李雙林，韓哲，劉娜，張超，蔡慧

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）大氣科學(xué)系，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029)

1 引言

南極作為氣候系統(tǒng)的重要冷源之一，在全球氣候變化中占有重要份額[1-2]，是預(yù)估未來全球氣候變化的重要區(qū)域之一[3]。海冰作為極地特有的介質(zhì)，影響著全球的熱量和質(zhì)量交換過程，例如海冰反照率高，可以減少海表對(duì)太陽短波的吸收，降低海洋與大氣之間的熱量和水分交換，從而改變海洋表面的能量平衡。海冰融化或凍結(jié)會(huì)導(dǎo)致局地海水鹽度降低或增加，改變海洋層結(jié)穩(wěn)定度，影響到南極底層水和南極中層水，最后影響海洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流[4]。

近些年，南極海冰覆蓋范圍發(fā)生了明顯變化[5]。在全球變暖背景之下，北極海冰快速消融，而南極海冰覆蓋范圍在2015 年之前顯示出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)[6]，特別是2012-2014 年海冰范圍連續(xù)增大，不斷刷新紀(jì)錄[7]。這一現(xiàn)象與通常所認(rèn)為的—全球快速增暖海冰融化—不一致，遂引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，被稱為“變暖悖論”。基于工業(yè)革命前耦合氣候模式試驗(yàn)，有研究認(rèn)為這種增長(zhǎng)趨勢(shì)是由氣候系統(tǒng)自然波動(dòng)引起[8]。然而當(dāng)人們正忙于探索南極海冰增加的成因時(shí)，在2016 年南半球的春末夏初，南極海冰范圍跌破歷史記錄，成為有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來的最低值[9-15]。之后，南極海冰范圍略有恢復(fù)，但仍維持在較低水平。

關(guān)于這次事件，最為關(guān)鍵的一個(gè)問題是：它是長(zhǎng)期趨勢(shì)的突變或者年代際尺度的轉(zhuǎn)折信號(hào)，還是一次氣候系統(tǒng)內(nèi)部的年際波動(dòng)？弄清這一問題對(duì)認(rèn)識(shí)未來南極海冰變化具有重要意義。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者圍繞南極海冰減少的成因進(jìn)行了大量研究，從多個(gè)角度提出了非常有意義的物理解釋。諸多結(jié)果顯示，導(dǎo)致這一極端減少事件的因素并不是單一的，而是大氣和海洋的多個(gè)過程共同作用下形成的。本文總結(jié)了最近幾年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，從大氣和海洋兩個(gè)方面進(jìn)行了梳理，并對(duì)有待解決的科學(xué)問題進(jìn)行了討論。希望本綜述對(duì)認(rèn)識(shí)南極海冰變化成因有所啟發(fā)。本文中的季節(jié)除特殊申明外，是就南半球而言，例如冬季是指南半球冬季（即6-8 月份）。

2 2016 年海冰狀況

自1979 年以來，南極海冰范圍（SIE）呈微弱增加的趨勢(shì)。從年平均看，SIE 異常在2014 年達(dá)到最大，為1.14× 106km2，隨后快速減?。▓D1）。從1979 年1 月至2015 年12 月共37 年間，年平均值線性趨勢(shì)為0.24× 106km2/(10 a)[10]。與之相比，從1979 年1 月至2017年12 月 的39 年，線性趨勢(shì)為0.15× 106km2/(10 a)，減小了37.5%，這說明2016年海冰的急劇減少對(duì)趨勢(shì)的減小有重要貢獻(xiàn)。2016年年平均SIE 異常為-0.41 ×106km2，是自1979 年以來減小最大的年份。其中，春季和夏季是減小最明顯的季節(jié)，SIE 異常由9 月份的-0.34 ×106km2，減小至12月份的-2.13 ×106km2。此外，11 月和12 月是有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來同期SIE 最小的兩個(gè)月份，分別為14.22 ×106km2和8.28×106km2，與氣候態(tài)（即1981-2010 年的平均，依次為15.90× 106km2和10.41× 106km2）相比，分別減小了10.5%和20.5%。以上分析結(jié)果與Schlosser 等[10]的研究結(jié)果一致。

