全球變暖與地球“三極”氣候變化

李菲,郜永祺,萬(wàn)欣,李倩,郭東林,王朋嶺,李惠心

① 卑爾根大學(xué) 地球物理研究所/皮耶克尼斯氣候研究中心,卑爾根 5007;② 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;③ 南森環(huán)境遙感中心/皮耶克尼斯氣候研究中心,卑爾根 5007;④ 中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所 竺可楨-南森國(guó)際研究中心,北京 100029;⑤ 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所/中國(guó)科學(xué)院青藏高原環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;⑥ 新南威爾士大學(xué) 氣候變化研究中心,悉尼 2052;⑦ 國(guó)家氣候中心,北京 100081

*聯(lián)系人，E-mail:Yongqi.Gao@nersc.no

青藏高原是全球海拔最高的高原,與北極、南極并稱為地球“三極”。作為全球氣候變化的敏感區(qū)與關(guān)鍵區(qū),地球三極研究成為當(dāng)前前沿研究熱點(diǎn)之一(Kang et al.,2010;Gao et al.,2015;Rignot et al.,2019;王會(huì)軍等,2020a)。北極和南極地區(qū)是地球最主要的冷源,觀測(cè)到的最低氣溫分別為-67.7 ℃和-89.2 ℃。北極地區(qū)主要是北冰洋。北冰洋大部分終年被海冰覆蓋。受北上暖濕海洋洋流的影響,北極年平均溫度約為8 ℃。南極地區(qū)主要是南極大陸。南極冰蓋約占南極大陸面積的98%。由于常年受極地高壓和極地東風(fēng)控制,南極大陸氣候酷寒(年平均溫度約為-25 ℃)且干旱,有“白色沙漠”之稱。青藏高原是除南北極以外地球上陸地冰川分布最多的地區(qū)。青藏高原氣溫比較低(大部分地區(qū)年平均氣溫低于5 ℃),空氣稀薄,太陽(yáng)輻射比較強(qiáng)。北極和青藏高原地區(qū)是近百年來(lái)全球增暖最顯著的區(qū)域。氣候變暖導(dǎo)致地球三極冰凍圈(包括積雪、冰川、冰蓋、海冰、凍土等)大范圍退縮。具體而言,在過(guò)去40 a里,北極海冰范圍和厚度減小,青藏高原多年凍土退化,以及南極冰蓋物質(zhì)持續(xù)虧損(P?rtner et al.,2019)。地球三極在受到全球氣候變化驅(qū)動(dòng)的同時(shí),也通過(guò)多種反饋機(jī)制改變大氣和海洋環(huán)流,從而對(duì)區(qū)域甚至全球水文、生態(tài)和氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響(Bronselaer et al.,2018;Yao et al.,2019;Cohen et al.,2020)。本文將分析總結(jié)出全球變暖背景下地球三極氣候變化的基本特征及其對(duì)區(qū)域氣候的反饋,同時(shí)探究地球三極氣候變化的關(guān)聯(lián)性。北極和南極通常是指60°N以北和60°S以南地區(qū),本文定義海拔高度2 600 m以上的亞洲內(nèi)陸高原為青藏高原,使用青藏高原臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù),NASA GISS全球溫度數(shù)據(jù),NSIDC海冰數(shù)據(jù)和ECMWF再分析資料(表1)。

表1 本文使用的數(shù)據(jù)

