未来北极夏季陆面气温变化区域特征及其与北大西洋海面温度的关系
2024-03-25吴雨子胡舒涵赵传湖黄菲
吴雨子 胡舒涵 赵传湖 黄菲
摘 要 未来变暖背景下北极气候变化特征研究具有重要意义，基于国际耦合模式比较计划第六階段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）中对北极气候变化模拟能力较好的模式模拟结果，研究SSP2-4.5情景下21世纪北极2 m气温的时空变化特征及其影响因素。结果表明：（1）极地陆地的欧亚大陆（Eurasia，EA）和北美-格陵兰（Greenland，GL）对全球变暖具有不同的响应。EA在21世纪中叶前变暖趋势显著，之后主要表现为年代际尺度的冷暖振荡；GL则始终保持增暖趋势。EA、GL分区气温均存在年际、年代际（10～20 a）尺度上的波动，GL分区还存在20～40 a的准周期变化。（2）前冬北大西洋涛动正位相会引起次年夏季北大西洋呈南北向“-、+、-”三极型海面温度异常，并通过影响大气环流导致EA分区气温正异常，这种影响主要体现在年代际尺度上。（3）北大西洋多年代际振荡为正异常时，北美至格陵兰位势高度偏高，GL分区增暖，并且这种影响在21世纪70年代后更重要；北太平洋北部的海面温度正异常对GL分区增温也有贡献。
关键词 北极；2 m气温；国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）；北大西洋；海面温度
中图分类号：P467文献标志码：A文章编号：2096-3599（2024）01-0065-11
DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20230311001
收稿日期：2023-03-11；修回日期：2023-04-22
基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFA0607004）；国家自然科学基金项目（41975061，42075024）
第一作者简介：吴雨子，女，硕士研究生，主要从事北极气候变化研究，wyz17866623062@163.com。
通信作者简介：赵传湖，男，博士，副教授，主要从事大尺度海气相互作用和北极气候变化研究，chzhao@ouc.edu.cn。
Regional characteristics of the future Arctic summer 2-m air temperature changes and their relationship with the North Atlantic sea surface temperature
WU Yuzi1，2， HU Shuhan1，2， ZHAO Chuanhu1，2， HUANG Fei1，2
（1. Key Laboratory of Physical Oceanography of Ministry of Education， Ocean University of China， Qingdao 266100， China; 2. Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）
Abstract The research on the characteristics of Arctic climate change under the background of future warming is of great significance. This research studies the spatio-temporal variability of Arctic 2-m temperature in the 21st century under the SSP2-4.5 scenario based on the climate models with better simulation of Arctic climate change in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 （CMIP6）. The results are as follows. （1） The Eurasia （EA） part and the North America-Greenland （GL） part of the polar continent show different responses to global warming. EA has a significant warming trend before the middle of the 21st century， and then mainly shows the interdecadal oscillations; GL maintains a warming trend. The temperature in the EA part and the GL part fluctuates on interannual and interdecadal （10-20 a） scales， and there is also a quasi-periodic variation of 20-40 a in the GL part. （2） The positive phase of the North Atlantic Oscillation in the previous winter can cause the North Atlantic to present a south-north “-， +， -” tripolar sea surface temperature anomaly （SSTA） in the next summer， and leads to a positive temperature anomaly in the EA part by affecting the atmospheric circulation， and the effect is mainly reflected on the interdecadal scale. （3） When the Atlantic Multidecadal Oscillation is positive， the geopotential height from North America to Greenland is high， the GL part warms， and this effect is more important after the 2070s. The positive SSTA in the north of the North Pacific also contributes to the warming in the GL part.
