北極快速增暖背景下冰凍圈變化及其影響研究綜述

蔡子怡， 游慶龍，2， 陳德亮， 張若楠， 陳金雷， 康世昌，5

（1.復(fù)旦大學(xué) 大氣與海洋科學(xué)系，上海 200438；2.中國氣象局-復(fù)旦大學(xué) 海洋氣象災(zāi)害聯(lián)合實驗室，上海 200438；3.瑞典哥德堡大學(xué) 地球科學(xué)系，瑞典哥德堡 40530；4.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

北極范圍的界定地理上通常指北極圈（66°34′N）以北的海陸區(qū)域，總面積約2 100×104km2［1］，是冰凍圈集中分布區(qū)。北極冰凍圈主要要素包括格陵蘭冰蓋、冰川、海冰（多年冰、一年冰和陸地固定冰）、積雪和凍土（陸地多年凍土、海底多年凍土和季節(jié)凍土）等［1］（圖1）。由于冰凍圈對氣候的高度敏感性和重要反饋作用，北極成為全球變化最快速、最顯著、最具指示性的區(qū)域之一［2］。根據(jù)IPCC第五次評估報告，1880—2012年全球近地表平均氣溫大約升高了0.85℃［3］，而北極升溫速率是全球平均水平的2～3倍，被稱為“北極放大”現(xiàn)象［2，4］。與此同時，北極還經(jīng)歷著海冰退縮［5-6］、冰蓋物質(zhì)損失［7-8］、多年凍土退化［9］等過程。北極氣候系統(tǒng)的快速變化，不僅對北極陸地和海洋環(huán)境產(chǎn)生影響，改變北極的生態(tài)平衡，也影響到北半球乃至全球天氣氣候，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展［10］。

圖1 北極氣候系統(tǒng)示意圖（海冰數(shù)據(jù)來自美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心，土地利用分類數(shù)據(jù)來自Globeland30 2020版）Fig.1 Schematic diagram of the Arctic climate system（Sea ice data comes from the National Snow and Ice Data Center（NSIDC），and land use classification datacomes from Globeland30 2020）

自21世紀(jì)以來，北半球中緯度地區(qū)極端天氣氣候事件增多增強，冬季寒潮和夏季熱浪加劇［4，11-13］、強降水/降雪事件增多［14-15］，與北極氣候系統(tǒng)變化存在顯著聯(lián)系。了解北極氣候變化過程及機制，預(yù)估其未來變化，是當(dāng)前氣候系統(tǒng)研究的重要方向。作為“近北極國家”，北極變化對我國的氣候系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境有直接或間接影響［16-17］。同時，北極航道的開通對我國“一帶一路”建設(shè)具有重要作用［18］。

以往大量研究關(guān)注了北極過去、現(xiàn)在和未來的氣候變化特征及其影響［19-20］，但許多研究結(jié)果還存在爭議［21-24］。比如北極觀測資料仍然缺乏，模式模擬和影響機制仍然存在很大不確定性［25-27］。北極增暖的物理機制可以歸納為局地反饋（冰雪反照率反饋、大氣溫度反饋、云和水汽的反饋等）和大尺度環(huán)流強迫（大氣環(huán)流和海洋環(huán)流）［21］，但各個反饋機制的相對貢獻仍不清楚［21］；此外，北極對中緯度地區(qū)影響的物理過程和強度也存在很大爭議［23，27］。本文僅針對北極快速增暖背景下冰凍圈變化特征及其影響進行綜述，主要包括過去、現(xiàn)在和未來北極增暖以及冰凍圈變化特征，從北極區(qū)域影響和對中緯度極端天氣氣候事件影響兩方面來總結(jié)北極冰凍圈變化所帶來的影響，并且討論目前還存在的爭議及未來展望。