1 全球變暖背景下地球三極年代際氣候變化的基本特征

自工業(yè)革命以來(lái)地球三極氣候呈現(xiàn)變暖趨勢(shì)并疊加年際、年代際尺度變化的特征。全球平均和地球三極表面溫度異常時(shí)間序列(圖1a)顯示,自19世紀(jì)80年代以來(lái),全球平均表面溫度持續(xù)升高(IPCC,2013)。僅在1998—2012年期間,全球平均增溫速率較之前趨緩,出現(xiàn)了“全球變暖停滯”現(xiàn)象(Trenberth et al.,2014)。與全球平均相比,北極地區(qū)表面溫度變化呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。兩次年代際時(shí)間尺度上的變暖分別出現(xiàn)在1920—1940年和1970年至今。20世紀(jì)90年代以來(lái),北極變暖幅度是全球平均的2～3倍,被稱為“北極放大”現(xiàn)象(Serreze and Barry,2011)。青藏高原現(xiàn)有氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)年代較短,自20世紀(jì)60年以來(lái),青藏高原地區(qū)增溫速率與北極地區(qū)一致,亦明顯高于同期全球平均水平(中國(guó)氣象局氣候變化中心,2020),但近10 a來(lái)增溫幅度低于北極地區(qū)。南極地區(qū)(包括南極大陸和南大洋)增溫幅度較小。南大洋海表在過(guò)去幾十年中出現(xiàn)了延遲變暖甚至略微的降溫(Swart et al.,2018)。Armour et al.(2016)研究指出,南大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的變化對(duì)應(yīng)南極大陸周圍海洋上升流增強(qiáng),冷水上翻使得該區(qū)域變暖延緩。

圖1 逐月表面溫度(a;單位:℃)以及南北極海冰范圍(單位:106 km2)和青藏高原積雪深度(單位:cm)(b)異常時(shí)間序列(5 a滑動(dòng)平均;橙色線是青藏高原(海拔高于2 600 m),紅色線是北極(60°～90°N),淺藍(lán)色線是南極(60°～90°S),深藍(lán)色線是全球平均;氣候態(tài)時(shí)間段為1981—2010年)Fig.1 Time series of monthly (a) surface temperature (units:℃),and (b) Arctic and Antarctic sea ice extents (units:106 km2) and Tibetan Plateau snow depth (units:cm) anomalies (5-year running mean.Orange line is the Tibetan Plateau (the elevation above 2 600 m),red line is the Arctic (60°—90°N),light blue line is the Antarctic (60°—90°S),and dark blue line is global mean.Relative to the climatological mean during 1981—2010)

圖2 北半球冬季(12月、次年1月和2月平均)青藏高原表面溫度(a;單位:℃)和積雪深度(d;單位:cm)異常的空間分布,以及北半球冬季北極(b,e)和南極(c,f)表面溫度(b,c;單位:℃)和海冰密集度(e,f;單位:%)異常的空間分布(差值為2000—2019/2017年減去1980—1999年)Fig.2 Spatial distributions of boreal winter (averaged in December,next January and February) (a) surface temperature (units:℃) and (d) snow depth (units:cm) anomalies over the Tibetan Plateau,and spatial distributions of boreal winter (b,c) surface temperature (units:℃) and (e,f) sea ice concentration (units:%) anomalies over the (b,e) Arctic and (c,f) Antarctica (2000—2019/2017 minus 1980—1999)

相對(duì)于表面溫度的變化,地球三極冰凍圈(海冰、積雪等)的演變更加復(fù)雜,是全球氣候變化中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。南北極海冰范圍和青藏高原積雪深度異常時(shí)間序列(圖1b)表明,自1979年以來(lái),北極地區(qū)海冰覆蓋范圍大幅度減少。最小值出現(xiàn)在2012年9月,其次是2007年9月。與之不同,南極地區(qū)海冰覆蓋范圍呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但在2014年之后持續(xù)縮小。前一時(shí)期南極海冰范圍增加與南大洋深層暖水進(jìn)入冰架底部有關(guān)。南大洋冰架底部融化,淡水輸出,通過(guò)增強(qiáng)上層海洋穩(wěn)定性,抑制了海表冷水的向下混合以及深層暖水的向上熱損失。這有助于南極海冰范圍的增加,延緩了南大洋海表變暖(Bintanja et al.,2013;Schmidtko et al.,2014)。雖然青藏高原作為一個(gè)整體,表面溫度是隨全球增溫而增加的,但是,積雪深度并非連續(xù)一致變化。青藏高原地區(qū)積雪深度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),在20世紀(jì)90年代前后達(dá)到最大值,與前人的研究基本一致(You et al.,2020)。氣溫和降水都是影響青藏高原積雪演變的重要因素,在1960—1990年期間青藏高原降水偏多,“增溫增濕”是造成積雪深度增加的主要原因(萬(wàn)欣等,2013;沈鎏澄等,2020)。此外,20世紀(jì)90年代之后積雪消融可能與青藏高原大氣中吸光性氣溶膠(黑碳、棕碳、沙塵等)增加有關(guān)(Cong et al.,2009;Wan et al.,2015;Li et al.,2016;Sarangi et al.,2020)。