Keywords the Arctic; 2-m air temperature; Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 （CMIP6）; the North Atlantic; sea surface temperature
引言
自工业革命开始，全球气温呈现明显的上升趋势，且不同纬度、不同地区变暖的幅度及速率不一致。定量重建的近两千年的北极温度序列中，5个最温暖的十年中有4个发生在1950—2000年［1］，1971—2019年北极变暖的速度是全球变暖速度的3倍［2］，高纬度海洋、大气迅速增暖，海冰、冻土快速融化，这就是目前广泛关注的“北极放大”现象［3］。研究在未来变暖背景下北极气温的变化规律有助于深入理解北极变暖的机制。
北大西洋的海面温度（以下简称“海温”）变化对北极地区的气候变化具有重要影响［4］，北大西洋海温异常会通过改变北半球中高纬度的大气环流来影响北极的气候变化［5-6］。北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）也是影响北极温度年代际变化的重要因素，AMO的正异常状态会造成大西洋和欧洲上空气旋式环流异常，进而影响这些地区的温度和降水［7］。Li等［8］进一步指出欧亚大陆的夏季地面气温变化会受到AMO的调控，当AMO处于正位相时欧亚大陆增暖，其中欧洲-西亚和东北亚地区增温更明显［9］。北大西洋高纬度地区的海温变化也受到AMO的显著影响［10-12］，巴伦支海、喀拉海变暖与AMO具有显著相关性，海温升高还会导致欧亚大陆上空的中高纬度西风减弱进而造成冬季乌拉尔阻塞增多，并进一步影响该地气温［13］。但是，AMO對北极陆面气温影响的差异性及在全球变暖背景下的持续性还有待进一步分析。
冬季北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）作为北半球冬季大气环流的重要模态，对北极地区同期及次年的气候变化也有重要作用［14-18］。NAO被认为是北大西洋-欧亚北部气候变化的主导模态，占总变率的三分之一以上，但其在未来暖期背景下的影响还存在不确定性［19］。研究表明欧亚大陆的夏季地面气温变化受到前期NAO的显著影响，NAO的正位相状态使得北欧温度增加［20-21］，NAO还会与局地阻塞事件协同影响欧洲的气温、降水异常，尤其在NAO中心偏东时［22-23］。此外，由于北极变暖，北极海冰面积正在急剧下降，并通过巴伦支海、喀拉海变暖造成乌拉尔阻塞频率增加，同时进一步导致高纬度欧亚大陆变暖、中亚地区出现降温［24］。如上所述，北极不同地区气温变化的物理机制可能是不同的，研究未来全球变暖的背景下，北极气温变化的区域特征及其影响因素具有重要意义。
对未来21世纪北极气候变化的预估主要基于气候模式，耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase，CMIP）目前已经进行到第六阶段（CMIP6），利用CMIP6模式对区域气候变化的研究正逐步开展。CMIP6的未来气候预估情景设置了新的共享社会经济途径（shared socioeconomic pathways，SSPs），包含SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP4-3.4、SSP2-4.5、SSP4-6.0、SSP3-7.0和SSP5-8.5等7种从低到高辐射强迫情景［16，25］。新的模式情景既考虑了人口增长、城市密度、土地使用、经济发展的需要，也考虑了政府间应对气候变化的减缓措施［26］，能够为北极气候预估提供更加合理的模拟结果。