1 近幾十年北極增暖背景下冰凍圈變化特征

觀測和再分析數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，北極的近地表氣溫在快速升高，尤其是從20世紀(jì)80年代起，增暖速率明顯增加［2，28-33］（表1）。根據(jù)1880—2017年期間觀測的全球氣溫（HadCRUT4.6），整個北極的升溫速率從19世紀(jì)90年代初的0.14℃·（10a）-1增大到21世紀(jì)10年代的0.21℃·（10a）-1［29］。北冰洋沿岸441個觀測站點數(shù)據(jù)顯示，1901—2008年全年升溫速率為0.12℃·（10a）-1，而1979—2008年的升溫速率升高到0.64℃·（10a）-1［28］。北極增暖在冷季（秋季和冬季）最為顯著，根據(jù)6種再分析資料（20CRv2c、CERA-20C、ERA-Interim、MERRA-2、NCEP-CFSRR和JRA-55）結(jié)果，相對于1951—1990年，1996—2015年北極平均近地表氣溫在全年、秋季、冬季和春季分別增加了1.6℃、1.9℃、1.7℃和0.9℃［31］?？臻g上主要增暖區(qū)位于歐亞大陸北冰洋沿岸的巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海以及波弗特海，但在歐亞大陸和北美大陸的高緯度地區(qū)全年增暖相對緩慢［34］。最新的ERA5再分析資料結(jié)果顯示，1979—2020年北極全年增溫趨勢為0.72℃·（10a）-1，增溫速率遠大于全球和北半球平均值。在垂直方向上，大多數(shù)季節(jié)的北極增暖都延伸到對流層上層，在地表附近最為明顯，第二個大值中心在對流層上層-平流層底層。經(jīng)向氣溫梯度隨著高度增加而降低，冬季和秋季最強，夏季強度較弱［2］。在平流層，氣溫有明顯的降低趨勢，這與對流層的增暖趨勢完全相反，可能與對流層頂二氧化碳增多導(dǎo)致的長波輻射冷卻以及臭氧空洞有關(guān)［35-36］。

表1 北極增暖研究匯總［37］Table 1 Summary of Arctic warming research［37］

北極增暖的同時，大氣邊界層含水量和空氣濕度也相應(yīng)增加［24］，1961年以來降水總體呈現(xiàn)增加趨勢［39］。降水形態(tài)變化受到廣泛關(guān)注，降雪影響地表反照率從而影響北極氣溫，而降雨將熱量帶到北極下墊面中并改變雪的物理性質(zhì)，影響冰雪消融［40］。20世紀(jì)90年代以來，北冰洋和加拿大群島夏季積雪減少的主要原因被認(rèn)為是降水形態(tài)的改變［41］，意味著隨著北極增暖，降雪/降雨比例正在發(fā)生變化［42］，降雪逐漸向降雨轉(zhuǎn)變，凍雨、雪上雨事件增加［41，43-44］，這與北極對流層氣溫的升高趨勢非常一致。在這種快速升溫背景下，北極冰凍圈發(fā)生了劇烈變化，下文從海冰、冰蓋和冰川、多年凍土和積雪分別進行介紹。

1.1 海冰變化

海冰是北極冰凍圈廣泛分布的要素之一。自1979年有衛(wèi)星監(jiān)測以來，多次記錄到創(chuàng)紀(jì)錄的海冰范圍低值［45-47］。2020年北極報告指出［34］，1979—2020年9月北極平均海冰范圍變化速率為-8.27×104km2·（10a）-1，3月變化速率為-4.04×104km2·（10a）-1。其中3月海冰范圍減少以喀拉海和巴倫支海最為顯著，9月海冰范圍減少大值區(qū)位于楚科奇海、東西伯利亞海，一直向西至拉普捷夫海、喀拉海和巴倫支海［48］（圖2）。同時，1975—2012年北冰洋中心區(qū)平均海冰厚度從3.6 m減少到1.3 m［49］。2010—2017年CS-2反演的海冰厚度在結(jié)冰期減小速率約為0.3 m·（10a）-1［50］。海冰體積總體也呈下降趨勢，2003—2018年冬季和秋季海冰體積損失速率分別為2 870 km3·（10a）-1和5 130 km3·（10a）-1［45］。此外，海冰正在從多年冰向季節(jié)冰轉(zhuǎn)變［51］，多年冰向季節(jié)冰轉(zhuǎn)變使得開闊水域增加，在80°N以北區(qū)域，融池的形成已有變早的趨勢［52］，這使得下墊面吸收的太陽熱量比以往多，加劇了極低海冰范圍出現(xiàn)的可能性。盡管在年代際尺度上海冰范圍、厚度、年齡都在減少，但海冰變化還存在較大年際差異，2010—2017年在北極盆地中部以及加拿大群島附近發(fā)現(xiàn)了海冰厚度以及多年冰增加的趨勢［50］。

圖2 1979—2020年北極海冰變化趨勢Fig.2 Trends of Arctic sea ice during 1979—2020：time series of the average sea ice extent in September/March for 1979—2020（The figuresare from NSIDC）（a/c），and maps of linear trends of sea ice concentration in the Arctic for 1982—2017 in September/March［10］（b/d）

1.2 冰蓋和冰川變化

格陵蘭冰蓋是地球第二大冰蓋，占全球陸地面積的1.2%。根據(jù)IPCC最新報告，格陵蘭冰蓋完全消融將導(dǎo)致全球海平面上升7.36 m［10］。由于表面物質(zhì)平衡減小和冰流量的增加，格陵蘭冰蓋的物質(zhì)損失持續(xù)加速。1983—2003年物質(zhì)損失速率為（73.8±40.5）Gt·a-1［10］（1 Gt=109t），而2002—2019年為（267±3）Gt·a-1，相當(dāng)于全球平均海平面上升速率為0.7 mm·a-1［51］。2019年創(chuàng)紀(jì)錄的冰蓋融化相當(dāng)于全球海平面上升約1.5 mm［34］，其中表面融化和地表徑流增加導(dǎo)致的表面物質(zhì)平衡減小是格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失的主要原因［10］。

