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为探究巴伦支 - 喀拉海（BKS）大气环流趋势的成因，研究人员开展相关研究，发现人为温室气体是 BKS 反气旋环流加强的主要驱动因素，人为气溶胶起次要作用，二者共占约 86%，该研究为理解北极大气环流对人为变暖的响应提供理论框架。
# 北极变暖新解：人为因素如何重塑大气环流格局
在地球的最北端，北极地区正经历着翻天覆地的变化。过去四十年间，这里仿佛开启了一场疯狂的 “气候变形记”，气温急剧上升，海冰像阳光下的冰淇淋一样快速融化，水文循环也变得异常活跃。这些变化不仅改变了北极的生态环境，还对全球气候产生了深远影响。
以往，人们大多将北极的这些变化归咎于人为变暖以及当地的反馈机制。然而，越来越多的研究表明，高纬度大气环流在其中也扮演着至关重要的角色。它就像一只无形的大手，通过热力学和动力学过程，在年际到年代际的时间尺度上，操控着北极的水文气候变化。
在北极大气环流的 “舞台” 上，北极涛动（AO）原本是主角，尤其是在冬季，它的一举一动都对气候有着重大影响。但如今，随着人为变暖加剧和海冰持续减少，北极环流正逐渐偏离 AO 模式。卫星观测时代以来，北极大气环流出现了一个显著变化 —— 反气旋异常不断增强，这在冬季的巴伦支 - 喀拉海（BKS）地区表现得尤为明显。与 20 世纪后半叶和 21 世纪初的观测结果不同，那时该地区以气旋异常为主，而现在反气旋异常（表现为位势高度正趋势）明显加强。这种变化不仅导致了北极地区局部的强烈变暖、海冰加速融化，还使得中纬度欧亚大陆出现降温，形成了所谓的 “暖北极 - 冷欧亚” 模式。
尽管 BKS 反气旋异常对北极和北半球中纬度地区的水文气候变化影响巨大，但它究竟是由外部强迫引起的，还是大气内部变率的一种表现，一直是个未解之谜。此前，研究人员通常认为这种反气旋环流异常是大气内部产生的变率导致的。然而，在一些基于观测到的人为排放进行的模型模拟中，也出现了类似的反气旋异常，这暗示着可能存在其他驱动因素。只是模型模拟出的 BKS 反气旋异常比实际观测到的要弱得多，这种差异可能源于模型的缺陷，或者是大气环流中存在的巨大内部变率，而这也正是气候变化预测中不确定性的主要来源，在高纬度地区表现得更为突出。
为了揭开这个谜团，来自多个研究机构的科研人员联合开展了一项深入研究。他们将耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的大集合气候模型模拟与最优指纹法相结合，评估了人为温室气体和气溶胶排放、自然强迫以及内部变率对卫星观测时代 BKS 反气旋异常的相对重要性，并探究了其中的物理机制。
研究人员在此次研究中运用了多种技术方法。一方面，他们采用了欧洲中期天气预报中心的 ERA5 再分析数据，包括 1979 - 2023 年的月平均位势高度、温度、比湿度和表面能量通量等数据，还使用了现代回溯分析研究与应用第二版（MERRA - 2）的月平均气溶胶光学厚度（AOD）数据，以及哈德利中心海冰和海表面温度数据集（HadISST2）的海冰浓度（SIC）观测数据。另一方面，他们利用了 11 个 CMIP6 模型的模拟数据，这些模型涵盖了历史（ALL）、工业化前控制（CTL）以及检测与归因模型比较计划（DAMIP）中的多个实验。此外，他们通过最优指纹法，将观测到的 BKS 反气旋环流指数变化与不同外部强迫下的模型模拟响应进行回归分析，以此量化各因素的贡献。
观测到的北极大气环流变化
研究人员首先分析了 ERA5 再分析数据中 1980 - 2023 年冬季对流层上层（Z300）位势高度的观测变化。结果发现，北极地区 Z300 普遍增加，BKS 地区增加最为显著。从地面到 200 hPa 高度，都呈现出类似的变化趋势，不过越靠近地面，趋势越弱。位势高度的变化模式显示，BKS 地区出现了异常的准正压反气旋环流。这种反气旋异常在 1980 - 2014 年期间表现得尤为强劲，它既不同于经典 AO 的负相位，也不同于北极偶极子的正相位，其地面特征与巴伦支振荡类似，可能代表了近几十年来北极冬季大气环流变化的一种稳定模式。