SSP2-4.5情景表示相对于工业化前水平的中等辐射强迫（2100年稳定在约4.5 W/m2），是中等社会脆弱性与中等辐射强迫的组合，是检测归因模式比较计划（Detection and Attribution Model Intercomparison Project，DAMIP）和年代际气候预测计划（Decadal Climate Prediction Project，DCPP）研究关心的重点［16，27］。本文对采用该情景下模拟较好模式的集合平均结果进行研究，根据北极地区陆面2 m气温的聚类分析结果，将北极划分成2个区域，研究这2个区域气温变化的时频特征及其与北大西洋海温异常的可能联系。
1 数据与方法
1.1 数据
使用CMIP6中在SSP2-4.5情景下对北极气候模拟良好的9个模式（ACCESS-ESM1-5、BCC-CSM2-MR、CanESM5、CESM2-WACCM、EC-Earth3-CC、EC-Earth3-Veg、HadGEM3-GC31-LL、MRI-ESM2-0、TaiESM1），这些模式模拟结果能够较好反映出研究时段的气候均值、海冰变化的基本特征及其对全球变暖响应的物理约束关系［28-30］。模式资料包括2015—2100年的海温、2 m气温、位势高度资料等，水平分辨率为1.25°×1.25°。
多模式集合平均可以减少气候模式本身带来的不确定性［31］，本文使用SSP2-4.5情景下9个模式的集合平均结果分析2015—2100年北极气温变化的区域差异及其与大西洋的相关性。
1.2 方法
使用层次聚类（hierarchical cluster）分析北极夏季（7—9月）2 m气温变化，对北极气候变化进行区域划分。进行聚类分析时，采用Ward离差平方和作为聚类标准［32］。
使用小波分析、回归分析研究北极各分区温度变化与海温等因子的相关关系。小波分析可反映两时间序列的时频结构及其局部变化特征［33］，通过交叉小波变换（cross wavelet transform，XWT）揭示2个变量共同的高能量区以及相位关系，根据小波相干谱（wavelet coherence，WTC）研究时频结构中2个时间序列局部相关的密切程度［34］。
2 未来北极陆面2 m气温变化区域差异
对2015—2100年北极地区（66.5°N以北）的夏季2 m气温资料进行聚类分析，将各点气温序列之间的离差平方和作为评价各站点相似程度的标准，按照相似程度进行分类。根据聚类分析结果，欧亚大陆（Eurasia，EA）与北美-格陵兰（Greenland，GL）的气温变化具有显著差异，因此，将北极地区分为2个区域进行研究（图1a）。
将EA、GL分区各点的2 m气温时间序列进行区域平均后得到2个分区的温度时间序列EAI_O（EA Index_Original）、GLI_O（GL Index_Original）（图1b、c），2个分区都具有明显的变暖特征，并且温度变化幅度随时间逐渐增大。EA分区在21世纪中期之前显著增温，21世纪中期后表现为在某平均水平的冷暖振荡，总体的线性趋势为2.41℃/100 a；而GL分区在整个21世纪都呈现显著的线性变暖趋势，为2.67℃/100 a。两分区的变暖趋势可视为对全球变暖的反映，将2个分区的线性变暖趋势去除，得到去趋勢温度序列EAI（EA Index）、GLI（GL Index），分析2个区域气温的年际和年代际变化特征。
EAI和GLI的小波分析结果表明，EA分区气温变化具有年际和年代际尺度上的信号，在21世纪60年代前以年际变化为主，自60年代开始还存在10～20 a周期的气温变化，并且可能存在40～80 a的多年代际周期（图2a、b）。GL分区也存在年际、年代际的气温变化，在21世纪30年代至70年代存在显著的10～16 a的准周期变化，在21世纪40年代至21世纪末存在20～40 a的准周期变化（图2c、d）。
3 北极2 m气温变化与北大西洋海温异常的关系
3.1 EA分区
EAI回归2015—2100年北半球500 hPa和850 hPa去线性趋势并标准化后的位势高度场异常的回归系数场（图3a、b）显示，欧亚大陆波罗的海至黑海、西伯利亚中东部的广大地区及北大西洋中纬度地区为正值大值区，显著负相关的区域位于加拿大群岛、格陵兰地区。这表明EA分区2 m气温升高对应于北大西洋位势高度升高、北欧及亚洲高纬地区位势高度升高。
