中国科学院大气物理研究所陈尚锋研究员和云南大学陈文教授，联合复旦大学、浙江大学、南京信息工程大学和中国科学院南海海洋研究所的相关学者，在北极—热带相互作用领域取得新进展。团队最新研究揭示北极海冰影响ENSO的年代际间歇性特征及其机制。研究成果以“Interdecadal Variation in the Impact of Arctic Sea Ice on the El Niño-Southern Oscillation: The Role of Atmospheric Mean Flow”为题发表在国际学术期刊《Journal of Climate》上。

北极海冰

北极海冰是北半球中高纬气候系统的重要组成部分，被认为是全球气候变化的指示器和放大器。海冰的存在阻碍了大气与海洋之间的直接联系，减缓甚至阻止了大气与海洋之间的水汽、动量和热量交换，进而显著影响大气和海洋环流。有研究认为北极海冰是一个只受很小扰动便可触发整个地球气候系统改变的关键临界点。1979年以来，北极海冰覆盖范围不断减少，且减少趋势自1990年代后呈加快的态势。IPCC最新评估报告指出，在高排放情景下，模式预估到本世纪中叶北极将出现无冰夏季。在北极海冰急速减少的严峻形势下，北极海冰变化气候效应的研究显得十分迫切。已有很多研究揭示出北极海冰对中高纬环流和气候异常的重要调控作用，并指出考虑北极海冰信号可以提高极端天气气候事件的预报技巧和时效。但是与北极海冰影响中高纬气候的工作相比，有关北极海冰对热带影响的研究还相对比较匮乏。

厄尔尼诺与南方涛动

厄尔尼诺与南方涛动 (ENSO) 是热带太平洋年际变化时间尺度上最强的海气耦合系统。ENSO事件会通过遥相关过程导致全球大范围的气候异常，引发严重的旱涝和高低温等灾害，对渔业、农业、生态环境、社会经济等造成重大的影响。作为热带最强的海气耦合系统，ENSO还是全球大部分地区短期气候预测的重要物理基础和可预报性来源。因此，ENSO一直受到国际大气和海洋科学界的高度关注和重视，关于ENSO事件发生机制的研究就一直是诸多国际科学计划的核心研究课题。

北极海冰影响ENSO的间歇性及其机制

团队围绕北极“海–冰–气”气候系统对热带海气相互作用系统的影响及其机理开展了系列研究（Chen et al., 2014, 2023; Cheng et al., 2023, 2024），前期研究揭示出北极海冰异常对ENSO事件的发生和发展存在显著的影响，并阐明了北极海冰影响ENSO的关键物理过程和机制 (Chen et al., 2020)。研究指出冬季格陵兰–巴伦支海海冰增加抑制了向上表面热通量，导致对流层降温，进而触发了从北极到北太平洋的大气Rossby波列 (见图1) 。大气Rossby波列伴随的北太平洋涛动型大气环流异常通过改变表面热通量引起副热带北太平洋海温升高，通过风–蒸发–海温反馈机制，副热带海温异常维持并向南延伸至热带太平洋，并导致随后夏季在赤道西太平洋低层出现西风异常。赤道西太平洋西风异常通过触发东传赤道暖Kelvin波和Bjerknes海气正反馈机制，影响随后冬季ENSO事件的发生和发展 (见图2) 。

图1：1958–2022年，冬季北极海冰指数回归的(a) 冬季北极海冰密集度异常，(b) 冬季表面感热通量异常，(c) 冬季表面潜热通量异常，(d) 冬季表面向上长波辐射异常，(e) 冬季经度–高度空气温度异常剖面 (10°W–60°E平均) ，(f）冬季500 hPa流函数(阴影) 和风场异常(矢量) ，(g) 冬季表面风速异常和(h) 春季海表温度异常。打点区域表示异常通过95%置信水平。

图2：1958-2022年，冬季北极海冰指数回归的海表温度和850 hPa风场 (左列)和降水 (右列) 异常的季节演变。打点区域表示异常通过95%置信水平。

在Chen et al. (2020) 研究基础上，团队进一步发现冬季格陵兰–巴伦支海海冰异常对ENSO事件的影响存在显著的年代际间歇性。在1980年代末之前和2000年代末之后，北极海冰异常对ENSO的影响较为显著。然而，在1990年代到2000年代期间，海冰异常对ENSO的影响较弱 (见图3) 。

