jié)果，其中的圖6(a)、7(a)與圖5所代表的含義一致，是極地受到遠(yuǎn)距離熱強(qiáng)迫后表面溫度呈現(xiàn)出的最為顯著的模態(tài)。后面的(b)～(f)圖則是根據(jù)公式(4)將溫度的響應(yīng)分解，分別歸功于水汽、垂直遞減率、反照率和云反饋以及水平熱輻散后的結(jié)果。換言之，也可以通過這五項的結(jié)果很好地模擬出表面溫度的變化。

圖6 (a)北極地區(qū)的表面溫度響應(yīng)的第一模態(tài),(b)～(f)將(a)中的響應(yīng)分解成水汽、垂直遞減率、反照率和云反饋以及水平熱輻散的結(jié)果Fig.6 (a)The first mode of the Arctic surface temperature and (b)～(f) decomposition of the total response in (a) into water vapor, lapse rate, surface albedo, and cloud feedbacks, as well as heat convergence due to atmospheric transport

通過對該圖的觀察可以看出，水汽反饋在兩極都造成了比較均勻的升溫效果。具體對北極地區(qū)來看，反照率反饋與溫度垂直遞減率反饋起到了主導(dǎo)作用，云反饋的作用則相對較弱。而在南極，反照率反饋為南極海洋的異常升溫做出了絕大部分貢獻(xiàn)，垂直遞減率反饋僅提供了少量的升溫。值得注意的是，反照率反饋在陸地上對升溫的貢獻(xiàn)是負(fù)的，這種陸地與海洋變化相反的情況還出現(xiàn)在云反饋上，不過云反饋導(dǎo)致了陸地的升溫與海洋的降溫。而關(guān)于最后的水平熱輻散項，兩地都呈現(xiàn)出了與主要的反饋過程的模態(tài)相反的趨勢，這是因為系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了平衡態(tài)，所以水平輸運(yùn)主要起到一個補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

圖8展示了本文在選定海域中將各個反饋過程的貢獻(xiàn)定量化對比的結(jié)果。作者分別選取了之前提到響應(yīng)比較明顯的北極低緯度沿岸(見圖8(a))(120°E～160°W，70°N～74°N)、北極中心區(qū)(見圖8(b))(160°E～180°，82.5°N～86.2°N)以及南極的別林斯高晉海區(qū)域(160°W～120°W，74.8°S～65.3°S)來進(jìn)行觀察，各區(qū)的反饋結(jié)果都做了區(qū)域平均。可以看出，北極低緯度沿岸海域的升溫是反照率反饋與垂直遞減率反饋共同作用的結(jié)果；到了北極中心區(qū)，所有過程都提供了一個升溫的貢獻(xiàn)，但是由垂直遞減率反饋過程占據(jù)了主導(dǎo)(56%)，在兩個區(qū)域總體響應(yīng)強(qiáng)度相近的情況下，反照率反饋的貢獻(xiàn)(24%)不及垂直遞減率的一半，這是因為海冰的消退主要還是發(fā)生在較低緯度的沿岸海域，而與之密切相關(guān)的反照率反饋也主要局限于此。在南極最活躍的別林斯高晉海區(qū)域與南極海洋整體的情況近似，主要都是反照率反饋的影響。

圖7 (a)南極地區(qū)的表面溫度響應(yīng)的第一模態(tài),(b)～(f)將(a)中的響應(yīng)分解成水汽、垂直遞減率、反照率和云反饋以及水平熱輻散的結(jié)果Fig.7 (a)The first mode of the Antarctic surface temperature response and (b)～(f) decomposition of the total response in (a) into water vapor, lapse rate, surface albedo, and cloud feedbacks, as well as heat convergence due to atmospheric transport

圖8 北極中低緯沿岸海域(a)、北極中心區(qū)域(b)和南極別林斯高晉海區(qū)域(c)中各反饋過程貢獻(xiàn)的對比Fig.8 Contribution of each feedback in the coastal Arctic (a),central Arctic (b) and Bellinsgauzen Sea(c)

3 結(jié)論與展望

為了能夠評估全球不同海域上施加的熱強(qiáng)迫所能夠引起的極地地區(qū)的氣候響應(yīng)，本文利用耦合了平板海洋模型的通用地球系統(tǒng)模式進(jìn)行了一系列的格林函數(shù)實驗；該實驗中將全球大洋在真實地形下劃分成97片海域，并在各個區(qū)域引入了熱強(qiáng)迫。經(jīng)過對實驗結(jié)果的分析，獲得主要的結(jié)論如下：

(1)北極氣候?qū)τ趤碜员碧窖?、北大西洋、熱帶東太平洋與南太平洋地區(qū)的熱強(qiáng)迫存在較高的敏感性，而對來自印度洋與熱帶大西洋的強(qiáng)迫敏感性較低；南極地區(qū)的氣候則主要受到南大洋海域的影響。兩極氣候?qū)Ω睙釒ШＳ虻拿舾行云毡檩^弱。

(2)通過對極地地區(qū)表面溫度的響應(yīng)做EOF分解，我們確定了受到熱強(qiáng)迫后其易于呈現(xiàn)的主要模態(tài)。北極地區(qū)的響應(yīng)主要發(fā)生在波弗特海、拉普捷夫海、楚科奇海海域以及接近極地中心的位置。而對于南極地區(qū)來說響應(yīng)較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在南極半島外緣的別林斯高晉海。

(3)為了厘清其背后的響應(yīng)機(jī)制，我們將大氣層頂凈輻射熱通量與表面溫度的響應(yīng)建立關(guān)系，使用溫度歸因法將表面溫度的變化歸因于各個反饋過程，發(fā)現(xiàn)主要是反照率反饋與溫度垂直遞減率反饋促進(jìn)了北極地區(qū)的升溫，而在南極主要是反照率反饋的作用。

由于本文采用的模型為混合層海洋模型，忽略了海洋動力學(xué)過程，前人的研究指出海洋環(huán)流自身也能夠從以下兩方面改變海洋能量的輸運(yùn)和再分配，進(jìn)而影響高緯度的氣候：1)將低緯度的較暖水輸運(yùn)到高緯度；2)對高緯度內(nèi)部水體熱量進(jìn)行再分配[19]。由于模型的缺陷無法探討海洋動力學(xué)過程對極地表面溫度和海冰變化的貢獻(xiàn)，未來將考慮選取特定區(qū)域補(bǔ)充包含海洋動力過程的耦合實驗，與本文實驗結(jié)果相互驗證、補(bǔ)充。