未來北極夏季陸面氣溫變化區域特征及其與北大西洋海面溫度的關系

吳雨子 胡舒涵 趙傳湖 黃菲

摘 要 未來變暖背景下北極氣候變化特征研究具有重要意義，基于國際耦合模式比較計劃第六階段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）中對北極氣候變化模擬能力較好的模式模擬結果，研究SSP2-4.5情景下21世紀北極2 m氣溫的時空變化特征及其影響因素。結果表明：（1）極地陸地的歐亞大陸（Eurasia，EA）和北美-格陵蘭（Greenland，GL）對全球變暖具有不同的響應。EA在21世紀中葉前變暖趨勢顯著，之后主要表現為年代際尺度的冷暖振蕩；GL則始終保持增暖趨勢。EA、GL分區氣溫均存在年際、年代際（10～20 a）尺度上的波動，GL分區還存在20～40 a的準周期變化。（2）前冬北大西洋濤動正位相會引起次年夏季北大西洋呈南北向“-、+、-”三極型海面溫度異常，并通過影響大氣環流導致EA分區氣溫正異常，這種影響主要體現在年代際尺度上。（3）北大西洋多年代際振蕩為正異常時，北美至格陵蘭位勢高度偏高，GL分區增暖，并且這種影響在21世紀70年代后更重要；北太平洋北部的海面溫度正異常對GL分區增溫也有貢獻。

關鍵詞 北極；2 m氣溫；國際耦合模式比較計劃第六階段（CMIP6）；北大西洋；海面溫度

中圖分類號：P467文獻標志碼：A文章編號：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

基金項目：國家重點研發計劃項目（2019YFA0607004）；國家自然科學基金項目（41975061，42075024）

第一作者簡介：吳雨子，女，碩士研究生，主要從事北極氣候變化研究，wyz17866623062@163.com。

通信作者簡介：趙傳湖，男，博士，副教授，主要從事大尺度海氣相互作用和北極氣候變化研究，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 Yuzi^1，2， HU Shuhan^1，2， ZHAO Chuanhu^1，2， HUANG Fei^1，2

（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

自工業革命開始，全球氣溫呈現明顯的上升趨勢，且不同緯度、不同地區變暖的幅度及速率不一致。定量重建的近兩千年的北極溫度序列中，5個最溫暖的十年中有4個發生在1950—2000年^［1］，1971—2019年北極變暖的速度是全球變暖速度的3倍^［2］，高緯度海洋、大氣迅速增暖，海冰、凍土快速融化，這就是目前廣泛關注的“北極放大”現象^［3］。研究在未來變暖背景下北極氣溫的變化規律有助于深入理解北極變暖的機制。

北大西洋的海面溫度（以下簡稱“海溫”）變化對北極地區的氣候變化具有重要影響^［4］，北大西洋海溫異常會通過改變北半球中高緯度的大氣環流來影響北極的氣候變化^［5-6］。北大西洋多年代際振蕩（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）也是影響北極溫度年代際變化的重要因素，AMO的正異常狀態會造成大西洋和歐洲上空氣旋式環流異常，進而影響這些地區的溫度和降水^［7］。Li等^［8］進一步指出歐亞大陸的夏季地面氣溫變化會受到AMO的調控，當AMO處于正位相時歐亞大陸增暖，其中歐洲-西亞和東北亞地區增溫更明顯^［9］。北大西洋高緯度地區的海溫變化也受到AMO的顯著影響^［10-12］，巴倫支海、喀拉海變暖與AMO具有顯著相關性，海溫升高還會導致歐亞大陸上空的中高緯度西風減弱進而造成冬季烏拉爾阻塞增多，并進一步影響該地氣溫^［13］。但是，AMO對北極陸面氣溫影響的差異性及在全球變暖背景下的持續性還有待進一步分析。

冬季北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）作為北半球冬季大氣環流的重要模態，對北極地區同期及次年的氣候變化也有重要作用^［14-18］。NAO被認為是北大西洋-歐亞北部氣候變化的主導模態，占總變率的三分之一以上，但其在未來暖期背景下的影響還存在不確定性^［19］。研究表明歐亞大陸的夏季地面氣溫變化受到前期NAO的顯著影響，NAO的正位相狀態使得北歐溫度增加^［20-21］，NAO還會與局地阻塞事件協同影響歐洲的氣溫、降水異常，尤其在NAO中心偏東時^［22-23］。此外，由于北極變暖，北極海冰面積正在急劇下降，并通過巴倫支海、喀拉海變暖造成烏拉爾阻塞頻率增加，同時進一步導致高緯度歐亞大陸變暖、中亞地區出現降溫^［24］。如上所述，北極不同地區氣溫變化的物理機制可能是不同的，研究未來全球變暖的背景下，北極氣溫變化的區域特征及其影響因素具有重要意義。