圖3 北半球夏季(6月、7月和8月平均)青藏高原表面溫度(a;單位:℃)和積雪深度(d;單位:cm)(d)異常的空間分布,以及北半球夏季北極(b,e)和南極(c,f)表面溫度(b,c;單位:℃)和海冰密集度(e,f;單位:%)異常的空間分布(差值為2000—2019/2017年減去1980—1999年)Fig.3 Spatial distributions of boreal summer (averaged in June,July and August) (a) surface temperature (units:℃) and (d) snow depth (units:cm) anomalies over the Tibetan Plateau,and spatial distributions of boreal summer (b,c) surface temperature (units:℃) and (e,f) sea ice concentration (units:%) anomalies over the (b,e) Arctic and (c,f) Antarctica (2000—2019/2017 minus 1980—1999)

地球三極冬、夏季氣候變化存在顯著的差異。圖2和圖3分別給出了北半球冬、夏季(即南半球夏、冬季)地球三極表面溫度,青藏高原地區(qū)積雪深度以及南北極地區(qū)海冰密集度年代際異常的空間分布。21世紀(jì)初(2000—2019年)與20世紀(jì)末(1980—1999年)相比,北半球冬、夏季青藏高原和北極地區(qū)均變暖,其中以冬季增溫最顯著。青藏高原氣象觀測(cè)臺(tái)站多集中于高原的東部和南部。冬季所有站點(diǎn)表面溫度異常均為正值(0.43～2.34 ℃),大部分站點(diǎn)積雪深度異常為負(fù)值,表明青藏高原表面溫度變化一致偏暖,總體上積雪變薄(圖2a、2d)。海拔是影響氣溫和積雪變化的重要地形因子,青藏高原地區(qū)氣候變暖存在 “海拔依賴現(xiàn)象”(Guo et al.,2021)。冬季高原增溫最為顯著的區(qū)域出現(xiàn)在高原西南部和中部江河源區(qū)(念青唐古拉山-唐古拉山-巴顏喀拉山-阿尼瑪卿山)。冬季積雪深度負(fù)異常的中心分別在聶拉木站(3 810 m)和沱沱河站(4 533.1 m)。夏季,青藏高原增溫幅度約為冬季增幅的一半(0.28～1.34 ℃)。積雪深度變化不明顯,僅清水河站(4 415.4 m)積雪變薄(圖3a、3d)。

北半球冬季北極增暖主要發(fā)生在北冰洋和邊緣陸地海岸帶,同時(shí),歐亞大陸中部變冷(-0.84～4.75 ℃)。與表面增溫一致,格陵蘭海和巴倫支海海冰減少(圖2b、2e)。夏季北極增暖較弱并南移至陸地海岸帶和格陵蘭冰蓋上(0～1.48 ℃)(圖3b)。北冰洋周圍的各邊緣海(包括巴倫支海,喀拉海,拉普捷夫海,東西伯利亞海和楚科奇海北部)海冰大范圍減少(圖3e)。北極海冰減少通過(guò)強(qiáng)的冰-溫度正反饋在過(guò)去30 a北極加速變暖中起主導(dǎo)作用(Screen and Simmonds,2010)。南半球夏、冬季南極地區(qū)表面溫度異常沿海陸分界線呈現(xiàn)出正負(fù)值交替分布的特征,變暖主要位于阿蒙森海和別林斯高晉海(西南極)以及印度洋(東北極)附近,變冷主要位于威德?tīng)柡?西北極)附近(圖2c、3c)。另外,夏季南極大陸偏暖,冬季太平洋(東南極)附近偏冷。夏、冬季南極地區(qū)表面溫度變化幅度相當(dāng)(分別為-0.80～1.67 ℃和-1.01～2.03 ℃)。夏季阿蒙森海和別林斯高晉海海冰減少,但威德?tīng)柡Ｓ蚝土_斯海海冰增加(圖2f)。冬季海冰范圍異常擴(kuò)張至65°～70°S(圖3f)。