圖1 1979 年1 月至2020 年11 月南極逐月海冰范圍異常Fig.1 The evolution of monthly mean sea ice extent anomalies from January 1979 to November 2020

圖2是2016 年逐月的海冰密集度（SIC）異常及其與2015 年SIC 異常之間的差異。從圖中可以看出，2016 年，無論是SIC 異常本身還是其與2015 年的差異，均存在明顯的季節(jié)性。在1-3 月，SIC 異常減小主要出現(xiàn)在羅斯海東部和阿蒙森海（圖2a至圖2c）。與氣候態(tài)相比，大部分海域SIC 異常減小20%以上，阿蒙森海的部分海域減小超過了60%。盡管威德爾海海冰相對(duì)常年偏多，但與2015 年相比SIC 異常減小了40%以上。其中2 月和3 月的減小更為明顯，部分區(qū)域甚至減小了80%以上（圖2b，圖2c）。此外，羅斯海和阿蒙森海SIC 異常較2015 年也明顯減小，大約減小了20%～60%。

4-6 月，SIC 異常有4 個(gè)中心（圖2d至圖2f）。兩個(gè)負(fù)異常中心分別位于阿蒙森海和哈康七世海，大部分海域SIC 異常減小20%～80%。兩個(gè)正中心分別位于別林斯高晉海-威德爾海中西部（增多10%～50%）和南極的印度洋-西南太平洋區(qū)域（增多10%～40%）。與2015 年相比，除了別林斯高晉海的小部分海域出現(xiàn)微弱的增長(zhǎng)外，羅斯海、阿蒙森海、威德爾海和哈康七世海的SIC 異常均減小，最多超過80%。

圖2 2016 年逐月海冰密集度異常分布及其與2015 年的差值（-15%和15%兩條等值線）分布Fig.2 Distributions of sea ice concentration anomaly in January-December 2016 together with the differences between the sea ice concentration anomaly in 2016 and in 2015 (-15% and 15% contours)

7-9 月，SIC 異常的分布與4-6 月類似，但略微北移（圖2g至圖2i）。較強(qiáng)的兩個(gè)SIC 正異常中心分別位于威德爾海中東部和印度洋東部-太平洋中西部，大部分海域增長(zhǎng)20%～60%。SIC 負(fù)異常主要位于阿蒙森海和哈康七世海-印度洋，相對(duì)于正異常要弱一些。與2015 年相比，阿蒙森海和別林斯高晉海是SIC 異常減小最顯著的海域，大部分海域減小40%以上，最大達(dá)到80%。此外，哈康七世海也出現(xiàn)減少的情況，但強(qiáng)度較弱。與1-3 月和4-6 月不同，7-9 月部分海域出現(xiàn)了海冰增長(zhǎng)的情況，例如威德爾海東部、澳大利亞以南的海域以及羅斯海東部-阿蒙森海西部。

值得注意的是，10-12 月是海冰減少最顯著的季節(jié)（圖2j至圖2l）。從SIC 異常分布來看，除羅斯海東部和阿蒙森海西部出現(xiàn)較明顯增加外，其余海域均顯著減少，且幅度明顯強(qiáng)于其他3 個(gè)季節(jié)。與2015 年相比，10-12 月均出現(xiàn)海冰急劇減少的情況。除羅斯海東部-阿蒙森海西部出現(xiàn)增長(zhǎng)外，其余區(qū)域均明顯減少。減少最顯著的區(qū)域主要位于西半球，大部分區(qū)域減少20%以上，其中羅斯海、別林斯高晉海和威德爾海的部分區(qū)域甚至減少60%以上。

綜上，2016 年10-12 月是海冰減少最顯著的月份[10]。就夏季而言，2016 年是有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來海冰最少的一年。此外，海冰減少存在明顯的地域性和季節(jié)性差異，西南極是減少最顯著的區(qū)域，10-12 月減少最多。