對未來21世紀北極氣候變化的預估主要基于氣候模式，耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase，CMIP）目前已經進行到第六階段（CMIP6），利用CMIP6模式對區域氣候變化的研究正逐步開展。CMIP6的未來氣候預估情景設置了新的共享社會經濟途徑（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種從低到高輻射強迫情景^{［16，25］}。新的模式情景既考慮了人口增長、城市密度、土地使用、經濟發展的需要，也考慮了政府間應對氣候變化的減緩措施^［26］，能夠為北極氣候預估提供更加合理的模擬結果。

SSP2-4.5情景表示相對于工業化前水平的中等輻射強迫（2100年穩定在約4.5 W/m²），是中等社會脆弱性與中等輻射強迫的組合，是檢測歸因模式比較計劃（Detection and Attribution Model Intercomparison Project，DAMIP）和年代際氣候預測計劃（Decadal Climate Prediction Project，DCPP）研究關心的重點^{［16，27］}。本文對采用該情景下模擬較好模式的集合平均結果進行研究，根據北極地區陸面2 m氣溫的聚類分析結果，將北極劃分成2個區域，研究這2個區域氣溫變化的時頻特征及其與北大西洋海溫異常的可能聯系。

1 數據與方法

1.1 數據

使用CMIP6中在SSP2-4.5情景下對北極氣候模擬良好的9個模式（ACCESS-ESM1-5、BCC-CSM2-MR、CanESM5、CESM2-WACCM、EC-Earth3-CC、EC-Earth3-Veg、HadGEM3-GC31-LL、MRI-ESM2-0、TaiESM1），這些模式模擬結果能夠較好反映出研究時段的氣候均值、海冰變化的基本特征及其對全球變暖響應的物理約束關系^［28-30］。模式資料包括2015—2100年的海溫、2 m氣溫、位勢高度資料等，水平分辨率為1.25°×1.25°。

多模式集合平均可以減少氣候模式本身帶來的不確定性^［31］，本文使用SSP2-4.5情景下9個模式的集合平均結果分析2015—2100年北極氣溫變化的區域差異及其與大西洋的相關性。

1.2 方法

使用層次聚類（hierarchical cluster）分析北極夏季（7—9月）2 m氣溫變化，對北極氣候變化進行區域劃分。進行聚類分析時，采用Ward離差平方和作為聚類標準^［32］。

使用小波分析、回歸分析研究北極各分區溫度變化與海溫等因子的相關關系。小波分析可反映兩時間序列的時頻結構及其局部變化特征^［33］，通過交叉小波變換（cross wavelet transform，XWT）揭示2個變量共同的高能量區以及相位關系，根據小波相干譜（wavelet coherence，WTC）研究時頻結構中2個時間序列局部相關的密切程度^［34］。

2 未來北極陸面2 m氣溫變化區域差異

對2015—2100年北極地區（66.5°N以北）的夏季2 m氣溫資料進行聚類分析，將各點氣溫序列之間的離差平方和作為評價各站點相似程度的標準，按照相似程度進行分類。根據聚類分析結果，歐亞大陸（Eurasia，EA）與北美-格陵蘭（Greenland，GL）的氣溫變化具有顯著差異，因此，將北極地區分為2個區域進行研究（圖1a）。

將EA、GL分區各點的2 m氣溫時間序列進行區域平均后得到2個分區的溫度時間序列EAI_O（EA Index_Original）、GLI_O（GL Index_Original）（圖1b、c），2個分區都具有明顯的變暖特征，并且溫度變化幅度隨時間逐漸增大。EA分區在21世紀中期之前顯著增溫，21世紀中期后表現為在某平均水平的冷暖振蕩，總體的線性趨勢為2.41℃/100 a；而GL分區在整個21世紀都呈現顯著的線性變暖趨勢，為2.67℃/100 a。兩分區的變暖趨勢可視為對全球變暖的反映，將2個分區的線性變暖趨勢去除，得到去趨勢溫度序列EAI（EA Index）、GLI（GL Index），分析2個區域氣溫的年際和年代際變化特征。

EAI和GLI的小波分析結果表明，EA分區氣溫變化具有年際和年代際尺度上的信號，在21世紀60年代前以年際變化為主，自60年代開始還存在10～20 a周期的氣溫變化，并且可能存在40～80 a的多年代際周期（圖2a、b）。GL分區也存在年際、年代際的氣溫變化，在21世紀30年代至70年代存在顯著的10～16 a的準周期變化，在21世紀40年代至21世紀末存在20～40 a的準周期變化（圖2c、d）。