2 地球三極氣候變化對(duì)區(qū)域氣候的影響

地球三極不但是全球氣候變化的敏感地區(qū),而且可以通過(guò)冰凍圈與大氣的強(qiáng)耦合過(guò)程影響大尺度環(huán)流異常,進(jìn)而對(duì)區(qū)域氣候和環(huán)境產(chǎn)生較大影響(Gao et al.,2015;Bronselaer et al.,2018;Li et al.,2019b;Yao et al.,2019)。本文著重分析了北半球冬季(即南半球夏季)全球表面溫度和300 hPa位勢(shì)高度,以及積雪深度和250 hPa緯向風(fēng)年代際異常的空間分布(圖4)。21世紀(jì)初(2000—2019年)與20世紀(jì)末(1980—1999年)相比,冬季北極地區(qū)是全球增暖最顯著的區(qū)域。環(huán)流場(chǎng)在歐亞大陸西北部呈現(xiàn)顯著的位勢(shì)高度正異常(中心值大于75 gpm),而在其東南方向有一位勢(shì)高度負(fù)異常(中心值小于-15 gpm)。這種環(huán)流變化有助于斯堪的納維亞和烏拉爾山地區(qū)阻塞頻次的增加,極地的強(qiáng)冷空氣頻繁地南下,造成歐亞大陸中部的低溫(圖4a)(Liu et al,,2012;Luo et al.,2016;He et al.,2020)。需要指出的是,一些數(shù)值試驗(yàn)未能較好地模擬出上述現(xiàn)象,“北極放大”與北半球中緯度變冷聯(lián)系的機(jī)制問(wèn)題仍在爭(zhēng)論中(Screen et al.,2018;Cohen et al.,2020)。另外,北極變暖減弱了極渦以及在北大西洋一側(cè)的極夜急流,不利于海洋上空的水汽向陸地輸送(Li and Wang,2012)。在過(guò)去20 a里,冬季歐亞大陸北部(除南西伯利亞和東西伯利亞山地以外)“變暖變干”導(dǎo)致了該區(qū)域積雪的減少(圖4b)。

圖4 北半球冬季全球表面溫度(填色;單位:℃)和300 hPa位勢(shì)高度(等值線;單位:gpm)異常的空間分布(a),以及北半球冬季全球積雪深度(填色;單位:mm·d-1)和250 hPa緯向風(fēng)(等值線;單位:m·s-1)異常的空間分布(b)(差值為2000—2019年減去1980—1999年)Fig.4 (a) Spatial distribution of global surface temperature (colour shaded areas;units:℃) and 300 hPa geopotential height (contours;units:gpm) anomalies in boreal winter,and (b) spatial distribution of global snow depth (colour shaded areas;units:mm·d-1) and 250 hPa zonal wind (contours;units:m·s-1) anomalies in boreal winter (2000—2019 minus 1980—1999)