3 成因

3.1 大氣環(huán)流的影響

2016 年的海冰破紀(jì)錄減少是從前幾年的偏多狀態(tài)急轉(zhuǎn)而來，這種急劇變化可能是由較強(qiáng)的大氣內(nèi)部變率引起。已有研究表明，2016 年春夏的大氣環(huán)流型的確出現(xiàn)了一些非常強(qiáng)的異常，包括緯向3 波模態(tài)異常、南半球環(huán)狀模異常和南極氣旋活動(dòng)異常等。

3.1.1 緯向3 波模

南半球緯向3 波模（ZW3）最早由van Loon 和Jenne[17]提出。Raphael[18]對(duì)其與南極海冰的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與ZW3 相聯(lián)系的經(jīng)向風(fēng)異常通過動(dòng)力輸運(yùn)以及改變海氣之間熱通量，影響海冰變化。2016 年5-10 月，南半球大氣環(huán)流表現(xiàn)出非常強(qiáng)的ZW3 異常結(jié)構(gòu)[10]，相關(guān)的經(jīng)向環(huán)流有利于海冰減少。并且，由于海冰-反照率的正反饋，海冰偏少狀態(tài)會(huì)在后期維持或進(jìn)一步加劇。正位相ZW3 導(dǎo)致的海冰減少主要出現(xiàn)在羅斯海西部、別林斯高晉海、阿蒙森海和威德爾海西部。在東印度洋區(qū)域，由于9-10 月非常強(qiáng)的經(jīng)向熱輸送，海冰的減少與熱力作用似乎更密切，模擬結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)[19]。此外，熱帶海溫對(duì)ZW3 異常有一定的貢獻(xiàn)[14]。在11-12 月即海冰破紀(jì)錄減少的時(shí)候，ZW3 并沒有顯著的正位相異常，說明ZW3 可能為11-12 月海冰破紀(jì)錄減少提供了有利的前期條件。

3.1.2 南半球環(huán)狀模/南極濤動(dòng)

基于Marshall[20]的南半球環(huán)狀模（SAM）指數(shù)，2016 年11 月份為有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來的第二低值[10]。這一負(fù)位相SAM 導(dǎo)致向南的?？寺斔停欣诤１鶞p少。但該負(fù)位相SAM 異常發(fā)生在拉尼娜的背景之下，是非常罕見的，因?yàn)槔崮韧欣谡幌郤AM 異常的發(fā)生。那么，SAM 負(fù)位相異常是如何發(fā)生的呢？可能與極地平流層信號(hào)下傳和大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（MJO）有關(guān)[14]。人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到，在春季背景風(fēng)表現(xiàn)為弱西風(fēng)時(shí)，平流層極渦信號(hào)下傳可以影響到對(duì)流層SAM[21-22]。2016 年初春，存在從對(duì)流層頂向平流層的行星波上傳，到達(dá)平流層上部時(shí)減弱了極渦。然后，這一信號(hào)到達(dá)平流層頂后被反射向下傳播，使得SAM 出現(xiàn)負(fù)位相異常，進(jìn)而減弱了11-12月的近地面繞極西風(fēng)。這一結(jié)果在歷史觀測(cè)資料和模式試驗(yàn)中均存在。盡管SAM 的環(huán)流異常在中上層是緯向的，但是在近地面并不是緯向的，故其對(duì)海冰的影響并不是緯向?qū)ΨQ的，西南極[8]和印度洋區(qū)域[23]更易受其影響。這就解釋了2016 年11 月初SAM 異常建立之后，為什么海冰在印度洋、太平洋區(qū)域以及威德爾海會(huì)進(jìn)一步地減少。

負(fù)位相SAM 異常還可以通過影響埃克曼抽吸，引起南大洋低層暖水向上層輸送[13]。暖水從混合層夾卷進(jìn)入表層，這經(jīng)常發(fā)生在夏季末。夾卷進(jìn)入表層的相對(duì)暖的海水有利于上層海洋變暖，進(jìn)而導(dǎo)致海冰減少。這一影響在年代際時(shí)間尺度上更為顯著。

3.1.3 氣旋活動(dòng)