在格陵蘭島以外的北極地區(qū)，當(dāng)前冰川物質(zhì)損失速率比過去4 000年任何時候都要快，2002—2019年期間冰川總體物質(zhì)損失為（164±23.8）Gt·a-1，相當(dāng)于全球平均海平面上升速率為0.4 mm·a-1［34］。在此期間冰川物質(zhì)損失存在區(qū)域差異（圖3），阿拉斯加和加拿大北極地區(qū)物質(zhì)損失最大，分別為（66±10）Gt·a-1和（63±8.2）Gt·a-1，其次為俄羅斯北極地區(qū)（14±3.2）Gt·a-1、斯瓦爾巴群島（12±0.6）Gt·a-1，冰島為（9±1.8）Gt·a-1，而挪威地區(qū)冰川變化趨勢不大［34］。

圖3 北極冰蓋和冰川物質(zhì)平衡變化［53］Fig.3 Greenland Ice Sheet and glaciers mass balance changes in the Arctic［53］

1.3 積雪和多年凍土變化

積雪和多年凍土直接影響北極地表能量平衡和水分平衡。從長期趨勢來看，北極陸地積雪范圍呈減小趨勢，其中1981—2020年間下降趨勢最為顯著，5月和6月北極積雪范圍的變化速率為（-3.7±2.0）%·（10a）-1和（-15.5±6.1）%·（10a）-1，下降趨勢在歐亞北極和北美北極均較為顯著［34］。積雪與氣溫關(guān)系密切，春季氣溫每升高1℃，積雪覆蓋面積將減少約80×104km2［10］。積雪范圍的變化還與積雪深度密切相關(guān)，總體來說較厚雪層（≥35 cm）覆蓋范圍在縮小，而淺雪（＜35 cm）的覆蓋范圍在擴張，這在北美北極地區(qū)更為顯著［54］。就積雪深度而言，北極大部分地區(qū)均呈減少趨勢但存在區(qū)域差異，積雪深度往往在較為溫暖的沿海地區(qū)（如阿拉斯加、斯堪的納維亞、俄羅斯東歐地區(qū)和波羅的海等）減少幅度更大［55］。此外，積雪日數(shù)也呈減少趨勢。積雪日數(shù)與融雪開始時間和融化持續(xù)時間相關(guān)，歐亞北極地區(qū)1979—2011年融雪開始時間以2～3 d·（10a）-1的速率提前，而在北美北極地區(qū)變化不大［56］。

北極地區(qū)多年凍土溫度顯著升高，多年凍土范圍萎縮，活動層厚度增加［57］。根據(jù)站點監(jiān)測數(shù)據(jù)，2007—2016年間，北極多年凍土溫度上升的速率為（0.4±0.2）℃·（10a）-1［10］。2001—2017年泛北極地區(qū)約有78.4%的多年凍土區(qū)域活動層厚度呈增加趨勢，但存在較大空間異質(zhì)性，在加拿大西北部和俄羅斯中西伯利亞高原中部地區(qū)增長速率最明顯，達到0.5～1 mm·a-1；而在加拿大的哈得孫灣沿岸、拉布拉多高原，俄羅斯的東西伯利亞北部和中西伯利亞北部、貝加爾湖以東區(qū)域則以減少為主［58］。

2 未來冰凍圈變化預(yù)估

第五/六次國際耦合模式比較計劃（CMIP5/CMIP6）的多模式結(jié)果顯示，未來北極還將繼續(xù)增溫增濕［3，26，59-60］。與1986—2005年的平均狀態(tài)相比，到21世紀(jì)末，在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5三種排放情景下（SSP為共享社會經(jīng)濟路徑），北極平均增溫分別為3℃、5℃和10℃左右，增溫幅度遠大于全球和北半球平均值（圖4）。增溫在冷季（12月至次年2月）最強，區(qū)域上以巴倫支?！Ｗ顬轱@著，北大西洋的亞極地地區(qū)增溫幅度相對較小。在夏季，北極陸地區(qū)域的增溫幅度大于海洋區(qū)域，冬季則反之（圖5）。同時，三種情景下未來降水量也有所增加，在SSP5-8.5情景下，未來近期（2021—2040年）、中期（2041—2060年）和遠期（2081—2100年）降水相比1986—2005年分別增加12.6%、22.0%和49.7%。降水增加高值區(qū)在楚科奇?！獤|西伯利亞?！战莘蚝！！蛡愔ШＲ粠В▓D5）。降水量變化的空間格局與近地表氣溫有較好的一致性，表明熱力效應(yīng)比動力效應(yīng)對于降水的變化更重要。除了降水量的增加，降水的持續(xù)時間和雨雪比例也在增加［59］，這也導(dǎo)致了未來積雪天數(shù)的減少，預(yù)計RCP8.5情景下到21世紀(jì)中葉積雪天數(shù)將減少10%～20%［1］。

