海冰密集度是指海冰占海洋的比例, 是海冰多少最重要的衡量标志之一^{[ 2]}。如图1所示, 北极海冰具有非常显著的季节循环。海冰密集度在3月最高, 在9月达到最低值。夏季（6~8月）是主要的融冰季, 海冰密集度减少约20%, 秋季（9~11月）海冰又大量凝结。春季和冬季的海冰密集度则相对较高^{[ 1, 11]}。

图1

Fig.1

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图1 北极（66.5°N以北）海冰密集度线性趋势（1979—2011）的年循环[ 11]。长柱代表北极海冰密集度的年循环（1979—2011）, 单位为%。实线为哈德莱中心海冰密集度的变化趋势（1979—2011）, 单位为%/10年, 其中标记圆圈的月份通过了95%的置信度水平Fig.1 Annual cycle of Arctic (north of 66.5°N) sea ice concentration trends, 1979—2011The gray bars show the annual cycle of mean sea ice concentration (%).Trends (% per decade) are shown by month and averaged from Hadley Centre sea ice data north of 66.5°N (solid line). Dots show trends that are statistically significant at the 95% level or better.

过去的几十年, 北极海冰以前所未有的速度急剧消融。如图1所示, 每个月的海冰趋势都是负的, 即都在减少, 其中又以8~10月3个月负趋势最为显著。2007年秋季, 北极地区的海冰面积仅有4.17×10⁶ km², 创造截至当时有观测数据以来的最低记录。而这一记录在2012年9月13日又被刷新, 海冰面积仅有3.4×10⁶ km², 这比2007年的最低值还要偏少18%^{[ 12, 13]}。Francis等^{[ 14]}指出, 1980年以来北极夏季海冰面积的减少量相当于美国面积的40%。分析表明, 2000年以来, 夏秋季海冰持续负距平。尤其在2004年以后, 夏季和秋季的海冰更是远低于气候平均值。

由图1同时可以发现, 冬春季节（1~4月）海冰虽然也是减少的, 但减少趋势很弱, 并未通过95%的显著性检验。这说明近几十年中, 比起夏秋季节海冰的显著减少, 冬春季节的海冰密集度率是比较稳定的。然而, 值得指出的是, 这只是统计了海冰密集度的结果, 而没有考虑海冰的厚度。如果关注海冰的厚度, 则会发现冬春季节的海冰也发生了明显的变化。一般来说, 北极地区的海冰分为多年冰和一年冰2种。多年冰是指北冰洋核心地区至少保存过一个融冰季的稳定冰盖, 一年冰则是指北冰洋边缘每年夏季消融秋冬季凝结的季节性冰盖。相比多年冰, 一年冰更薄更不稳定^{[ 15]}。夏秋季节海冰的减少, 实际上就是指更多的多年冰融化。冬春季节, 北冰洋重新被海冰覆盖, 但其中更多的多年冰被更薄和更脆弱的一年冰所取代。由于不同厚度海冰的反照率差别很大^{[ 16]}, 故冬春季节的海冰密集度虽然比较稳定, 但海冰厚度变化的气候效应依然十分重要。

随着海冰的减少, 夏秋季节开阔水面大大增加, 而冬春季节则有更多的多年冰被更加脆弱的一年冰所取代。这些海冰更易受到温度和风场异常的影响而进一步消融。失去边缘冰的保护后, 核心区的多年冰也更容易加速融化^{[ 1]}。这些都使得海冰消融的速度大大加快。1979—2001年, 9月海冰的线性趋势约为-7.0%/10a, 而到2013年, 这一趋势升至-14.0%/10a, 增加了1倍^{[ 17]}。IPCC第五次评估报告（AR5）^{[ 8]}中指出, 随着地表气温的升高, 21世纪北冰洋每个月的海冰都将继续减少（高信度）, 并且将在夏秋季节出现无海冰状态（海冰面积少于1.0×10⁶ km²）。而关于北极无海冰状况出现的时间, 不同模式的预测结果存在较大差别^{[ 8]}。Liu等^{[ 18]}对最新获得的30个CMIP5气候和地球系统模式的模拟预测结果进行了分析, 并采用2种方法减小了9月末出现无海冰状况时间的不确定性, 将高排放背景下北极9月出现无海冰的时间收窄到2054到2058年之间。