在2016 年9 月9 日，70°～80°S,60°W～0°的區(qū)域生成了歷史上最強(qiáng)之一的低壓系統(tǒng)，最低氣壓為913 hPa。在其北部存在一高壓，兩者共同作用使得威德爾海出現(xiàn)特別強(qiáng)的西風(fēng)異常，通過埃克曼輸送將海冰向東北方向輸送，造成威德爾海西北部的海冰減少，這是威德爾海海冰整體上減少的原因之一。威德爾海海冰的急劇減少出現(xiàn)在12 月，也與氣旋活動(dòng)異常有關(guān)。在12 月11-15 日，有一深厚低壓系統(tǒng)控制該區(qū)域[24]，這在夏季比較罕見[25]。尤其是12 日，低壓系統(tǒng)中心氣壓低于968 hPa，是歷史上能到達(dá)75°S 以南的最強(qiáng)低壓系統(tǒng)之一（總數(shù)的3%）。強(qiáng)氣旋東部的偏北風(fēng)向威德爾海輸送大量暖空氣，有利于海冰減少。從觀測(cè)記錄（再分析資料）來看，相對(duì)于其他年份，2016 年12 月的強(qiáng)氣旋活動(dòng)對(duì)海冰的影響是最強(qiáng)的，主要原因是其他年份中氣旋所影響區(qū)域內(nèi)的海冰已經(jīng)非常少。此外，氣旋活動(dòng)的增加使得威德爾海的開闊海域面積增大，海水吸收到更多的太陽輻射，上層海溫進(jìn)一步增暖，形成正反饋，有利于海冰進(jìn)一步地減少。

3.1.4 大氣季節(jié)內(nèi)振蕩

MJO 是熱帶大氣季節(jié)內(nèi)變率的支配模態(tài)[26-27]，其不僅對(duì)局地天氣、氣候產(chǎn)生重要影響，還可以通過影響熱帶對(duì)流活動(dòng)，并激發(fā)大氣遙相關(guān)波列影響中高緯天氣、氣候。人們很早就注意到MJO 和南半球大氣環(huán)流存在聯(lián)系。在南半球冬季，當(dāng)印度洋MJO 活動(dòng)增強(qiáng)后，60°S 附近的西風(fēng)會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)[28]。所以，MJO 活動(dòng)異常完全有可能通過影響南半球的大氣環(huán)流異常，進(jìn)而影響南極海冰異常[29]。

在2016 年11 月，出現(xiàn)了一次非常強(qiáng)的MJO 事件。MJO 在11 月初處于第5 位相，到11 月中旬位于第8 位相，而在11 月底轉(zhuǎn)變?yōu)榈? 位相。隨著MJO的東傳，其抑制了由印度洋偶極子（IOD）引起的熱帶對(duì)流活動(dòng)異常，因此由IOD 激發(fā)的ZW3 型環(huán)流異常減弱。相應(yīng)地，與ZW3 型環(huán)流有關(guān)的經(jīng)向輸送也減弱了，這為負(fù)位相SAM 的建立提供了基礎(chǔ)[14]。

3.2 海洋的影響

過去的研究表明，熱帶太平洋[30-32]、印度洋[33]和大西洋[34-35]海表溫度異常，均與南極海冰變化有著密切聯(lián)系。在2016 年 9-12 月及之前，熱帶和熱帶外海溫都發(fā)生了顯著異常。首先，2015/2016 年發(fā)生了超級(jí)厄爾尼諾（El Ni?o）事件，其在夏季（2015 年12 月至2016 年2 月）達(dá)到峰值，之后衰減消亡。2016 年7 月之后，出現(xiàn)了中等強(qiáng)度的拉尼娜事件。其次，熱帶印度洋海溫異常在2016 年9-10 月呈現(xiàn)西冷東暖的偶極型分布，為自1980 年以來最強(qiáng)的負(fù)IOD 事件[36]，偶極子指數(shù)(Dipole Mode Index,DMI)在9 月達(dá)到歷史最小值[37]。已有研究認(rèn)為IOD 可能是海冰異常偏少的重要因素。下面將分別闡述。

3.2.1 熱帶海溫

3.2.1.1 厄爾尼諾-南方濤動(dòng)