圖4 1979—2020年全球/北半球/北極平均近地表氣溫距平時間序列（ERA5）（a）及1986—2100年全球/北半球/北極平均近地表氣溫在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下相比于1986—2005年平均值增溫（22個CMIP6模式集合平均結(jié)果）［37］（b～d）（**表示在95%置信水平下顯著）Fig.4 Time series and trends of Arctic，Northern Hemisphere and global near-surface mean air temperature anomaliesduring 1979—2020 relative to the whole period mean（ERA5）（a），and time series of Arctic，Northern Hemisphere and global near-surface mean air temperature during 1986—2100 relative to the period 1986—2005 from the multi-model ensemble mean（MMEM）of the 22 CMIP6 models under the three Shared Socioeconomic Pathways（SSPs）：SSP1-2.6，SSP2-4.5 and SSP5-8.5［37］（b～d）（Symbols**are significant at the 95%confidence level）

圖5 與歷史時期（1986—2005年）相比，近期（2021—2040年）、中期（2041—2060年）和遠期（2081—2100年）北極年平均近地表氣溫變化（℃）與年降水量變化（%）的空間分布（根據(jù)22個CMIP6模式在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的集合平均結(jié)果計算［38］）Fig.5 Spatial patternsof near-surfacemean air temperature and precipitation changesin the Arctic in thenear-term（2021—2040），mid-term（2041—2060）and long-term（2081—2100）relative to the reference period（1986—2005）（The projections were obtained from the multi-model ensemble mean of the 22 CMIP6 models under the SSP1-2.6，SSP2-4.5 and SSP5-8.5 scenarios［38］）

在增溫增濕的背景下，未來北極海冰退縮加?。?1］，季節(jié)性海冰變得更薄，并且更加具有移動性［6，26，59］。如果全球變暖超過工業(yè)化前2℃，北冰洋夏季無冰現(xiàn)象可能5年發(fā)生一次［62］，在SSP5-8.5情景下，預(yù)計在2050年之前，北極將完全達到夏季無冰狀態(tài)［61］。同時，冰蓋和冰川物質(zhì)損失進一步加劇［63-64］，根據(jù)CMIP5模式預(yù)估結(jié)果，格陵蘭冰蓋在RCP4.5和RCP8.5情景下，21世紀(jì)末表面物質(zhì)平衡分別為（-5±80）Gt·a-1和（-313±102）Gt·a-1［64］。到2100年，格陵蘭冰蓋對全球平均海平面上升的貢獻在所有CMIP5模式和情景下的范圍為1.4～16.6 cm［10］。在RCP8.5情景下，到21世紀(jì)末冰川物質(zhì)損失超過70%的地區(qū)有阿拉斯加（89±2）%、斯堪的納維亞（98±3）%和俄羅斯北極地區(qū)（79±10）%，格陵蘭和加拿大北極地區(qū)分別為（31±5）%和（47±3）%［63］。除此之外，北極陸地積雪期在21世紀(jì)末減少15%～25%（RCP8.5）［10］。多年凍土持續(xù)融化，預(yù)計到2100年，在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下分別損失2%～66%、15%～87%、30%～99%［10］。作為巨大的碳儲存庫，在高排放情景下預(yù)計到21世紀(jì)末，多年凍土融化的潛在碳釋放量將達到（92±17）Pg。最新研究顯示在RCP4.5情景下，20%的多年凍土?xí)焖俳鈨?，這會使北極多年凍土的碳排放量比先前增加1倍［65］。

3 北極冰凍圈變化的影響

3.1 對北極區(qū)域的影響

在快速增暖的背景下，冰凍圈相關(guān)的物質(zhì)輸送和能量調(diào)節(jié)發(fā)生劇烈變化，對其他圈層（大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈）產(chǎn)生深遠影響（圖6）。

圖6 北極冰凍圈變化及其影響示意圖［37］Fig.6 Schematic diagram of changes and impacts of the Arctic cryosphere［37］