为了更准确地评估冬季 BKS 反气旋环流的变化，研究人员构建了 BKS 反气旋环流指数。该指数是通过对 Z300 异常值在 BKS 地区（10° - 100°E，70° - 85°N）进行平均得到的。1980 - 2023 年期间，该指数在年际和年代际时间尺度上都存在一定的变化。最明显的特征是，从记录初期的负相位逐渐转变为 21 世纪初之后的正相位，并且呈现出显著的正长期趋势（20.67 m decade?1，P < 0.01）。这一趋势与全球变暖趋势密切相关，暗示着人为变暖可能通过大气热膨胀驱动了 BKS 反气旋异常的增强。
强迫引起的北极大气环流变化
为了评估外部强迫和内部变率对 BKS 反气旋环流增强的影响，研究人员对比了 1980 - 2014 年观测数据和模型模拟中位势高度的变化。他们使用了 11 个 CMIP6 模型的模拟数据，这些模拟包括不同的外部强迫情景，如人为和自然强迫（ALL）、仅温室气体强迫（GHG）、仅气溶胶强迫（AER）和仅自然强迫（NAT），同时还利用了相应模型的工业化前控制（CTL）模拟来估计固定外部强迫下的内部变率。
结果显示，ALL 模拟能够较好地再现北极地区 Z300 的观测变化模式，北极地区（70°N 以北）的模式相关性达到 0.94，BKS 地区对 ALL 强迫的响应最强，模拟出的环流异常与观测模式相似，呈现出强对流层上层反气旋环流和准正压结构，但似乎包含斜压成分。然而，这种响应的幅度被明显低估，可能是由于模型集合平均减少了内部变率的影响，或者是 CMIP 模型存在系统性偏差，倾向于低估北极冬季环流异常和进入 BKS 的南风水汽通量。
GHG 模拟通常能够模拟出与 ALL 模拟和观测中类似的北极环流异常模式，Z300 模式相关性分别为 0.97（与 ALL 模拟相比）和 0.92（与观测相比），这表明人为 GHGs 可能是观测到的 BKS 反气旋环流异常的主要驱动因素。相比之下，Z300 对 AER 和 NAT 强迫的响应则弱得多且不稳定。AER 模拟中虽然出现了微弱但显著的反气旋异常，但其中心位置向 BKS 南部和乌拉尔地区偏移；而 NAT 强迫在北极地区没有明显响应，说明其对北极环流模式的影响可以忽略不计。
计算得到的 BKS 反气旋环流指数进一步支持了各强迫和内部变率的相对作用。观测到的 BKS 反气旋环流指数远远超出了内部变率的 5% - 95% 范围，表明观测到的增强趋势很大程度上可归因于外部强迫。ALL 和 GHG 模拟得到的 BKS 反气旋环流指数变化与观测值总体一致，但波动和趋势较弱，这表明 GHG 强迫对观测到的 BKS 反气旋异常贡献显著。AER 强迫对 BKS 反气旋环流指数的响应呈现出微弱的正趋势，但不显著，说明其对 BKS 反气旋环流增强的贡献较小。NAT 强迫引起的变化主要与 1991 年皮纳图博火山爆发的影响有关，其长期趋势可以忽略不计。
检测与归因
研究人员运用广泛采用的最优指纹法，对各外部强迫对观测到的 BKS 反气旋环流增强的相对贡献进行了量化。在双信号分析中，将观测到的 BKS 反气旋环流指数与模拟的人为（ANT，由 ALL 减去 NAT 得到）和 NAT 强迫响应进行回归。结果显示，ANT 和 NAT 的最佳估计缩放因子在 10% 的显著性水平上均显著大于零，表明这两种强迫对观测到的 BKS 反气旋环流变化都有可检测到的影响。ANT 缩放因子接近 1 且不确定性范围较小，意味着模拟的 ANT 强迫响应与观测结果一致。通过计算，ANT 强迫占观测到的 BKS 反气旋环流趋势的大部分（88%），而 NAT 强迫的贡献仅为 10%。