3 北極2 m氣溫變化與北大西洋海溫異常的關系

3.1 EA分區

EAI回歸2015—2100年北半球500 hPa和850 hPa去線性趨勢并標準化后的位勢高度場異常的回歸系數場（圖3a、b）顯示，歐亞大陸波羅的海至黑海、西伯利亞中東部的廣大地區及北大西洋中緯度地區為正值大值區，顯著負相關的區域位于加拿大群島、格陵蘭地區。這表明EA分區2 m氣溫升高對應于北大西洋位勢高度升高、北歐及亞洲高緯地區位勢高度升高。

將EAI回歸到2015—2100年去趨勢并標準化后的海溫異常的回歸系數場（圖3c）表明，在EA分區氣溫升高時，歐亞大陸北部的挪威海、巴倫支海和喀拉海至北冰洋的海溫呈現顯著的暖異常狀態。對北冰洋顯著關鍵區（20°～150°E，70°～90°N）的海溫進行區域平均，得到這一區域的海溫時間序列，與EAI的相關系數為0.50（p＜0.05），這一區域的海溫變化能解釋EA分區25%的氣溫變化。同時，北大西洋區域海溫從高緯至低緯與EAI的回歸系數場呈現顯著的“-、+、-”的特征分布，表明EAI異常偏高時，北大西洋海溫異常場具有南北向三極型分布特征。

北大西洋海溫異常的三極子型分布是北大西洋海溫異常的主要模態^［35］。將模式資料中2015—2100年海溫去趨勢后，對北大西洋夏季海溫距平場（90°W～0°，0°～70°N）進行EOF分解，得到的第一模態的方差貢獻率為17.2%，空間場上呈現海溫南北向三極型分布特征（圖4a）。北大西洋中緯度地區海溫為正異常時的模態，時間系數PC1與EAI的相關系數為0.58（p＜0.05），兩者在多年代際尺度上存在一致變化的特點（圖4b），都在21世紀中期出現了趨勢的轉變，說明EA分區在該尺度上的變化受到北大西洋海溫異常的重要影響。另外，PC1與北冰洋顯著關鍵區（圖3c）海溫序列相關系數為0.91，兩者變化具有同步性。

為進一步探究冬季NAO與北大西洋海溫的關系，根據Hurrell等^［36］定義的NAO指數（NAO Index，NAOI）進行計算：

I_NAO=P_SL（35°N，10°W～10°E）-P_SL（65°N，30°W～10°W）。??? ?（1）

其中：I_NAO表示計算得到的NAO指數，P_SL表示海平面氣壓。前冬NAOI對2015—2100年同期和次年春、夏及秋季北大西洋海溫異常的回歸系數場（圖5）顯示，冬季NAO可能會影響北大西洋海溫異常的三極型分布，中緯度的海溫與NAOI存在正相關關系，正NAOI對應著同期冬季北大西洋具有南北向“-、+、-”的分布模態（圖5a），并且中緯度的偏暖狀態在春季持續發展，在夏季達到最強，秋季減弱（圖5b—d）。這表明在未來21世紀全球變暖的情況下，冬季的NAO正位相對次年夏季EA分區的升溫具有重要作用。

夏季北大西洋海溫異常三極型分布可能通過影響歐亞地區的位勢高度異常進而影響EA分區的陸面2 m氣溫變化。夏季北大西洋海溫異常EOF分解第一模態的時間系數對2015—2100年500 hPa和850 hPa去趨勢位勢高度異常的回歸系數場（圖6）表明，北大西洋中緯度海溫顯著正異常、南北兩側海溫為負異常時，烏拉爾山及西側地區500 hPa和850 hPa的位勢高度出現顯著正異常，同時中西伯利亞、蒙古及我國西北地區500 hPa位勢高度明顯偏高，對應于EA分區氣溫偏高。

對EAI及NAOI進行交叉小波譜及小波相干譜分析（圖7），發現EAI與NAOI在年際、年代際尺度上具有持續的同位相變化（圖7a），且在不同時段、不同周期段顯示出顯著相關性（圖7b），即EAI與NAOI在21世紀30年代前于年際尺度上具有相關性，50年代至70年代從年際尺度到年代際過渡，具有10 a左右的周期變化，70年代以后在年代際尺度上的相關性更明顯。

綜上可知，前冬NAO正位相時會影響夏季北大西洋三極型海溫異常分布，從而導致歐亞大陸的位勢高度異常，與夏季新地島以北的北冰洋海溫的暖異常，共同造成了EA分區升溫；反之亦然。