青藏高原平均海拔高度4 000 m以上,可達(dá)對(duì)流層中層,有“世界屋脊”之稱。冬季中緯度西風(fēng)帶遇青藏高原發(fā)生繞流,并在下游匯合形成了東亞副熱帶西風(fēng)急流,是東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)的重要成員之一(顧震潮,1951)。如圖4所示,冬季歐亞大陸中部變冷與青藏高原增暖同時(shí)出現(xiàn),使得大氣的經(jīng)向溫度梯度增加,東亞副熱帶西風(fēng)急流加強(qiáng)西伸(Li et al.,2014a)。這與21世紀(jì)初東亞冬季季風(fēng)年代際增強(qiáng)是一致的(Wang and Chen,2014)。在20世紀(jì)90年代前后,青藏高原地區(qū)積雪深度達(dá)到最大值(圖1b)。冬季青藏高原多雪可以持續(xù)到次年春末夏初,通過(guò)夏季融雪時(shí)融化吸熱和濕土壤異常與大氣的相互作用,減弱夏季青藏高原熱源以及海陸熱力對(duì)比。這是20世紀(jì)90年代中期東亞夏季風(fēng)減弱和我國(guó)東部夏季降水出現(xiàn)“南澇北旱”的重要原因之一(Kwon et al.,2007;朱玉祥等,2009)。此外,青藏高原也被稱為“亞洲水塔”,冰雪融水是青藏高原重要的水資源。青藏高原加速變暖導(dǎo)致了冰川退縮,凍土退化,積雪減少。融水逐年增加,湖泊擴(kuò)張以及河流徑流增加(例如,雅魯藏布江、怒江和瀾滄江),進(jìn)一步改變了高原區(qū)水循環(huán)過(guò)程,將給青藏高原及周邊地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)深刻影響(Kang et al.,2010;Yao et al.,2019)。

南半球夏季南極大陸呈現(xiàn)略微的升溫。南半球環(huán)狀模(Southern Hemisphere Annular Mode,SAM)用于描述南半球中高緯度氣壓變化的蹺蹺板結(jié)構(gòu)(龔道溢,1998)。自21世紀(jì)以來(lái),隨著溫室氣體濃度增加和臭氧損耗,SAM正位相呈加強(qiáng)的趨勢(shì)(圖4a)(Marshall,2003;鄭菲等,2014)。在夏季,SAM正位相對(duì)應(yīng)中緯度副熱帶高壓脊南移和西風(fēng)環(huán)流加強(qiáng),從而引起熱帶潮濕氣流向澳大利亞?wèn)|北部的輸送(Risbey et al.,2009)。由于受異常高壓控制,澳大利亞?wèn)|南部地表溫度顯著增暖(圖4)。另一方面,南大洋西風(fēng)加強(qiáng)有助于更暖的環(huán)極次表層深水進(jìn)入大陸架,造成西南極的冰架不斷崩解,面積逐年收縮。近幾十年,阿蒙森海是南極冰架底部融化速率最高的區(qū)域,并通過(guò)冰架-海洋相互作用對(duì)南大洋產(chǎn)生冷卻和淡化作用,進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)南大洋的氣候變化(包括海表降溫,海冰擴(kuò)張)(Rye et al.,2020)。此外,南極冰蓋融化加劇,很可能在未來(lái)幾十年內(nèi)引起全球海平面上升(Rignot et al.,2019)。

3 地球三極氣候變化之間的潛在聯(lián)系

北極濤動(dòng)(或北半球環(huán)狀模)(Thompson and Wallace,1998)與青藏高原氣候環(huán)境存在一定的相關(guān)性(Han et al.,2008;Lü et al.,2008)。最近有研究指出,冬季北極海冰異常偏少導(dǎo)致烏拉爾山地區(qū)積雪減少并通過(guò)其持續(xù)性,影響春季中高緯Rossby波活動(dòng)以及青藏高原的局地環(huán)流,加劇南亞、中亞排放的氣溶膠等大氣污染物跨境傳輸至青藏高原(Li et al.,2020)。但是,目前關(guān)于南極與北極、青藏高原氣候變化的聯(lián)系的研究并不多,可能機(jī)制主要是通過(guò)厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)引起的全球尺度大氣遙相關(guān)和大洋溫鹽環(huán)流(Li et al.,2014b;Pedro et al.,2018;England et al.,2020)。ENSO是全球性年際氣候變率的主導(dǎo)模式,通過(guò)影響大尺度環(huán)流,對(duì)全球許多地區(qū)的氣溫、降水產(chǎn)生影響,在冬季最活躍(Alexander et al.,2002)。圖5給出了20世紀(jì)末(1980—1999年)北半球冬季全球300 hPa位勢(shì)高度EOF分析第一模態(tài)和21世紀(jì)初(2000—2019年)北半球冬季全球300 hPa位勢(shì)高度EOF分析第二模態(tài)(分別占總體方差貢獻(xiàn)的21.3%和14.2%)及其對(duì)應(yīng)的表面溫度異常。兩個(gè)模態(tài)在熱帶太平洋地區(qū)上空表現(xiàn)為大范圍位勢(shì)高度正異常。對(duì)應(yīng)的表面溫度場(chǎng)在赤道太平洋中東部偏暖,即發(fā)生了ENSO暖事件。