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）作為熱帶海洋最強(qiáng)的年際信號(hào)，通過大氣橋影響著南極海冰的變化[38-40]。一方面，ENSO 可以在南半球中高緯激發(fā)一個(gè)被稱為太平洋-南美遙相關(guān)型（PSA）的羅斯貝(Rossby)波列[41-42]，該波列具有準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，構(gòu)成該波列的一個(gè)中心位于阿蒙森低壓上空附近[43]，先影響阿蒙森低壓的強(qiáng)度，再通過熱力和動(dòng)力過程改變海冰的分布狀態(tài)。另一方面，ENSO 也可通過改變南大西洋和南太平洋的大尺度經(jīng)圈環(huán)流強(qiáng)度，引起向極的熱量輸送異常，造成海冰的北進(jìn)或南退[44]。此外，ENSO 也可通過影響秘魯寒流等海洋過程，進(jìn)而影響南極海冰分布。

2016 年9-12 月熱帶中東太平洋呈現(xiàn)冷異常，處于拉尼娜的發(fā)展和成熟位相，但南半球高緯的海溫海冰異常并沒有表現(xiàn)出典型拉尼娜發(fā)展年的情形（如1998年和1983 年），而是相反地，呈現(xiàn)類似厄爾尼諾年的南極偶極型分布，即東羅斯海和阿蒙森海海溫偏暖、海冰偏少，別林斯高晉海海溫偏冷、海冰偏多。Stuecker等[12]分析認(rèn)為原因可能有兩個(gè)：其一，2015/2016 年夏季發(fā)生的超強(qiáng)厄爾尼諾對(duì)高緯海溫海冰的影響具有準(zhǔn)靜止、持續(xù)性特征；其二，2016/2017 年夏季發(fā)生的拉尼娜強(qiáng)度偏弱。具體來說，受前期超強(qiáng)厄爾尼諾激發(fā)的正PSA 波列影響，2015/2016 年夏季西南極的偶極型海溫分布可以一直持續(xù)至第二年的11-12 月，海溫-海冰正反饋使得東羅斯海至阿蒙森海的海冰減少持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。由于弱拉尼娜引起的海冰增加分量不足以抵消前期海冰減少的慣性，所以2016 年11-12月海冰異常與同為強(qiáng)厄爾尼諾衰減年的1983 年和1998年相反。Stuecker 等[12]的結(jié)論是基于理想ENSO 循環(huán)強(qiáng)迫試驗(yàn)得到的，還存在一定的不確定性。Purich 和England[45]基于真實(shí)海溫強(qiáng)迫下大氣環(huán)流-平板混合層海洋耦合模式的試驗(yàn)結(jié)果，顯示前期夏季熱帶中東太平洋的暖海溫異常引起的東羅斯海至阿蒙森海的暖異常不能一直維持，而是從2016 年5 月起開始減弱，在9-10 月幾乎消失。因此，前期超強(qiáng)ENSO 事件對(duì)南極海冰的影響是否具有特殊性并不十分清楚，還需要更多的模式模擬來驗(yàn)證。

3.2.1.2 印度洋

熱帶印度洋海溫也是影響南極海冰的重要因子[33]，其影響在2016 年比太平洋更重要[14,45]。觀測(cè)結(jié)果顯示，早春負(fù)位相的IOD，引起了熱帶東印度洋至西太平洋的強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)，然后分別在澳大利亞以西和以東激發(fā)兩支向極地傳播的羅斯貝波列[13-14,45]。平板混合層海洋-大氣耦合模式的模擬結(jié)果表明，熱帶東印度洋的熱源激發(fā)了澳大利亞西側(cè)的波列，而從西太平洋熱源出發(fā)的羅斯貝波列，實(shí)際上是印度洋和太平洋兩大海盆協(xié)同作用造成的[45]。兩支波列到達(dá)極地后合并，調(diào)制了ZW3 環(huán)流異常[13-14]。