将EAI回归到2015—2100年去趋势并标准化后的海温异常的回归系数场（图3c）表明，在EA分区气温升高时，欧亚大陆北部的挪威海、巴伦支海和喀拉海至北冰洋的海温呈现显著的暖异常状态。对北冰洋显著关键区（20°～150°E，70°～90°N）的海温进行区域平均，得到这一区域的海温时间序列，与EAI的相关系数为0.50（p＜0.05），这一区域的海温变化能解释EA分区25%的气温变化。同时，北大西洋区域海温从高纬至低纬与EAI的回归系数场呈现显著的“-、+、-”的特征分布，表明EAI异常偏高时，北大西洋海温异常场具有南北向三极型分布特征。
北大西洋海温异常的三极子型分布是北大西洋海温异常的主要模态［35］。将模式资料中2015—2100年海温去趋势后，对北大西洋夏季海温距平场（90°W～0°，0°～70°N）进行EOF分解，得到的第一模态的方差贡献率为17.2%，空间场上呈现海温南北向三极型分布特征（图4a）。北大西洋中纬度地区海温为正异常时的模态，时间系数PC1与EAI的相关系数为0.58（p＜0.05），两者在多年代际尺度上存在一致变化的特点（图4b），都在21世纪中期出现了趋势的转变，说明EA分区在该尺度上的变化受到北大西洋海温异常的重要影响。另外，PC1与北冰洋显著关键区（图3c）海温序列相关系数为0.91，两者变化具有同步性。
为进一步探究冬季NAO与北大西洋海温的关系，根据Hurrell等［36］定义的NAO指数（NAO Index，NAOI）进行计算：
INAO=PSL（35°N，10°W～10°E）-PSL（65°N，30°W～10°W）。 （1）
其中：INAO表示计算得到的NAO指数，PSL表示海平面气压。前冬NAOI对2015—2100年同期和次年春、夏及秋季北大西洋海温异常的回归系数场（图5）显示，冬季NAO可能会影响北大西洋海温异常的三极型分布，中纬度的海温与NAOI存在正相关关系，正NAOI对应着同期冬季北大西洋具有南北向“-、+、-”的分布模态（图5a），并且中纬度的偏暖状态在春季持续发展，在夏季达到最强，秋季减弱（图5b—d）。这表明在未来21世纪全球变暖的情况下，冬季的NAO正位相对次年夏季EA分区的升温具有重要作用。
夏季北大西洋海温异常三极型分布可能通过影响欧亚地区的位势高度异常进而影响EA分区的陆面2 m气温变化。夏季北大西洋海温异常EOF分解第一模态的时间系数对2015—2100年500 hPa和850 hPa去趋势位势高度异常的回归系数场（图6）表明，北大西洋中纬度海温显著正异常、南北两侧海温为负异常时，乌拉尔山及西侧地区500 hPa和850 hPa的位势高度出现显著正异常，同时中西伯利亚、蒙古及我国西北地区500 hPa位势高度明显偏高，对应于EA分区气温偏高。
对EAI及NAOI进行交叉小波谱及小波相干谱分析（图7），发现EAI与NAOI在年际、年代际尺度上具有持续的同位相变化（图7a），且在不同时段、不同周期段显示出显著相关性（图7b），即EAI与NAOI在21世纪30年代前于年际尺度上具有相关性，50年代至70年代从年际尺度到年代际过渡，具有10 a左右的周期变化，70年代以后在年代际尺度上的相关性更明显。
综上可知，前冬NAO正位相时会影响夏季北大西洋三极型海温异常分布，从而导致欧亚大陆的位势高度异常，与夏季新地岛以北的北冰洋海温的暖异常，共同造成了EA分区升温；反之亦然。
3.2 GL分区
GLI回归2015—2100年北半球500 hPa和850 hPa去趨势并标准化后的位势高度场异常的回归系数场（图8a、b）显示，GLI与东北太平洋至格陵兰，尤其格陵兰及周边海域上空的位势高度具有显著正相关关系，而与北美中纬度地区的位势高度为显著负相关。这表明当北美北部、格陵兰位势高度异常偏高而北美中纬度地区位势高度异常偏低时，GL分区2 m气温偏高。GLI回归到2015—2100年北大西洋海温异常的回归系数场（图8c）表明，GL分区夏季陆面气温与北大西洋、北太平洋北部海温存在正相关关系，即北大西洋中西部、北太平洋北部海温偏暖时，GL分区气温偏高。