北極冰凍圈變化通過影響北極的能量平衡影響大氣，另外冰凍圈中儲存的碳釋放到大氣中將進一步加劇北極增暖。海冰和冰蓋的融化會使表面反照率降低，吸收的太陽短波輻射增加從而導(dǎo)致氣溫升高，進一步使邊界層穩(wěn)定性減弱、逆溫層減弱，大氣厚度增加，對流層低層氣壓升高，更有利于北極濤動/北大西洋濤動（AO/NAO）負(fù)位相的出現(xiàn)［24］。需要指出的是，大氣對海冰的響應(yīng)在大西洋和太平洋扇區(qū)截然不同，大西洋扇區(qū)大氣響應(yīng)主要為直接的負(fù)位相響應(yīng)，而在太平洋扇區(qū)大氣響應(yīng)主要為正位相響應(yīng)［24］。其中，秋冬季北極海冰尤其是巴倫支?！５暮１鶞p少，會引起局地湍流熱通量增加，激發(fā)瞬變的、局地的、直接的大氣響應(yīng)，改變大氣的斜壓性以及行星波，同時通過對流層-平流層相互作用導(dǎo)致平流層極渦減弱，造成AO/NAO負(fù)位相［4，66］。多年凍土是巨大的碳儲存庫，前文提到多年凍土融化會釋放大量的碳，這會在一定程度上加劇溫室效應(yīng)［67］。

北極海冰和格陵蘭冰蓋融化對海洋的主要影響包括導(dǎo)致海平面上升、增加海洋淡水和改變溫鹽平衡［10］。以海冰為例，海冰的鹽度只有0.6%～6%，因此海冰的凍融過程直接決定海表的鹽度，對水體的密度和分層起著關(guān)鍵作用［68］。此外，北極海冰會在穿極漂流的作用下向極區(qū)外漂移，海冰融化導(dǎo)致更多淡水輸入到海洋，使大洋表層尤其是北大西洋表層水密度和深層對流減弱［69-70］。北極陸地積雪融化會通過河流輸送大量淡水到北冰洋，目前每年通過河流輸入北冰洋的淡水徑流達5 300 km3，這也是北極最大的淡水來源［68］。在北極增暖背景下，多年凍土的水文效應(yīng)也日益顯著，但目前對于多年凍土影響的定量研究還較少。

北極冰凍圈變化對巖石圈的影響主要在于加劇了海岸地區(qū)的侵蝕和破壞。由于北極沿岸多年凍土區(qū)都是含冰量較高的沉積低地，對氣候變化極為敏感［71］。隨著海冰的融化，海浪對海岸的沖擊作用加劇，加之北極增暖背景下沿岸多年凍土的退縮，北冰洋沿岸的地表穩(wěn)定性下降，海岸侵蝕作用增強。相關(guān)研究指出，環(huán)北極地區(qū)每年因海岸侵蝕而損失的土地面積約51 km2［72］。

除了上述影響，北極冰凍圈變化還將通過改變北極陸地土壤的水熱和養(yǎng)分循環(huán)以及海洋的物理特性（如透光性、溫度和咸度）和物理過程（如海氣交換），影響陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)［73-75］。氣溫的升高以及積雪、多年凍土和冰川的融化導(dǎo)致北極陸地植被生長季延長，有利于北極植被生長［1］。最近的研究發(fā)現(xiàn)北極有變綠的趨勢［76］，這導(dǎo)致地表反照率降低，進而對土壤升溫和植被生長產(chǎn)生正反饋［77-78］。隨著冰凍圈退縮，海洋溫度、光照條件和營養(yǎng)水平的變化，一些浮游植物和藻類的生活習(xí)性發(fā)生改變［79］，海洋上層和海洋底棲生物有向極地遷移的趨勢［75］。同時，一些哺乳動物的棲息地遭到破壞，魚類和貝類種類的豐度下降［80-81］，這導(dǎo)致北極食物鏈結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生改變［75］。除此之外，海冰范圍的減小有利于北極航道的開通，尤其是東北航道的適航性明顯提高［82-84］。據(jù)研究1979—2005年常規(guī)船舶9月在東北航道的適航率為40%或更低，2006—2015年提高到61%～75%，預(yù)估2040—2059年有望提高到94%～98%［82］，這大大促進了人類在北極的活動。

