太平洋年代際變化(Pacific Decadal Oscillation，PDO)是描述北太平洋海溫變化的重要指數，目前有少量研究指出PDO可對北極地區的大氣環流造成一定影響，但沒有指出PDO與北極大氣環流在何種配置情況下會對夏季北極海冰減少產生顯著影響。近日，海洋所黃海軍課題組研究人員首次揭示了太平洋年代際變化的相位更迭對夏季時期北極偶極子DA大氣環流模式以及太平洋扇區海冰變化的調控機制。
進入21世紀以來，北極地區海冰覆蓋面積呈現快速減少的變化趨勢。北極偶極子（Dipole Anomaly，簡稱DA）大氣環流模式對北極太平洋區（PAS）夏季海冰密集度（SIC）的變化起關鍵調節作用。當北極偶極子處于正相位（DA+）時期，格陵蘭島和加拿大北極群島一側出現海平面氣壓正異常，而對面一側的歐亞大陸區域出現負壓異常（北美一側為中心的反氣旋式大氣環流，圖1a）。有研究指出，這種形態的大氣環流模態能同時促進海冰的平流輸出和快速融化過程，進而通過海冰-反照率正反饋機制的作用，對太平洋扇區內（Pacific-Arctic Sector，簡稱PAS）海冰覆蓋面積顯著減少產生影響（Bi et al. 2019）。
圖1. 不同大氣環流模式相關的大氣位勢高度異常（850-hPa）
研究人員根據衛星觀測和再分析氣象資料，從新的角度解釋了影響北極地區海冰快速減少的新機制。研究團隊根據再分析資料結果發現，與PDO正位相時期（PDO+）相比，處于PDO負相位（PDO-）海洋狀態條件下的DA+所“支配”的大氣環流模態，在加拿大群島一側的正壓異常和對側歐亞大陸的負壓異常都得到增強（圖 1e）。接著研究人員基于近40年的衛星觀測資料發現，與DA+相關的反氣旋式大氣環流對太平洋扇區內邊緣海區域海冰密集度變化的影響程度與太平洋年代際變化PDO的相移有關。換言之，當DA+大氣環流模式受到PDO不同相位海洋狀態條件的調節，北極太平洋扇區內的海冰密集度將出現顯著變化。衛星遙感數據顯示在東西伯利亞海（ESS）、波弗特-楚科奇海（BCS）、加拿大北極群島區域（CAA）的區域平均海冰密集度分別變化了+4.9%、-7.3%和-6.4%（即SIC(PDO-,AD+) - SIC(PDO+, AD+)）（圖2）。
圖2. 不同大氣環流狀態影響下的夏季（6-8月）海冰密集度異常
通過分析氣象數據資料，研究發現受PDO-（PDO+）海洋背景狀態調制作用，DA+相關的大氣環流模式可導致BCS和CAA兩個區域上空對流層下部（500~1000hPa）的大氣比濕度、氣溫以及由此產生的向下長波輻射異常增強（減弱）。深入分析表明，在這兩個區域比濕度和空氣溫度的異常變化主要與向極水汽輸運通量以及水汽和熱通量的聚散過程變化相關（圖3）。因此，相對于PDO+，在處于PDO-情況下，DA+大氣環流造成的這兩個區域（CAA和BCS）的海冰密集度時期更小。另外，本文研究揭示海表溫度和風應力異常則是造成東西伯利亞海地區海冰密集度顯著變化的主要原因。與前人研究結論不同，本文定量計算結果指出云量異常對研究區海冰異常變化的貢獻不明顯。
圖3 不同大氣-海洋耦合狀態下的水汽聚散分布特征
鑒于PDO的年代際振蕩性質，研究人員推測近期向北太平洋向PDO+相位狀態的轉變可能對夏季北冰洋海冰覆蓋面積減少趨勢起到暫時的減緩作用。綜上，本研究揭示了中、高緯大氣相互作用機制對北極氣候和海冰產生的調控機理，為深入理解中緯度海洋-大氣相互作用以及中-高緯大氣遙相關機制起到推動作用。相關研究成果近期在線發表于國際學術期刊Journal of Climate （JCR一區Top期刊，IF=5.7）。
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Bi, Haibo., Yunhe. Wang, Yu Liang, et al, （2021）. Influences of Summertime Arctic-Dipole Atmospheric Circulation on Sea Ice Concentration Variations in the Pacific Sector of the Arctic During Different Pacific Decadal Oscillation Phases. Journal of Climate, DOI: 10.1175/JCLI-D-19-0843.1
Bi, Haibo., Qinghua Yang, Xi Liang,et al. （2019a）. Contributions of advection and melting processes to the decline in sea ice in the Pacific sector of the Arctic Ocean. The Cryosphere 13(5): 1423-1439.