北极海冰如此迅速消融的原因非常复杂, 基本可以总结为热力学过程和动力学过程2个方面。热力学过程主要包括地表气温、辐射通量以及海洋条件的改变;动力学过程则主要是指风场和洋流强迫下的海冰环流变化。尽管海冰迅速消融的原因复杂, 但一般认为, 全球变暖背景下, 热力学过程中海冰——反照率正反馈机制的触发和动力学过程中的风场异常是近期海冰面积屡创新低的最主要原因^{[ 1]}。

首先, 热力学方面的海冰——反照率正反馈作用在近年来海冰的迅速消融中起到了极为重要的作用。反照率是指地球表面反射到空间的太阳能份额, 可以衡量地球表面吸收太阳辐射的多少。冰雪的反照率远高于其他表面, 尤其是海水。在高纬地区, 海水的反照率一般为10%, 而海冰的反照率则高达60%以上^{[ 19]}。在有冰与无冰的状态下, 北冰洋表面的反照率有着极为鲜明的对比。这种对比导致了海冰——反照率的正反馈作用：海冰增多时, 地表反照率增加, 海水吸收的太阳辐射大大减少, 同时海水与大气之间的热交换被海冰阻断, 地表气温降低, 而低温会加速海冰的凝结, 如此形成一个正反馈。当海冰减少时, 恰恰相反, 上层海水和地表大气都显著增暖, 海冰消融的速度也会大大加快。这一正反馈作用可能是导致海冰迅速消融的重要原因。随着海冰减少, 冬春季节更多的多年冰被更薄的一年冰所取代。一年冰的反照率低于多年冰, 更易吸收太阳能, 造成海冰的加速融化^{[ 2, 16, 20]}。与北极海冰急剧消融形成鲜明对比的是, 近几十年来南极的冰盖反而略有增加^{[ 18, 21]}, 这可能与南极的下垫面是大陆, 海冰——反照率正反馈作用远弱于北极有关^{[ 22]}。

动力学方面, 风场的异常是海冰急剧消融的关键。风场强迫可以影响北极海冰的空间分布, 对海冰由北冰洋向大西洋的输送和太平洋的暖水进入北冰洋都有决定性的影响^{[ 23]}。尤其在海冰比较薄的时候, 风场的影响更大^{[ 24]}。2012年9月北极海冰面积之所以达到创纪录低值就与当年8月北极爆发的强风暴有密切联系。它虽然只持续了几天的时间, 却吹走了北极边缘0.4×10⁶ km²的大冰块, 使得核心的冰盖失去保护, 更易受到风场和气温异常的影响^{[ 6]}。

不少研究者通过分析风场异常研究海冰锐减的原因。Rigor等^{[ 25]}指出, 20世纪70年代到90年代中期, AO由负转正, 这使得北极地区的气旋活动加强, 在这种风场影响下, 更多的冰面被打开, 海冰消融大大加速;Wu等^{[ 26]}分析了近几十年北极表面风场的分布型及其变化特征, 指出表面风场的异常是9月份北极海冰持续减少的重要动力学原因;Zhang等^{[ 9]}认为, 近年来大气环流形势的改变可以造成北极海冰加速消融。这其中包含了动力学与热力学因素。北极涛动由传统的三极型转为此前从未有过的两极型, 这使得北极气候系统中的风场、向极热输送、海洋环流等都发生剧烈改变, 造成北极海冰急剧减少。Zhang等^{[ 9]}还以2007年秋季北极海冰的极端低值事件为例验证了上述推断。

