南极海冰消退通过热带海洋增暖增强东亚夏季降水

《Earth's Future》：Antarctic Sea-Ice Loss Enhances East Asian Summer Precipitation Through Tropical Ocean Warming

　　

南极海冰预计会随着温室气体浓度增加而显著减少，其潜在影响可能超出南半球范围。然而，其对东亚气候的影响尚未被充分理解。研究人员利用地球系统模式试验和多模式模拟表明，21世纪末南极海冰消退将导致中国中部和南部夏季降水显著增加。这一降水响应在青藏高原强迫情景下因海冰消退加剧而进一步增强。额外的大气模式试验表明，仅靠大气路径无法将南极信号传递至东亚。相反，南极海冰消退通过异常向北的跨赤道热量输送和由半球间能量不平衡驱动的热带辐合带（ITCZ)南移，塑造了半球不对称的热带海表增温型，且该增温通过正的低云短波反馈进一步放大。热带大西洋和印度洋的 resulting 增暖通过罗斯贝波列(Rossby wave trains)和哈德莱环流(Hadley circulation)的调制，在中国东部引起异常东北风并在华南产生西南气流。这些环流变化增强了中国中部和南部的上升运动和降水。南极海冰消退约占高排放情景下该区域夏季降水预测增量的40%，凸显了其在塑造未来东亚气候中的潜在作用。

**研究背景与问题**

东亚夏季降水深受南亚夏季风和东亚夏季风的双重影响，复杂的季风系统使该地区极易遭受洪涝灾害，造成严重经济损失和社会影响。随着全球变暖加剧，东亚面临愈发严峻的气候挑战。研究表明，在2°C全球变暖情景下，中国年平均降水预计将增加3.2%–5.3%，显著高于全球平均增幅；暴雨日数（≥50 mm·day?1）预计将增加38.9%。尽管现有研究已揭示厄尔尼诺-南方振荡（ENSO)、热带印度洋和大西洋海表温度(SST)变率与东亚降水的密切关联，但关于南极海冰变化对东亚气候潜在影响的认识仍然不足。近年来，高纬度南半球过程对热带海洋的显著影响逐渐受到关注，特别是南极海冰变化所关联的南大洋增暖可能在塑造热带SST模式中发挥关键作用。2016年以来，南极海冰范围(SIE)持续低于长期平均值并屡创夏季新低，有研究指出这可能标志着南极海冰已发生状态转变。尽管短期内这一剧烈减少是否会持续尚存不确定性，但气候模式预测在高排放情景下，21世纪末南极海冰将显著减少——根据第六阶段耦合模式比较计划(CMIP6)模拟，在SSP5-RCP8.5情景下，2月南极海冰面积将较历史期减少约90%。已有的敏感性试验表明，南极海冰减少会引起极涡扩张、中纬度急流和风暴轴向赤道方向移动；耦合模式研究则显示南极海冰消退可显著改变南半球大陆的极端温度和降水事件，导致热带海洋增暖、厄尔尼诺事件增加乃至北极增暖。然而，南极海冰消退对东亚夏季降水的具体影响及其物理机制尚不清楚，这正是本研究要回答的核心科学问题。

**研究设计与主要结论**

基于上述科学问题，Z. Zhu等研究人员假设未来南极海冰消退可能通过改变热带SST对东亚夏季降水产生显著影响，并利用全耦合气候模式和额外的大气模式模拟开展了系统研究。研究发现，南极海冰消退可导致中国中部和南部夏季降水稳健增加，该效应主要通过热带大西洋和印度洋增暖实现。CMIP6多模式模拟进一步支持了南极海冰消退与中国中部和南部降水之间的负相关关系。在高排放情景下，由南极海冰消退导致的降水增量约占未来增暖所致总增量的40%。该成果发表在《Earth's Future》，强调了将南极海冰变率纳入东亚未来水文气候预测的必要性。

**主要技术方法**

本研究采用的技术方法主要包括：（1）基于NCAR开发的CESM1.2地球系统模式开展全耦合试验，包括参照试验（南极海冰为1980–1999年平均）、未来海冰消退试验（2080–2099年SSP5-8.5情景平均）和更强海冰消退试验（CO?四倍强迫下331–350年平均），各试验积分500年取后200年分析；（2）基于CAM5大气分量开展大气模式试验，包括验证大气直接传输效应的南极海冰敏感性试验，以及分离关键区域作用的整热带、热带印度洋、热带太平洋和热带大西洋SST异常强迫试验；（3）利用43个CMIP6模式的历史试验和SSP5-8.5情景模拟数据，通过1951–2000年与2051–2100年对比并进行全球平均温度归一化处理，分析跨模式关系；（4）使用CESM1大集合计划（40个集合成员）的历史试验和RCP8.5情景模拟数据，评估2080–2099年相对于1980–1999年的变化。分析内容涵盖降水、海表气压、风场、垂直速度、水汽收支、跨赤道热量输送及海洋经向翻转环流等变量。