3.2 海冰減少對中緯度地區(qū)極端天氣氣候事件的影響

北極是影響北半球中緯度天氣氣候的關(guān)鍵區(qū)域之一，隨著北極海冰減少和增暖的加劇，北極與中低緯度之間的聯(lián)系加強，通過大氣動力和熱力過程影響中緯度地區(qū)極端天氣、氣候事件的發(fā)生頻率、持續(xù)時間和強度［4，23，85-86］。近幾十年北極增暖與中緯度地區(qū)冬季變冷趨勢同時出現(xiàn)，被稱為“暖北極-冷大陸型”，目前的研究表明北極不同區(qū)域的海冰異常可以促使中緯度地區(qū)產(chǎn)生不同區(qū)域性響應(yīng)［4，23，87］。其中中緯度地區(qū)的變冷以歐亞大陸最為明顯，伴隨西伯利亞高壓增強，因此又被稱為“暖北極-冷西伯利亞型”［88］。這一現(xiàn)象可歸因于前期秋季巴倫支?！５暮１诨瘜?dǎo)致的海洋熱通量增加，低層大氣異常增暖，從而引起斜壓波活動增加和羅斯貝波振幅加大，促進了阻塞的發(fā)展和寒潮爆發(fā)［4，88-91］。此外楚科奇?！獤|西伯利亞海海冰異常和增暖主要影響北美大陸冬季嚴(yán)寒，加拿大北極群島—巴芬灣—格陵蘭島海冰異常和增暖促進歐洲、西伯利亞及北美東部（程度較輕）冬季寒潮的爆發(fā)［23，91］。關(guān)于其中的機制，前人研究將連接北極與中緯度冬季天氣氣候的大氣動力途徑總結(jié)為三種：風(fēng)暴軸、急流和行星波［4］（圖7）。首先，AO/NAO相位變化將影響風(fēng)暴軸。AO/NAO偏向于負(fù)位相時，引起風(fēng)暴軸向赤道方向移動［4］，導(dǎo)致冬季歐亞大陸和北美東部的嚴(yán)寒，而北極地區(qū)相對較暖［46］。極地急流是聯(lián)系北極變化與中高緯度極端天氣的另一重要途徑。北極增暖導(dǎo)致經(jīng)向溫度梯度減小，通過熱成風(fēng)原理造成對流層上層西風(fēng)減弱，經(jīng)向環(huán)流增強，增加中緯度阻塞高壓發(fā)生發(fā)展的可能性，導(dǎo)致天氣系統(tǒng)緩慢東移甚至變成準(zhǔn)定常狀態(tài)，中緯度天氣系統(tǒng)持續(xù)時間更長［92］。同時北極增暖使得極地大氣層增厚，氣壓脊向北延伸，氣流南北振幅增大，從而導(dǎo)致歐亞大陸極端低溫和美國東部極端暴雪等天氣事件頻發(fā)［24，93］。第三種途徑是歐亞大陸大尺度行星波的變異。海冰減少會通過影響歐亞大陸積雪從而影響高緯行星波結(jié)構(gòu)［4］。北冰洋濕度增加導(dǎo)致歐亞大陸秋季積雪增多［94］，由于積雪的隔熱效應(yīng)和反照率反饋作用，歐亞大陸北部地區(qū)形成異常高壓，導(dǎo)致大西洋地區(qū)的AO/NAO相位為負(fù)，中緯度極端氣候事件加劇［24，95］。除了冬季，北極氣候變化對中緯度天氣的影響在夏季也有表現(xiàn)，夏季向極溫度梯度的減弱有利于中緯度地區(qū)極端高溫事件的發(fā)生［96］。前人總結(jié)了北極放大與夏季中緯度天氣氣候聯(lián)系的幾種機制，包括風(fēng)暴軸的減弱、中緯度急流緯向位置的移動和全球波列振幅的加大［96］，與前述冬季的幾種機制相對應(yīng)。

圖7 北極冰凍圈變化影響中緯度天氣氣候的三種主要大氣動力途徑：風(fēng)暴軸、急流和行星波［4］Fig.7 Three major dynamical features for Arctic cryosphere changes influencing Northern Hemisphere mid-latitude weather：storm tracks，jet stream，and planetary wave［4］

盡管北極增暖與中緯度低溫的聯(lián)系在觀測結(jié)果中得到了廣泛的證明［4，97］，但近幾年，對該觀點的質(zhì)疑增加［23］。爭議主要集中在以下兩方面：北極變化是否影響中緯度天氣氣候，以及近20年來冬季中緯度低溫受什么影響。最近的研究指出，20世紀(jì)80年代末到21世紀(jì)10年代初北極與中緯度相關(guān)氣候要素的短期變化趨勢確實能夠反映北極變化與中緯度地區(qū)寒冬的聯(lián)系，但從長期趨勢來看，北極海冰的減少和北極增暖在持續(xù)，1989—2012年中緯度地區(qū)的寒冷天氣明顯增多，但在2012年之后中緯度地區(qū)的寒冷天氣總體呈下降趨勢［22］（圖8）。這說明面對長期且型態(tài)相似的北極少冰趨勢，其與中緯度的聯(lián)系逐漸減弱，中緯度大氣環(huán)流和氣溫的響應(yīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的物理機制也可能發(fā)生了改變。另外，簡單的統(tǒng)計聯(lián)系并不能證明因果聯(lián)系，需要利用數(shù)值模式進行模擬驗證，而數(shù)值模擬結(jié)果反映出的中緯度大氣環(huán)流和氣溫對北極變化的響應(yīng)比觀測結(jié)果要弱得多［23，89，98-99］。許多模式研究結(jié)果也并不一致，這種不一致性可能源于大氣環(huán)流模式與耦合模式之間的差異、不同模式之間的差異以及模式設(shè)計方案的差異。除了外強迫因子，大氣內(nèi)部變率也是影響中緯度低溫的重要因子，近些年越來越多的研究支持大氣內(nèi)部變率主導(dǎo)中緯度變化這個觀點［100-101］，說明北極與中緯度聯(lián)系愈加復(fù)雜。