Lindsay等^{[ 27]}进一步指出, 在动力学和热力学2种过程中, 热力学过程对海冰急剧消融的作用更为重要, 即海冰对气温增加的响应比对风场的响应更强。他们利用海冰与海洋的耦合模式, 模拟了北极涛动没有异常而北极气温升高的情况下北极海冰的响应, 结果表明北极海冰的减少也是非常显著的。

随着北极海冰的急剧消融, 北极的气温也在迅速增暖。气温增加的速度甚至达到了全球平均增速的2~4倍——这被称为北极增幅效应（Arctic Amplification）^{[ 7]}。尽管北极如此迅速增暖受到温室气体排放、积雪锐减、大气和海洋环流的改变、云和水汽的变化等多种因素影响^{[ 28, 29, 30]}, 但海冰消融的影响可能是其中最为关键的因素^{[ 7, 31]}。

观测分析与数值模拟的结果都表明, 海冰减少与气温增加是互为因果, 互相促进的^{[ 17, 32, 33, 34]}, 这主要是由于它们之间的正反馈作用。海冰的减少使得更多原本被冰盖封闭的地区在夏秋季节出现开阔水面。这导致大量的太阳能被海水吸收, 表层海水增温, 地表大气也会随之变暖。以海冰异常偏少的2007年秋季为例, 进入波弗特海的太阳能达到了气候平均态的2~5倍, 这足以使得该海域5 m以上的海水增温5°C^{[ 32]}。过去的10年, 由于海冰的减少, 北极上层海水的热量增加了约752 MJ/m², 这些热量使海表温度上升了0.5~1.5 °C^{[ 17]}。海表温度的上升在很大程度上导致了秋季北极冰封日期的延迟, 同时海冰变得更薄, 在翌年的夏季更易消融。更多海冰的融化造成北极地区的更多开阔水面, 又会使地表气温大大增加。这个正反馈作用一旦被触发, 海冰的消融和地表的增温都将大大加快, 这也是北极海冰被称为气候系统临界点的重要原因^{[ 35]}。

一个很有意思的现象是：按照海冰——反照率正反馈, 海冰消融导致的更多开阔水面应该对应着更高的地表气温。然而事实却是北极海冰在夏秋季节减少最多, 而夏季的增温趋势却远弱于秋冬季^{[ 31, 36, 37]}。武丰民等^{[ 11]}分析了其中的原因, 随着海冰减少, 夏季和秋季虽然都有更多的开阔水面, 但在2个季节海洋对大气的作用却恰好相反。一方面, 夏季是融冰季, 海冰融化需要吸收潜热, 这与秋季的结冰释放潜热相反;另一方面, 夏季的地表气温高于海表温度, 海洋相当于大气的冷源, 而在秋冬季, 地表气温远低于海表温度, 海水相当于大气的热源。所以, 夏季更多海冰的消融并不能使夏季的地表气温像秋冬季那样显著上升。然而, 虽然夏季的地表气温没有显著上升, 但随着海冰的减少, 更多的热量被储存在上层海水中, 这些热量在秋冬季释放到大气中导致大气升温。这种延迟放热机制是北极地区地表升温具有显著季节差异的主要原因。

近年来, 欧亚大陆中高纬地区频频经历严冬的肆虐, 暴雪和持续低温事件频发。2012年12月到2013年1月初, 中国的平均地表气温创造了最近28年来的最低记录^{[ 41]}。2012年1月下旬到2月上旬席卷欧亚大陆的极端寒潮致使一些地区的温度突破了三十年来的最低值, 造成了600多人死亡^{[ 42]}。此外, 2008年中国南方的低温雨雪冰冻灾害和2009-2010年冬季欧亚大陆的极端低温事件也引发了日益增多的关注^{[ 43, 44, 45, 46]}。