11 月之后，受MJO 東傳影響，負(fù)位相IOD 及伴隨的熱帶對(duì)流減弱[14]，印度洋-南極的遙相關(guān)也就隨之減弱。所以，11-12 月印度洋海溫對(duì)海冰的遙影響并不清楚，有待于進(jìn)一步的探討。就像上一節(jié)提到的，11-12 月南極海冰異常偏少的一個(gè)重要原因是負(fù)位相的SAM。盡管SAM 在很大程度上是源自大氣自身內(nèi)部變率，但它也受到熱帶海溫和平流層臭氧異常等外強(qiáng)迫的影響[14,46]。平板耦合模式的試驗(yàn)結(jié)果也表明，印度洋的海溫可能對(duì)春季負(fù)SAM 的發(fā)生起一定作用[45]。

3.2.2 極地上層海洋

熱帶海溫的平板耦合模式試驗(yàn)?zāi)M的海冰異常振幅同觀測(cè)相比明顯偏小，而極地大洋變化可能是引起海冰偏少的因素之一[45]。在春夏季，南極邊緣海海表至向下600 m 深度層，均呈現(xiàn)顯著暖異常，有利于海冰減少[13,47]。從年代際尺度上看，2000 年之后負(fù)位相太平洋年代際振蕩（IPO/PDO）和正位相SAM，有利于形成負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度異常，再通過?？寺槲沟孟聦优戏缓笤斐纱伪韺优Ｋ逊e。在年際尺度上，2016 年春末負(fù)位相SAM 引起向南的?？寺斔?，將中低緯的暖海水輸送至高緯，使得極地海溫偏暖。少海冰與暖海溫的正反饋，使得海冰減少加劇，有利于春季海冰的異常偏少[9]。

3.2.3 冰間湖

冰間湖是指在季節(jié)性海冰覆蓋區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的開闊水域，它在極地海冰氣系統(tǒng)中扮演著重要角色。一方面，它可以通過改變海表反照率，影響進(jìn)入海洋混合層的短波輻射，進(jìn)而改變海洋和海冰之間的熱量平衡。另一方面，冰間湖的形成和閉合過程也影響海水鹽度，進(jìn)而導(dǎo)致海洋層結(jié)和洋流的異常。

自1972 年至今，衛(wèi)星記錄顯示南極地區(qū)最大的冰間湖位于東威德爾海莫得山脈（Maud Rise,MR，66°S，3°E）和宇航員海（Cosmonaut Sea）近海區(qū)[48-49]。受氣旋式渦旋引起的次表層暖鹽水上翻，威德爾海西部異常低壓帶來的西北暖濕氣流，以及海底地形上拱導(dǎo)致的溫躍層抬升等3 方面因素的共同作用[50]，2016-2017 年期間出現(xiàn)大面積的冰間湖。面積范圍為1976 年以來的最大值[51]。具體地，2016 年7 月末冰間湖首次出現(xiàn)，最大面積達(dá)到33 000 km2，持續(xù)21 天后關(guān)閉。后于11 月初再次出現(xiàn)[24]，然后關(guān)閉。2017 年9 月中旬再次出現(xiàn)，至12 月1 日面積達(dá)到最大（約為298 000 km2），持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。

Turner 等[24]的研究認(rèn)為，MR 冰間湖對(duì)2016 年11-12 月的威德爾海海冰異常偏少起了重要作用。一方面，伴隨著初期冰間湖的形成，更多的短波輻射進(jìn)入海洋，混合層加深且溫度升高，有利于海冰減少。另一方面，受威德爾海西部異常低壓影響，異常西北風(fēng)出現(xiàn)在MR 區(qū)域，其帶來的暖濕空氣有利于冰間湖向西向北擴(kuò)展。2016/2017 年夏季威德爾海地區(qū)海洋混合層海水溫度達(dá)到歷史最高值（約0.5℃），冰間湖區(qū)域更是高達(dá)2.5℃。冰間湖的影響也是2017/2018 年春夏季（9-12 月）海冰范圍異常偏小的一個(gè)重要因素[24,50]。