圖8 1979—2019年海冰變化及其對中緯度地區(qū)造成的可能影響的相關(guān)指標(biāo)時間序列（1988—2011年以灰色陰影突出顯示）［22］（海冰范圍和北極放大指數(shù)是秋季和冬季的平均值，其他指數(shù)均為冬季平均值；粗線表示在95%置信水平下顯著）Fig.8 Time series of relevant indicatorsof sea ice changes and its possible impact on mid-latitude from 1979 to 2019（Theperiod of 1988—2011 is highlighted by gray shading）［22］（Sea ice extent and Arctic amplification indices are averages for autumn and winter，whereas all other indices are for winter；The trends of thicker lines are significant at the 95%confidence level）

4 研究展望

4.1 提高北極地區(qū)監(jiān)測能力，發(fā)展高性能耦合模式

可靠的資料是研究北極氣候系統(tǒng)變化趨勢及其機制的基礎(chǔ)，觀測資料的缺乏是目前北極研究中比較大的問題。雖然一些研究已經(jīng)通過插值和其他統(tǒng)計方法填補了北極觀測數(shù)據(jù)的空白［102-103］，但插值質(zhì)量以及分辨率還有待進一步提高。隨著數(shù)值模式的發(fā)展，氣候模式已經(jīng)成為了解北極氣候變化及其影響的主要工具之一。然而，根據(jù)對CMIP3到CMIP6模式在北極模擬能力的評估，模式在對北極氣溫、海冰、云和輻射等方面的模擬上仍然存在較大偏差［26，38，45，104-109］。除了對這些要素和指標(biāo)上的刻畫不足，模式在冰氣耦合的模擬上也存在不一致性，其來源主要包括模式對海冰的范圍和厚度，開放水域狀態(tài)和平流層-對流層耦合模擬的差異，以及模式在海洋和大氣背景狀態(tài)和參數(shù)化方案的不同［27，110］?？紤]到北極影響中緯度機制中有對流層-平流層耦合機制，大多數(shù)低頂模式不能很好地刻畫平流層過程，往往導(dǎo)致平流層極渦減弱被高估，而高頂以及高分辨率模式能夠較好反映對流層-平流層相互作用，從而能夠再現(xiàn)觀測中的中緯度低溫［111］。因此在未來的研究中，一方面需要加強對北極的監(jiān)測能力，綜合海-陸-空監(jiān)測，形成更密更完整的監(jiān)測網(wǎng)。另一方面要加強使用高頂、高分辨率、高性能的耦合模式，增強模式在北極多圈層相互作用的模擬能力，并進行多模式多集合分析，提高對各個氣候要素模擬的準(zhǔn)確性，進而提高未來預(yù)估的可靠性。

4.2 深化北極增暖機理及對冰凍圈變化影響研究

在北極快速增暖背景下，北極冰凍圈各要素發(fā)生劇烈變化，而冰凍圈變化也會產(chǎn)生各種反饋進一步作用于北極增暖，理解北極增暖機理是掌握冰凍圈變化規(guī)律及其原因的基礎(chǔ)。北極增暖機理目前總體上包括局地反饋（冰雪反照率反饋、普朗克反饋、溫度遞減率反饋、云和水汽反饋、植被-大氣-海冰反饋等）以及海洋和大氣向極熱量和水汽輸送［21，24，78］。盡管這些反饋過程都已被證實在北極氣候變化中存在一定作用，但一些機制以及每種因素的相對貢獻尚存爭議，表2列出了目前對于各個反饋相對貢獻的一些觀點。此外，最近的一些研究開始從定量角度對各個反饋的貢獻進行定量分析［112-113］，也產(chǎn)生了不一致的結(jié)論。如Goosse等［112］通過定量手段認(rèn)為海冰反照率反饋和大氣溫度反饋是影響北極增暖的最主要因素，而Boeke等［106］認(rèn)為隨著北極向下長波輻射的增多，云-向下長波輻射反饋是導(dǎo)致北極增暖最重要的因素。Gao等［113］從能量平衡角度進行定量討論，認(rèn)為反照率和長波輻射變化均是導(dǎo)致北極增暖的主要因素。氣候系統(tǒng)是高度耦合且復(fù)雜的整體，不同要素之間存在互饋和連鎖反應(yīng)。如向極熱量和水汽輸送的增加會改變北極的云和水汽，增加向下長波輻射，導(dǎo)致北極增暖和海冰的消融，海冰的消融又會通過局地反饋進一步影響北極氣候系統(tǒng)其他要素［97］，而北極云增多是增強還是減弱了北極氣候系統(tǒng)變化也存在不一致的觀點［21］。因此，目前很難評估多個反饋效應(yīng)的綜合影響、每個反饋的貢獻大小以及它們之間的因果關(guān)系。此外，每種機制在不同時間尺度、不同季節(jié)和不同區(qū)域的作用缺乏系統(tǒng)討論。因此，在未來研究中需要著重回答影響北極氣候變化的主導(dǎo)機制、各個機制的相對貢獻以及在不同時空尺度上的差異等問題。