造成欧亚大陆低温的原因非常复杂, 而近年来北极海冰的减少及与之对应的极地大气环流改变被认为是造成欧亚冬季低温的重要原因之一。诊断和数值模拟的结果都表明, 秋冬季的北极海冰偏少可以导致冬季由欧洲一直持续到远东地区的低温^{[ 47, 48, 49, 50, 51]}。Liu等^{[ 52]}甚至指出, 近年来整个北半球的冷冬与暴雪都与秋季北极海冰的锐减密切相关。此外, 秋季的海冰异常偏少对类似2007-2008年冬季中国南方地区的雨雪冰冻灾害也有重要触发作用^{[ 53]}。那么, 北极海冰的偏少为什么会引发欧亚大陆的低温天气呢?研究者们普遍认为, 海冰偏少导致北极增温以及北半球气压场和风场的一系列改变, 从而起到调制欧亚大陆冬季温度的作用。

首先, 由2.3节的分析可知, 北极海冰减少可以造成北极的地表温度、海表温度都大大上升, 这会使得中高纬之间的温度梯度减弱^{[ 48]}。同时, 北极地区暖异常会导致1 000~500 hPa的厚度增加, 向极厚度梯度随之减弱^{[ 54]}。对流层低层的变暖与扰动还会导致垂直大气的静力稳定度减弱^{[ 49]}。静力稳定度、向极温度梯度和厚度梯度减弱的综合作用, 使得中高纬地区的大气斜压性减弱, 斜压波与行星波的斜压不稳定更早开始^{[ 2, 49]}。斜压性减弱又可以影响极地低压和北极急流的强度^{[ 55]}, 而且这种影响的时间可能长达6个月^{[ 56]}。

在气压场方面, 冬季巴伦支海海冰的偏少会造成巴伦支海上空偏暖和大气斜压性减弱, 阻止了气旋的向东发展, 导致西伯利亚一带的反气旋异常^{[ 57]};Wu等^{[ 58]}的结果也指出, 9月北极海冰密集度可以作为预测冬季西伯利亚高压的前期信号, 冬季西伯利亚高压与前期北极海冰呈现显著负相关关系;风场方面, 由于北极增暖造成北极与中纬地区的厚度梯度和温度梯度都大大减小, 冬季中高纬地区原本盛行的西风大大减弱, 经向活动则显著增强^{[ 59, 60, 61]}。Overland等^{[ 54]}认为, 对流层低层气候态的西风约为3m/s, 而海冰偏少引起的东风异常可达1.4m/s;Outten等^{[ 48]}也指出, 冬季北极海冰与中纬度850hPa风场有很好的相关。

综上所述, 北极海冰偏少造成的大气环流异常主要表现为向极温度梯度的减弱, 西伯利亚高压的加强以及大陆上空纬向西风的偏弱。由于欧亚大陆冬季的温暖气候主要靠由北大西洋吹往大陆的暖湿气流维持^{[ 48]}。西风气流的减弱导致经向活动增强, 阻塞形势增加^{[ 52]}, 有利于北极地区冷空气向南入侵, 引发大陆中高纬的低温天气。

此外, 由于北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation（NAO））和北极涛动（Arctic Oscillation（AO））在调制欧亚大陆冬季温度中发挥着主导作用^{[ 62, 63, 64, 65, 66]}, 有很多的研究者分析了北极海冰与NAO和AO的关系^{[ 47, 51, 56, 59, 67]}, 指出北极海冰可以通过影响NAO和AO的位相变化进而影响欧亚温度。诊断分析表明, 夏秋季节北极海冰的偏少会造成冬季NAO负位相和热带外地区风暴轴的减弱^{[ 47, 56]}。大气模式和耦合模式的结果都进一步验证了这一结论^{[ 51, 59, 67]}。Peings等^{[ 51]}进一步解释了海冰偏少导致NAO负位相的原因。他们以近5年（2007-2012年）的逐月海冰平均状态驱动大气环流模式, 并和气候态的海冰（1979-2000年）强迫做对比, 以此研究近年来海冰异常偏少对冬季天气的影响。结果表明海冰减少可以导致北极上空偏暖并激发罗斯贝波, 波动会向上传入平流层导致平流层北半球环状模的负位相, 这一负位相在北太平洋和北大西洋下传到对流层, 造成低层的西风减弱, 极地与中纬地区的热交换加强, 导致北半球中高纬地区的低温天气。此外, Zhang等^{[ 9]}认为, 除了位相变化, NAO的分布型的显著改变对欧亚大陆的低温也有重要影响。21世纪以来, NAO由传统的三极型变为此前从未有过的两极型, 这种改变与秋季海冰的异常关系密切, 对欧亚冬季的低温天气也有重要贡献。