3.2 GL分區

GLI回歸2015—2100年北半球500 hPa和850 hPa去趨勢并標準化后的位勢高度場異常的回歸系數場（圖8a、b）顯示，GLI與東北太平洋至格陵蘭，尤其格陵蘭及周邊海域上空的位勢高度具有顯著正相關關系，而與北美中緯度地區的位勢高度為顯著負相關。這表明當北美北部、格陵蘭位勢高度異常偏高而北美中緯度地區位勢高度異常偏低時，GL分區2 m氣溫偏高。GLI回歸到2015—2100年北大西洋海溫異常的回歸系數場（圖8c）表明，GL分區夏季陸面氣溫與北大西洋、北太平洋北部海溫存在正相關關系，即北大西洋中西部、北太平洋北部海溫偏暖時，GL分區氣溫偏高。

計算2015—2100年夏季的AMO指數（AMO Index，AMOI）和太平洋海溫關鍵區（150°W～160°E，45°～60°N）的海溫序列（Northern North Pacific SST Index，簡記為“NNPI”）。AMOI、NNPI分別回歸2015—2100年500 hPa和850 hPa去趨勢并標準化后的位勢高度異常的回歸系數場（圖9）表明，AMOI正異常時，北美、加拿大群島及格陵蘭南部地區位勢高度升高（圖9a、b），與圖8a、b反映的位勢高度變化一致，對應于GL分區2 m氣溫升高。NNPI正異常時，格陵蘭及周邊地區位勢高度顯著正異常（圖9c、d），同樣促使GL分區升溫。

對GLI與AMOI、NNPI分別進行XWT及WTC分析（圖10），發現AMOI與GLI年際尺度變化的關系更多體現在21世紀70年代之后，在70年代至21世紀末存在年代際尺度上的一致變化。NNPI對GLI的影響主要在年代際尺度上，尤其是在21世紀20年代初至60年代，在60年代初及90年代末具有年際尺度上的相關性，此外兩者還存在周期為20～30 a的一致變化。在未來變暖情景下，AMO的變化周期比現在縮短，AMO對氣溫的響應可能比現在有所減弱^［37］。影響GL分區氣溫變化的因素復雜，可能還受到氣溫升高海冰減少的影響，其通過海冰反照率反饋機制改變極區的氣候變化^［38］，格陵蘭周圍海冰減少會增加海表吸收的太陽輻射，格陵蘭附近海域海溫升高（圖8c），進而引起大氣環流的改變^［39-40］。

4 結論與討論

對SSP2-4.5情景下未來21世紀北極地區陸面2 m氣溫的區域變化特征及其與北大西洋海溫的關系進行研究，結果表明：

（1）歐亞大陸（EA）部分與北美-格陵蘭（GL）部分的北極陸面2 m氣溫對未來全球變暖顯示出不同的響應特征。EA分區21世紀中期之前顯著增溫，21世紀中期后表現為溫度的振蕩，總體的線性趨勢為2.41℃/100 a；GL分區則持續變暖，線性趨勢為2.67℃/100 a。EA、GL分區氣溫均具有年際和年代際（10～20 a）尺度上的變化，GL分區還存在顯著的20～40 a準周期變化。

（2）21世紀EA分區陸面2 m氣溫變化會受到前冬NAO的調控作用。前冬NAO正位相會造成北大西洋持續到次年夏季的南北向“-、+、-”的海溫異常，這種三極型海溫異常分布會造成烏拉爾山及其西側地區、中西伯利亞500 hPa、850 hPa位勢高度的正異常，導致EA分區夏季氣溫偏高，這種影響主要體現在年代際尺度上。

（3）GL分區陸面2 m氣溫受到北大西洋和北太平洋北部海溫異常的共同影響。在AMO指數及北太平洋北部海溫出現正異常時，北美、加拿大群島、格陵蘭位勢高度異常偏高，有利于GL分區氣溫暖異常，主要為年代際尺度上的影響。

基于CMIP6模式SSP2-4.5情景下的9個模式資料，根據北極地區2 m氣溫的區域變化特征，采用聚類分析進行北極氣候區域劃分，可為研究北極快速升溫的物理過程提供更加客觀和深入的認識。對GL分區夏季陸面氣溫影響因素的研究還需要進一步完善，如在不同變暖情景下，北極海冰的減少及減少程度會對極地的大氣環流產生不同程度的影響，以及分析冰雪反照率反饋、普朗克反饋、水汽效應等對氣溫變化的影響。本文僅采用了SSP2-4.5這一中等輻射強迫下的情景，CMIP6數據集中還包括高排放情景和未來可持續發展的低排放情景，其他排放情景下的北極氣溫區域變化特征及影響因子研究是下一步的工作。此外，北極地區除了已分析的大陸部分，還包括海冰和海水，AMO、NAO對這些部分的表面氣溫也會造成影響，這也需要進一步拓展研究。

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