计算2015—2100年夏季的AMO指数（AMO Index，AMOI）和太平洋海温关键区（150°W～160°E，45°～60°N）的海温序列（Northern North Pacific SST Index，简记为“NNPI”）。AMOI、NNPI分别回归2015—2100年500 hPa和850 hPa去趋势并标准化后的位势高度异常的回归系数场（图9）表明，AMOI正异常时，北美、加拿大群岛及格陵兰南部地区位势高度升高（图9a、b），与图8a、b反映的位势高度变化一致，对应于GL分区2 m气温升高。NNPI正异常时，格陵兰及周边地区位势高度显著正异常（图9c、d），同样促使GL分区升温。
对GLI与AMOI、NNPI分别进行XWT及WTC分析（图10），发现AMOI与GLI年际尺度变化的关系更多体现在21世纪70年代之后，在70年代至21世纪末存在年代际尺度上的一致变化。NNPI对GLI的影响主要在年代际尺度上，尤其是在21世纪20年代初至60年代，在60年代初及90年代末具有年际尺度上的相关性，此外两者还存在周期为20～30 a的一致变化。在未来变暖情景下，AMO的变化周期比现在缩短，AMO对气温的响应可能比现在有所减弱［37］。影响GL分区气温变化的因素复杂，可能还受到气温升高海冰减少的影响，其通过海冰反照率反馈机制改变极区的气候变化［38］，格陵兰周围海冰减少会增加海表吸收的太阳辐射，格陵兰附近海域海温升高（图8c），进而引起大气环流的改变［39-40］。
4 结论与讨论
对SSP2-4.5情景下未来21世纪北极地区陆面2 m气温的区域变化特征及其与北大西洋海温的关系进行研究，结果表明：
（1）欧亚大陆（EA）部分与北美-格陵兰（GL）部分的北极陆面2 m气温对未来全球变暖显示出不同的响应特征。EA分区21世纪中期之前显著增温，21世纪中期后表现为温度的振荡，总体的线性趋势为2.41℃/100 a；GL分区则持续变暖，线性趋势为2.67℃/100 a。EA、GL分区气温均具有年际和年代际（10～20 a）尺度上的变化，GL分区还存在显著的20～40 a准周期变化。
（2）21世纪EA分区陆面2 m气温变化会受到前冬NAO的调控作用。前冬NAO正位相会造成北大西洋持续到次年夏季的南北向“-、+、-”的海温异常，这种三极型海温异常分布会造成乌拉尔山及其西侧地区、中西伯利亚500 hPa、850 hPa位势高度的正异常，导致EA分区夏季气温偏高，这种影响主要体现在年代际尺度上。
（3）GL分区陆面2 m气温受到北大西洋和北太平洋北部海温异常的共同影响。在AMO指数及北太平洋北部海温出现正异常时，北美、加拿大群岛、格陵兰位势高度异常偏高，有利于GL分区气温暖异常，主要为年代际尺度上的影响。
基于CMIP6模式SSP2-4.5情景下的9个模式资料，根据北极地区2 m气温的区域变化特征，采用聚类分析进行北极气候区域划分，可为研究北极快速升温的物理过程提供更加客观和深入的认识。对GL分区夏季陆面气温影响因素的研究还需要进一步完善，如在不同变暖情景下，北极海冰的减少及减少程度会对极地的大气环流产生不同程度的影响，以及分析冰雪反照率反馈、普朗克反馈、水汽效应等对气温变化的影响。本文仅采用了SSP2-4.5这一中等辐射强迫下的情景，CMIP6数据集中还包括高排放情景和未来可持续发展的低排放情景，其他排放情景下的北极气温区域变化特征及影响因子研究是下一步的工作。此外，北极地区除了已分析的大陆部分，还包括海冰和海水，AMO、NAO对这些部分的表面气温也会造成影响，这也需要进一步拓展研究。
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