欧亚大陆低温既包含内部变率^{[ 33]}, 又受到北大西洋涛动^{[ 62]}、北大西洋海温^{[ 68, 69]}、赤道太平洋海温^{[ 70]}等多种因素影响, 成因复杂。故尽管北极海冰对欧亚冬季低温的影响及其机制已有很多研究, 但由于该领域的许多问题极具挑战性, 仍有一些关键的科学问题尚存争议或尚未解决。主要有以下几个方面：

（1）前期秋季海冰与同期冬季海冰对欧亚冬季温度有何不同影响?一种观点认为前期秋季的海冰异常可以持续到冬季, 又通过冬季的海冰异常影响冬季的大气环流^{[ 52, 53, 58]}。即前期秋季海冰与同期冬季海冰对欧亚大陆冬季温度的影响具有持续性和一致性;另一种观点则认为, 前期秋季与同期冬季的海冰对冬季大气的影响机制存在显著区别^{[ 71]}。Honda等^{[ 47]}也指出, 即使没有冬季的海冰异常, 前期秋季的海冰偏少也可以通过局地非绝热加热激发稳定的罗斯贝波, 并通过波列的传播激发欧亚大陆上空的反气旋异常, 造成冬季欧洲到远东地区的低温。故前期秋季海冰与同期冬季海冰在影响欧亚冬季气温上有何异同, 是一个尚需深入研究的问题。

（2）年代际和年际尺度上, 北极海冰与欧亚冬季低温的联系是否存在显著差异?有何差异?虽然有不少研究指出前期秋季的北极海冰可以作为冬季欧亚温度的一个预测因子, 但对其中的年际和年代际两种时间尺度的影响却往往未加区分, 这可能对研究结果产生不可忽视的影响。许多研究都证明了将气候影响因子进行年际和年代际尺度分离的重要性^{[ 72, 73, 74]}。Yang等^{[ 75]}已经指出, 东亚地区的冬季地表气温具有显著年代际变化特征, 且与北极海冰变化存在显著联系。那么在更大范围的欧亚大陆, 冬季气温与北极海冰的联系及其机制在年代际和年际两种时间尺度上是否存在显著区别?这些问题仍需进一步研究。

（3）海冰偏少对欧亚大陆上空的罗斯贝波有何影响?已有研究者指出海冰偏少造成的局地加热作用可以激发罗斯贝波, 罗斯贝波的传播又可以进一步调制欧亚大陆气候^{[ 14, 47, 51]}。Francis等^{[ 14]}提出, 海冰偏少造成的北极增暖和向极厚度梯度减弱会导致上层的罗斯贝波变慢, 波动的振幅增大。这两种改变在海冰锐减的秋冬季节尤其明显, 在夏季也很显著。上层波动变慢可能会导致低层天气型更加稳定和持续, 干旱、洪水、低温等极端天气事件持续时间变长;而Screen等^{[ 76]}则认为中高纬地区槽脊强度的改变都仅局限于一些季节的波长以及经向分量, “北极增幅”与行星波之间的相关与波如何定义密切相关, 不能简单的认为海冰偏少与罗斯贝波变慢与波动振幅增大之间存在必然联系。故海冰偏少对罗斯贝波的波速和振幅的影响尚需进一步深入探索。