4 總結(jié)和討論

作為地球大氣的重要冷源，南極是全球氣候與環(huán)境變化研究的關(guān)鍵區(qū)。在全球變暖背景下，相對(duì)于北極海冰的快速消融，南極海冰表現(xiàn)出一些獨(dú)特的、復(fù)雜的變化。在2015 年之前，南極海冰表現(xiàn)出小幅的增長(zhǎng)趨勢(shì)，似乎與全球變暖相矛盾。這一“變暖悖論”問題遂成為國(guó)際關(guān)注的熱點(diǎn)。但是，從2015 年開始，南極海冰范圍急劇減小，并在 2016 年11 月跌破同期歷史紀(jì)錄，而且這種異常偏少狀態(tài)一直持續(xù)至2020年底之前。針對(duì)這一異常現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其成因開展了大量的科學(xué)研究，分別探討了大氣環(huán)流、物理海洋和冰間湖異常等諸多因素的影響。本文對(duì)這些成因進(jìn)行了歸納總結(jié)，并形成了概略圖（圖3）。

圖3 導(dǎo)致南極海冰減少的因素Fig.3 Factors lead to the decrease of Antarctic sea ice

從大氣方面看，9-10 月ZW3 引起的北風(fēng)異常有利于同期羅斯海西部、別林斯高晉海、阿蒙森海和威德爾海西部的海冰減少，為隨后11-12 月海冰范圍跌破歷史紀(jì)錄提供了先決條件。在11-12 月，大氣環(huán)流異常表現(xiàn)為負(fù)位相SAM，其中11 月份的SAM 指數(shù)為自1979 年來的第二低值。11-12 月海冰減少是ZW3 減弱和負(fù)位相SAM 建立兩者共同作用的結(jié)果。其中，ZW3 的減弱與MJO 的異?；顒?dòng)有關(guān)，而負(fù)位相SAM 建立則與平流層極渦異常信號(hào)的下傳有關(guān)。負(fù)位相SAM 異常會(huì)引起向南的埃克曼輸送，有利于整個(gè)南極海冰的減少。在11-12 月，氣旋活動(dòng)頻繁是威德爾海海冰減少的重要原因之一，也對(duì)整體南極海冰減少起到了正的貢獻(xiàn)。

在海洋方面，繼前一年夏季發(fā)生的超強(qiáng)厄爾尼諾事件后，出現(xiàn)了中等強(qiáng)度的拉尼娜事件，與其相關(guān)的熱帶對(duì)流活動(dòng)異常通過調(diào)制PSA 遙相關(guān)引起了西南極的偶極型海冰異常，即羅斯海東部和阿蒙森海海冰減少，別林斯高晉海海冰增加。這與歷史上發(fā)生的典型拉尼娜年海冰狀況不太一樣，有觀點(diǎn)認(rèn)為是前期超強(qiáng)厄爾尼諾引起的海溫異常持續(xù)導(dǎo)致，同時(shí)后期中等強(qiáng)度的拉尼娜影響偏弱。但是，其結(jié)果是基于理想的ENSO 循環(huán)強(qiáng)迫試驗(yàn)得到，而實(shí)際海溫異常強(qiáng)迫平板海洋耦合模式的試驗(yàn)表明前期厄爾尼諾作用并不重要。因此，這一結(jié)論還需要更多的大氣環(huán)流模式和海氣耦合模式模擬來進(jìn)一步地驗(yàn)證。除了熱帶太平洋外，熱帶印度洋在2016 年春季出現(xiàn)非常強(qiáng)的負(fù)位相IOD，且IOD 為自1980 年以來的最強(qiáng)負(fù)位相事件，與IOD 相關(guān)的熱帶對(duì)流活動(dòng)異常能夠在南半球高緯強(qiáng)迫出類似ZW3 型的環(huán)流異常。除了熱帶海洋，極地海洋的海溫也較常年偏暖，在2016 年春季，從海表至600 m 深度均呈現(xiàn)暖異常。此外，在2016 年夏季，還出現(xiàn)了大面積的冰間湖，并且是1976 年以來最大的一次。它能夠通過海冰-反照率的正反饋機(jī)制維持并擴(kuò)大，是導(dǎo)致2016 年夏季威德爾海冰減少的重要因素之一。