在三信号检测分析中，将观测到的 BKS 反气旋环流指数同时与 GHG、AER 和 NAT 强迫进行回归。结果进一步证实了 ANT 强迫是观测到的环流变化的主要贡献者，并且揭示了 GHGs 在 ANT 信号可检测性中的主导作用。GHG 强迫导致 BKS 反气旋环流指数增加了 14.45 m decade?1（10% - 90% 不确定性范围为 1.65 - 27.24 m decade?1），约占观测到的环流趋势的 58%；AER 强迫贡献了约 28%，NAT 强迫贡献约 8%。
综合检测与归因分析，研究人员得出结论：观测到的 BKS 反气旋环流增强不能仅归因于内部变率或自然强迫，主要是由于人为影响，特别是温室气体和气溶胶强迫。其中，人为温室气体是近期 BKS 反气旋环流增强的主要驱动因素，气溶胶起次要作用。
物理机制
北极反气旋环流对人为变暖响应变化的物理机制尚未完全明确，但可能涉及多种因素。研究人员认为，BKS 反气旋环流的加强可能主要是由海冰融化导致的局部变暖加剧所驱动。
人为变暖导致全球位势高度总体增加，但在区域尺度上存在显著的空间异质性。在北极，BKS 地区冬季的强烈变暖、湿润与暖季储存于上层海洋的热量在冬季释放到大气中密切相关。BKS 地区最强烈的海冰融化使得冬季大部分海洋表面暴露在大气中，通过表面向上长波辐射（观测值和 ALL 模拟值分别为 6.43 和 4.89 W m?2 decade?1）和湍流通量（观测值和 ALL 模拟值分别为 3.01 和 3.11 W m?2 decade?1）增加了海洋向大气的热量传递，从而放大了 BKS 地区的变暖，导致上层大气膨胀和上升，进而引发反气旋异常。
BKS 地区近期被认为是北极冬季变暖的热点地区，人为 GHGs 无疑是该地区变暖加剧的关键因素。虽然 GHGs 在北极地区分布大致均匀，但 GHG 模拟显示，BKS 地区出现了最强的低层大气变暖和湿润，同时该地区海冰损失最严重，这表明 GHG 引起的变暖因海冰快速融化而进一步加剧。在 GHG 引起的变暖作用下，BKS 地区海冰加速融化，这增加了暖季吸收的太阳辐射储存和冬季的释放，进一步放大了 BKS 地区对流层低层的变暖和湿润，导致局部位势高度更快增加，形成反气旋异常。而这种异常又通过向极输送湿静能和绝热加热进一步增强了 BKS 地区的变暖和海冰融化，形成了一个正反馈循环。
AER 强迫对 BKS 地区冬季变暖也有显著贡献，但程度远小于 GHG 强迫。AER 模拟显示，BKS 地区海洋热储存极少，其变暖响应可能反映了北极气溶胶长波辐射的局部影响，或者是北极以外地区气溶胶负荷减少的远程影响。冬季，北极气溶胶对太阳辐射的直接吸收和散射很小，气溶胶间接效应占主导，它可以通过增强低云的长波发射率和表面变暖来促进北极地区的增温。观测和 AER 模拟都显示北极地区气溶胶光学厚度（AOD）呈下降趋势，特别是在欧洲部分地区。AER 模拟中 BKS 地区的显著变暖与 20 世纪 80 年代以来欧洲和北美 AOD 的下降一致，这表明欧洲和北美气溶胶减少的远程强迫超过了北极气溶胶的局部强迫，通过向极热量传输导致了 BKS 地区的变暖，这种变暖还可能因 BKS 地区轻微的海冰损失而进一步放大，从而有助于 BKS 反气旋环流的加强。
相比之下，研究人员没有发现 NAT 强迫对 BKS 地区变暖和湿润有显著影响，这从机制上支持了 NAT 强迫对 BKS 反气旋环流加强贡献较小的归因结果。
综合来看，这项研究揭示了人为温室气体和人为气溶胶是导致 BKS 反气旋环流加强的主要因素，二者通过与海冰损失的耦合，引发了一系列的物理过程，形成了正反馈循环，进一步加剧了北极地区的气候变暖。这一研究成果为理解北极大气环流对人为变暖的响应提供了重要的理论框架，对预测北极及其他地区未来的气候和环境变化具有重要意义。然而，研究也存在一些局限性。例如，CMIP6 模型对 BKS 反气旋异常对人为强迫的响应存在显著低估，模拟的反气旋异常与观测到的垂直结构存在差异，并且 BKS 反气旋环流加强可能涉及多种机制，研究人员虽强调了局部变暖导致位势高度扩张的重要性，但无法排除其他过程的贡献。未来，还需要进一步改进气候模型，以更准确地模拟环流对不同外部强迫的响应，提高气候变化检测和归因的可靠性。