**研究结果**

**一、南极海冰消退引发中国中部和南部夏季降水稳健增加**

全耦合试验显示，与参照试验相比，未来海冰消退试验中年平均南极SIE减少7.88百万km2，导致中国中部和南部（25°–35°N, 100°–122°E)夏季降水显著增加，区域平均增幅约0.6 mm·day?1；降水日数亦呈显著增加，日降水超过25 mm（50 mm）的天数增加0.5–2.5天（0.1–0.8天），较参照试验平均增加约20%（40%）。在更强海冰消退试验中，降水响应型态一致但幅度更大，区域平均降水增加约0.93 mm·day?1。CMIP6多模式分析表明，南极SIE减少与中部和南部中国夏季降水变化呈显著负相关（相关系数?0.36，通过95%置信度检验），百万km2海冰减少对应降水增加约0.09 mm·day?1，与敏感性试验结果（约0.08 mm·day?1)相当，证实了响应的稳健性。环流分析表明，该降水增加伴随东亚海表气压(SLP)正异常与西北太平洋负异常，形成中国东部异常东北风和低纬度异常西南风；低层辐合与高层辐散相配合，增强上升运动，水汽收支分析显示垂直平流和辐散项主导了水汽增加。

**二、南极海冰消退影响中国中部和南部降水的机制**

大气模式试验表明，在无海气耦合条件下，南极海冰消退无法通过纯大气过程直接影响中国中部和南部降水，凸显了海洋-大气耦合的关键作用。全耦合试验中，热带SST响应呈现显著的半球不对称型，南半球热带增温更强，尤其是东南热带区域，同时热带太平洋呈现类厄尔尼诺型增温。这一格局的机制在于：南极海冰消退通过减少短波反射和增强南大洋海气热通量，增加南半球净能量输入；依据纬向平均大气能量框架，该半球能量不平衡要求跨赤道能量输送和ITCC南移与之匹配。具体而言，向北的跨赤道大气热量输送(AHT)和海洋热量输送(OHT)增强，ITCZ南移，同时南半球副热带经向翻转环流减弱，作为负反馈促进异常强的向北OHT输送。上述过程有利于南半球热带SST增温强于北半球。此外，半球能量不平衡引发的热带增温进一步触发东南热带海洋的正低云短波反馈，放大该区域SST增暖。

为分离热带SST的关键作用，研究人员将全耦合试验中的热带SST异常施加于大气模式，结果再现了类似的降水增加响应，表明热带SST增暖是 Antarctic 海冰消退影响中国中部和南部气候的关键传导渠道。进一步分区试验表明，热带大西洋和印度洋增温对中部和南部中国降水增加起主导作用，而热带太平洋增温仅导致长江中下游轻度降水减少并在华南约25°N附近贡献有限增加。具体机制为：热带大西洋增温激发源自北大西洋至东北亚的等效正压罗斯贝波列，在东北亚形成气旋式异常；同时相关非绝热加热增强热带大西洋上升运动，通过调制沃克环流(Walker circulation)和哈德莱环流，在西北太平洋形成反气旋异常。热带印度洋增暖则通过相关非绝热加热驱动向东的赤道开尔文波(Kelvin wave)，其异常东风风切变抑制西北太平洋副热带对流而形成反气旋异常；同时触发自西亚至东北亚的罗斯贝波列，在东北亚形成气旋式异常。因此，热带大西洋和印度洋增暖共同促成东北亚气旋式异常与西北太平洋副热带反气旋式异常的组合，在中国中部和南部诱导辐合气流和降水增加。线性叠加热带大西洋和印度洋增温的环流响应，在中纬度产生东亚异常反气旋旋式和西北太平洋气旋式异常，形成中国东部异常东北风；低纬度则产生自孟加拉湾北部至华南的显著异常西南气流，输送暖湿气流。上下层配置增强垂直运动，导致水汽辐合和垂直水汽平流增加，与全耦合试验高度一致。

**三、南极海冰消退对21世纪末变化的贡献**

CESM1大集合预测显示，高排放情景下21世纪末中国夏季降水显著增加，尤其华南和藏东南地区；长江以南地区日降水超过25 mm（50 mm）的天数平均增加约40%（250%）。南极海冰消退对这些降水增加有正贡献，长江以南贡献为数十个百分点，北侧局地贡献可达主导程度；平均而言，可解释中部和南部中国降水预测增量约一半，其对降水的贡献超过对热带SST增暖的贡献，反映了区域降水对SST空间型和非线性响应的敏感性。

**讨论与结论**

研究人员指出，由于海冰扰动试验基于CESM2模拟的南极海冰，而未来预测来自CESM1大集合，两者并非严格可比。经线性比例调整后，南极海冰消退对 basin-mean SST的贡献为20%–25%，对中部和南部中国平均降水的贡献约40%。

研究揭示了一条自南极海冰消退经热带海洋增暖至中国中部和南部夏季降水增强的关键遥相关路径。南极海冰消退通过增加南半球能量输入、增强跨赤道热量输送和ITCZ南移，诱导半球不对称的SST响应，正低云短波反馈进一步放大东南热带海洋增暖。热带大西洋和印度洋的SST异常激发罗斯贝波列并调制沃克环流和哈德莱环流，改变东亚和南亚上空大尺度环流，增强孟加拉湾季风槽并诱导中国东部异常东北风，最终增强水汽辐合和降水。这些结果凸显了海气耦合在传输海冰消退信号中的关键作用。

研究人员同时坦承本研究存在的局限性：常用的海冰扰动方法可能引入人为加热而对模拟响应产生偏差，现有研究表明不同方法可能高估气候响应10%–50%；本试验为平衡态模拟，允许海洋对海冰消退充分响应，这与海洋响应可能滞后的瞬态模拟（如RCP8.5情景运行）形成对比，因此对南极海冰消退的降水响应定量估计及其对未来变暖贡献的解释需谨慎对待。此外，研究结论基于CESM1.2试验，鉴于气候模式间差异，所提机制的稳健性有待进一步研究评估。