值得注意的是,20世紀(jì)末環(huán)流場(chǎng)呈現(xiàn)緯向波列型,即太平洋/北美型遙相關(guān)(Pacific/North American teleconnection,PNA)(Wallace and Gutzler,1981)和太平洋/南美型遙相關(guān)(Pacific-South American,PSA)(Ghil and Mo,1991)。PNA正位相導(dǎo)致了北美變暖(圖5a)。相比而言,21世紀(jì)初環(huán)流場(chǎng)呈現(xiàn)南北偶極子型,即北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation,NAO)(Walker,1928),北太平洋濤動(dòng)(North Pacific Oscillation,NPO)(Rogers,1981)和SAM。隨著南極臭氧逐漸恢復(fù),SAM正位相增強(qiáng)的趨勢(shì)減弱。白令海附近和亞洲內(nèi)陸高原(包括蒙古高原,帕米爾高原以及伊朗高原)地區(qū)增溫,而北美和喀拉海附近變冷(圖5b)。結(jié)果表明,冬季全球尺度的大氣環(huán)流(除熱帶地區(qū)外)對(duì)ENSO的響應(yīng)存在顯著的年代際差異。20世紀(jì)末,與ENSO事件相關(guān)的大尺度環(huán)流異常主要發(fā)生在西半球,由赤道對(duì)流形成的高層輻散引起。但是,21世紀(jì)初ENSO與地球三極氣候變率的聯(lián)系增強(qiáng),特別是,ENSO和SAM的相關(guān)性加強(qiáng),與前人的研究是一致的(Yu et al.,2015)。這為南極地區(qū)影響北半球氣候系統(tǒng)甚至北極區(qū)域氣候環(huán)境變化提供了可能性(England et al.,2020)。

圖5 北半球冬季全球表面溫度(填色;單位:℃)和300 hPa 位勢(shì)高度(等值線;單位:gpm)與1980—1999年全球300 hPa位勢(shì)高度EOF第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(a)和2000—2019年全球300 hPa位勢(shì)高度EOF第二模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(b)的回歸系數(shù)的空間分布Fig.5 Spatial distributions of regression coefficients of global surface temperature (colour shaded areas;units:℃) and 300 hPa geopotential height (contours;units:gpm) in boreal winter on (a) the principal component (PC) time series of EOF1 of global 300 hPa geopotential height during 1980—1999 and (b) the PC time series of EOF2 of global 300 hPa geopotential height during 2000—2019