綜上所述，前人的研究提供了多方面、多角度的解釋，但是依然有一些問題并不十分清楚。例如，動(dòng)力和熱力作用對(duì)此次海冰減少的相對(duì)重要性還不清楚。Wang 等[52]的研究表明，大氣對(duì)海冰的動(dòng)力作用遠(yuǎn)大于熱力作用。Matear 等[53]在研究南極海冰最近30 多年的增加時(shí)，模擬結(jié)果也顯示動(dòng)力作用是主要的。而Kusahara 等[19]的研究卻認(rèn)為，大氣的熱力作用更重要。要解決這一爭(zhēng)議，還需要用更多的模式模擬來驗(yàn)證，并深入分析其中的物理過程，這對(duì)于理解ZW3 和SAM 異常對(duì)海冰的影響也非常重要。

另外一個(gè)值得注意的是，不同時(shí)間尺度過程的相對(duì)貢獻(xiàn)和相互作用尚不清楚。弄清這個(gè)問題對(duì)認(rèn)識(shí)2016 年海冰減少到底是正常的年際波動(dòng)還是年代際尺度的轉(zhuǎn)折信號(hào)很關(guān)鍵。從長(zhǎng)期趨勢(shì)來看，盡管1998-2012 年期間出現(xiàn)了全球變暖減緩，但依然處在增暖的狀態(tài)下[54-55]。在年代際至多年代際時(shí)間尺度上，2013 年前后IPO 發(fā)生了位相轉(zhuǎn)換，由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相，全球又回到了快速增暖的狀態(tài)[32,56-57]。在年際時(shí)間尺度上，熱帶太平洋依次發(fā)生了2014/2015 年厄爾尼諾，2015/2016 年超強(qiáng)厄爾尼諾，2016-2018 年超長(zhǎng)拉尼娜[58-59]。這些不同尺度的過程使得認(rèn)識(shí)2016年末南極海冰異常跌破歷史紀(jì)錄這一問題，變得尤為復(fù)雜。定量區(qū)分長(zhǎng)期趨勢(shì)、年代際至多年代際以及年際時(shí)間尺度物理信號(hào)的相對(duì)貢獻(xiàn)率，無疑很關(guān)鍵，但這方面的研究尚缺乏。

回答不同時(shí)間尺度過程的貢獻(xiàn)問題，也有助于我們厘清海冰減少是氣候系統(tǒng)內(nèi)部的自然變率還是外部強(qiáng)迫導(dǎo)致的這一疑問。如果是前者，那么2016 年海冰的急劇減少是正常的年際波動(dòng)；如果是后者，那么它可能是年代際尺度或長(zhǎng)期趨勢(shì)的突變。當(dāng)前研究探討的影響因素都是氣候系統(tǒng)內(nèi)部的異常，事實(shí)上，這些影響因素可能與外部強(qiáng)迫有關(guān)。例如，SAM的負(fù)位相異?？赡芘c南極臭氧的恢復(fù)引起的平流層增暖有關(guān)[14]。極地海洋次表層海溫的上升與IPO 有關(guān)，而IPO 又與人類活動(dòng)有關(guān)[60]。2016 年9-10 月的負(fù)IOD 可以歸因于前期南半球秋冬季的熱帶印度洋暖異常[61]，而印度洋暖異常又可能與人類強(qiáng)迫引起的長(zhǎng)期趨勢(shì)有關(guān)[14]。不過，外部強(qiáng)迫在定量上有多大貢獻(xiàn)并不清楚。尤其是，南極海冰范圍異常在2016 年跌破歷史紀(jì)錄后，緩慢向正常狀態(tài)恢復(fù)，并在2020 年底轉(zhuǎn)變?yōu)檩^常年偏多的狀態(tài)（圖1）。而基于當(dāng)前的研究成果，無法判斷2020 年之后海冰恢復(fù)是否終止?？偟膩碇v，我們對(duì)南極海冰變化的認(rèn)識(shí)并不完全清楚。未來需要進(jìn)一步地從觀測(cè)和模擬兩方面加強(qiáng)研究，才能更好地預(yù)測(cè)南極海冰的未來變化，同時(shí)為改進(jìn)CMIP 歷史試驗(yàn)?zāi)M提供新的認(rèn)識(shí)。