表2 不同驅(qū)動機制對北極放大作用的貢獻［21］Table 2 Contribution of different driving mechanisms to the Arctic amplification［21］

4.3 加強北極冰凍圈變化與中緯度天氣氣候聯(lián)系研究

如前文所述，目前對于北極冰凍圈變化影響中緯度天氣氣候還存在很大爭議，統(tǒng)計關(guān)系指出兩者的關(guān)系正在減弱，繼續(xù)依靠過去北極變化的短期趨勢作為中緯度影響因子和前兆因子是不充分的，而數(shù)值模擬得出的結(jié)論存在很大不一致性。值得注意的是，北極海冰變化的影響具有強烈的非線性特征，即相似的海冰強迫可能會導(dǎo)致不同的大氣環(huán)流響應(yīng)，相反的海冰強迫可能導(dǎo)致相似的大氣環(huán)流響應(yīng)，這源于大氣環(huán)流響應(yīng)有明顯的非線性特征［124］，不同區(qū)域、不同強度、不同季節(jié)的海冰也會產(chǎn)生各種各樣的影響［125-126］。其次，北極與中緯度之間的聯(lián)系還受到大氣背景環(huán)流和海溫背景態(tài)的強烈影響，即在不同的背景態(tài)下，相同的北極強迫會導(dǎo)致不同的中緯度響應(yīng)［27］。北極海冰變化對中緯度天氣、氣候的影響程度和過程以及兩者的因果關(guān)系還需要進一步研究。鑒于此，未來需要結(jié)合更長的觀測資料，利用更多更優(yōu)性能的模式進行數(shù)值實驗，對其中聯(lián)系和機制進行進一步分析和驗證。進行多數(shù)據(jù)、多模式、多集合成員、多方法的集成研究是未來需要重點關(guān)注的方向。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了北極快速增暖背景下已知的冰凍圈變化過程及影響。當(dāng)前北極氣溫正以高出全球平均2倍的速率快速上升，其中冷季的升溫速率明顯大于暖季，北極海洋增溫幅度大于北極陸地。降水自1961年以來總體呈增加趨勢，并且變率和不確定性較大，降水相態(tài)從降雪向降雨轉(zhuǎn)變。預(yù)估未來北極氣溫和降水將進一步增加，且降水增加的空間模態(tài)與氣溫類似。在這種快速升溫背景下，北極冰凍圈變化顯著，海冰、冰蓋、冰川、積雪和多年凍土在加速退縮，包括海冰面積的減小、海冰厚度減薄以及多年冰向季節(jié)冰的轉(zhuǎn)變；冰蓋和冰川物質(zhì)損失加劇，并且存在空間異質(zhì)性；積雪面積和積雪深度持續(xù)減?。欢嗄陜鐾翜囟壬?、多年凍土范圍減小以及活動層厚度的增加。在未來增溫增濕背景下，上述變化將加劇，高濃度排放情景下，預(yù)計到21世紀(jì)中葉，北極將達到夏季無冰狀態(tài)。北極冰凍圈變化對北極氣候系統(tǒng)各個圈層均產(chǎn)生深遠影響，包括通過影響北極能量平衡促進北極增暖，激發(fā)局地大氣響應(yīng)；導(dǎo)致海平面上升，影響海洋溫鹽平衡以及淡水輸入；加劇北極沿岸侵蝕和破壞；影響北極生態(tài)系統(tǒng)平衡等。此外，冰凍圈變化還能通過大尺度大氣環(huán)流對北半球中緯度地區(qū)的天氣氣候產(chǎn)生影響。同時，當(dāng)前研究還存在很多不足和爭議，觀測資料稀少、模式模擬不確定性較大導(dǎo)致冰凍圈變化研究存在較大局限性，冰凍圈變化的影響和機制研究多以定性為主，并且存在因果關(guān)系不明確等問題，未來需要加強北極冰凍圈的監(jiān)測，發(fā)展高性能模式，利用多源數(shù)據(jù)進行冰凍圈變化研究，結(jié)合多種手段開展冰凍圈影響的定量研究。

謹(jǐn)以此文，紀(jì)念李吉均院士！