4 結(jié)論和展望

北極、南極和以青藏高原為中心的亞洲高山區(qū)是全球氣候變化的敏感區(qū)與關(guān)鍵區(qū)。本文描述了地球三極氣候和冰凍圈關(guān)鍵要素年代際變化的基本特征,對(duì)區(qū)域氣候的可能影響及地球三極之間的潛在聯(lián)系。在全球氣候變化背景下,北極和青藏高原地區(qū)變暖幅度明顯高于同期全球平均水平。北極海冰和青藏高原積雪持續(xù)縮減,但青藏高原冰雪融水逐年增加,湖泊擴(kuò)張。雖然南極地區(qū)的增溫幅度較小,但南大洋深層海水變暖速度明顯快于全球平均,導(dǎo)致西南極的冰架崩解和收縮趨勢(shì)明顯,進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)南大洋的氣候變化。地球三極冰凍圈(海冰,積雪,冰川等)的變化通過(guò)多種反饋機(jī)制影響區(qū)域及全球尺度的大氣和海洋環(huán)流,并造成近年來(lái)歐亞冬季低溫,我國(guó)夏季洪澇災(zāi)害,澳大利亞南部夏季干旱等極端氣候事件。此外,自21世紀(jì)以來(lái),ENSO與地球三極氣候變率的聯(lián)系增強(qiáng),促進(jìn)了地球三極氣候變化之間的相互聯(lián)系。但是,目前仍存在一些問(wèn)題尚待解決:

1)人類活動(dòng)很可能是20世紀(jì)中期以來(lái)全球變暖的主要原因,并在北極和青藏高原地區(qū)通過(guò)多種反饋機(jī)制被放大(康世昌等,2020)。但是,如何量化氣候的自然變率以及自然變率與人類活動(dòng)的相互作用仍然是未解決的問(wèn)題。已有研究表明,北極海冰和青藏高原積雪范圍和厚度減少也與熱帶太平洋海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)強(qiáng)迫,熱帶外SST和亞洲夏季風(fēng)等氣候系統(tǒng)年代際變化緊密相關(guān)(Ding et al.,2014;Li et al.,2015;Grunseich and Wang,2016;You et al.,2020)。熱帶海表溫度的年際和年代際變化,通過(guò)大氣遙相關(guān)和Rossby波列向極地傳播,調(diào)制著南大洋海氣熱量交換和混合層深度的變化(Li and England,2020)。另外,由于青藏高原地面資料匱乏,南北極地區(qū)高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間段太短等原因,對(duì)地球三極冰凍圈和氣候變化歸因及量化仍存在不確定性。

2)氣候系統(tǒng)中一些參量(包括大氣季節(jié)內(nèi)振蕩,SST,陸面土壤濕度/積雪,極區(qū)海冰等)是短期氣候預(yù)測(cè)的主要信號(hào)來(lái)源(Li et al.,2017;Mariotti et al.,2018;王會(huì)軍等,2020b)。研究表明,優(yōu)化土壤濕度、積雪初始條件能夠在次季節(jié)尺度上提升地球系統(tǒng)模式對(duì)區(qū)域溫度和降水的預(yù)報(bào)技巧(Koster et al.,2011;Li et al.,2019a)。此外,青藏高原積雪、熱源異常也可能是東亞夏季風(fēng)和夏季降水預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)(朱玉祥等,2009;趙平等,2018)。值得注意的是,北極海冰和北極氣候變化與北半球中緯度氣候異常存在顯著的超滯后相關(guān)(He et al.,2018,2020;Li et al.,2018)。SAM(或南極濤動(dòng))也與北半球氣候系統(tǒng)存在潛在的聯(lián)系(Fan and Wang,2004;Sun et al.,2009)。未來(lái)合理、有效地將這些因素整合到短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中,對(duì)于學(xué)術(shù)研究和社會(huì)民生都有重要的價(jià)值。

3)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告中關(guān)于長(zhǎng)期氣候變化的預(yù)估主要基于參加CMIP5的46個(gè)地球系統(tǒng)模式結(jié)果。預(yù)計(jì)在所有RCP情景下未來(lái)北極冰蓋繼續(xù)縮小,變薄。南極冰川體積變小,南大洋深層海水變暖趨勢(shì)持續(xù)。青藏高原以變暖和變濕為主,冰川、凍土進(jìn)一步退縮(陳德亮等,2015)。但是,由于模式分辨率以及模式對(duì)真實(shí)物理過(guò)程描述的缺陷,可信度亟待提高。如何減少地球三極氣候變化預(yù)估的不確定性是氣候研究的一個(gè)挑戰(zhàn)。