图3：冬季北极海冰指数与次年冬季Niño3.4海温指数在 (a, b) 15年、(c, d) 17年和 (e, f) 19年移动窗口的滑动相关系数。(a)、(c) 和 (e) 中的北极海冰指数来自HadISST。(b)、(d) 和 (f) 中的北极海冰指数来自NSIDC。蓝色水平线表示相关系数通过95%置信水平。垂直绿线用于区分高相关和低相关时期。

团队进一步基于动力诊断和数值模拟试验阐明了北极海冰影响ENSO年代际间歇性的原因和机制：指出北极海冰影响ENSO的年代际间歇性与北极海冰异常激发的大气Rossby波空间结构的年代际变化密切相关。在高相关时期，冬季北极海冰异常能够激发大气环流遥相关，影响北太平洋涛动和北太平洋经向模态，进而通过风–蒸发–海温反馈机制和热带Bjerknes海气正反馈过程影响ENSO事件。然而，在低相关时期，北极海冰异常引起的大气Rossby波位置北移，未能影响副热带北太平洋海气系统，因此对ENSO事件的影响较弱 (见图4) 。数值试验表明北极海冰异常引起的大气Rossby波空间结构的年代际变化可归因于背景平均流的年代际变化 (见图5)。具体而言，在高相关时期北太平洋副热带西风急流位置向南偏移，因此北极海冰异常激发的大气Rossby波列更易向副热带地区传播，进而影响北太平洋经向模和ENSO事件。

图4：格陵兰-巴伦支海海冰异常影响ENSO年代际变化的机制示意图。

图5：正压模式施加理想异常辐合强迫后的位势高度和风场响应 (31–40天平均)。(a) 为高相关时期背景态，(b) 为低相关时期背景态。绿色等直线表示异常辐合强迫，等值线间隔为2×10^-6 s^-1。

北极海冰对全球气候的影响存在不确定性，以往研究基于不同模式得到的结果往往有较大差异。该项研究表明北极海冰对ENSO和热带气候的影响存在显著的年代际间歇性，这种间歇性与北极海冰异常引发的大气Rossby波的空间结构变化紧密相关。同时，北极海冰激发的大气Rossby波的空间结构受背景平均流的影响。不同模式中北极海冰与中纬度气候联系的差异可能与模式中背景平均流的不同有关。因此，这一发现有助于解释北极海冰变化对全球气候影响的不确定性。

论文第一作者为陈尚锋研究员，通讯作者为陈文教授，合作者包括复旦大学周文教授和丁硕毅青年副研究员、浙江大学吴仁广教授、南京信息工程大学陈林教授、中国科学院南海海洋研究所何卓琪副研究员和云南大学杨若文教授。该研究受到了国家自然科学基金、云南省自然科学基金、复旦大学极地海冰气系统与天气气候教育部重点实验室开放课题、气象灾害教育部重点实验室&气象灾害预报预警与评估协同创新中心联合开放课题的联合资助。

文章信息：

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Chen, S.-F., W. Chen*, W. Zhou, R. Wu, S.-Y. Ding, L. Chen, Z.-Q. He, and R.-W. Yang, 2024: Interdecadal Variation in the Impact of Arctic Sea Ice on the El Niño-Southern Oscillation: The Role of Atmospheric Mean Flow. Journal of Climate, 37(21), 5483-5506, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-23-0733.1

相关文章：

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[2] Chen, S.-F.*, W. Chen, B. Yu, et al. 2023: Impact of the winter Arctic sea ice anomaly on the following summer tropical cyclone genesis frequency over the western North Pacific. Climate Dynamics, 61 (7–8), 3971–3988. https://doi.org/10.1007/s00382-023-06789-5.

[3] Cheng, X., S.-F. Chen*, W. Chen, et al. 2024: Selective influence of the Arctic Oscillation on the Indian Ocean Dipole and El Niño-Southern Oscillation. Climate Dynamics, 62 (5), 3783–3798. https://doi.org/10.1007/s00382-023-07098-7.

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