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北极东 Siberian海冰近年显著减少，本研究揭示发展中拉尼娜事件通过热带-北极遥相关机制驱动该区域海冰损失。热带太平洋SST异常激发罗斯贝波列，形成东西伯利亚负压和北美中部正压场，增强东南风并导致热力融化加速。中北部海冰辐散强化融化，东南部因海冰辐合和正平流出现局部稳定。CESM2模拟证实热带太平洋SST主导作用，次级贡献来自大西洋和印度洋。研究结果凸显ENSO相位不对称性对北极海冰的影响，为气候模型改进提供机制基础。
刘俊豪|陈杰鹏|王磊|陈胜|翁金文|王鑫|何卓琦
中国广东海洋大学海洋与气象学院大陆架海与深海洋气候资源与环境重点实验室，湛江
摘要
近几十年来，北极夏季至秋季的海冰显著减少，尤其是在东西伯利亚海（ESS），这是北极东北航道的关键区域。本研究表明，正在发展的拉尼娜事件通过热带-北极遥相关机制引发了ESS海冰的显著损失。热带海洋的海表温度（SST）异常激发了一列罗斯贝波列，该波列向北传播然后向东传播，形成了一个纬向的海平面气压偶极子——俄罗斯东北部为负值，北太平洋中部为正值——并驱动了ESS地区的强烈东南风。这些风增强了暖空气的输送和水分的汇聚，增加了向下传递的显热通量和净长波辐射，从而加速了冰的融化。动态冰过程进一步调节了这一响应：在ESS的中部和北部，冰的扩散使得热力学过程主导了广泛的冰损失；而在ESS的东南部，冰的汇聚和正的平流作用抵消了融化，导致局部冰量的维持或增加。CESM2模拟实验证实，热带太平洋的SST异常主导了这种遥相关效应，热带大西洋也有一定贡献，印度洋的影响较弱。研究结果突显了ENSO对北极海冰影响的相位不对称性，并为改进气候模型中的热带-北极联系和季节性预测提供了机制基础。
引言
北极海冰是全球气候系统的关键组成部分，也是气候变化的重要指标（Barry等人，1993年；Stroeve等人，2012年；Cavalieri和Parkinson，2012年）。近几十年来，北极海冰的急剧减少（Duarte等人，2012年；Simmonds，2015年）深刻改变了北极气候，影响了环北极生态系统，并重塑了人类活动（Meier等人，2014年）。这些变化对北极航道，特别是东北航道具有重大意义，该航道具有巨大的经济潜力（Eicken，2013年；Aksenov等人，2017年）。在这些航道中，东西伯利亚海（ESS）是一个海冰覆盖集中的区域，其变化引起了科学界的极大兴趣。
ESS冰况的变化显著影响了当地的地表能量交换、海洋分层和生态系统动态（Lalande等人，2009年），同时也调节了中国东北部的降水模式（Han等人，2023年；Guo等人，2025年）。此外，该地区海冰覆盖的减少被认为加剧了极端天气和气候事件，如梅雨-白露期间的强降雨（Chen等人，2021年）、东亚的寒冷极端事件（Zhuo等人，2023年）以及高纬度东西伯利亚地区的野火活动增加（Luo等人，2024a）。
随着海冰的融化，北极近地面空气温度的上升速度是全球平均水平的两倍，这是由于局部正反馈效应，这种现象被称为“北极放大”（Screen和Simmonds，2010年）。越来越多的证据表明，这些显著变化是由外部人为强迫（Gillett等人，2008年；Polyakov等人，2012年；Serreze等人，2009年）和内部自然变率共同作用的结果。后者可能与北极涛动（Shi等人，2024年）、北大西洋涛动（Ruan等人，2019年）、马登-朱利安涛动（Yoo等人，2011年，2012年）、太平洋-北美（PNA）遥相关模式（L'Heureux等人，2008年）以及与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）相关的海表温度（SST）和对流变化（Ding等人，2014年；Lee，2012年；Lee等人，2011年）等热带强迫因素有关。作为热带太平洋最显著的大尺度海气相互作用现象，ENSO对区域性和远距离的气候变率产生了深远影响（Br?nnimann，2007年；Ropelewski和Halpert，1987年；Trenberth和Caron，2000年；Van Loon和Madden，1981年）。最近的研究表明，多年拉尼娜事件加速了北极巴伦支-喀拉海地区的冬季海冰融化（Zhong等人，2024年）。
虽然早期的研究已经探讨了拉尼娜发展阶段对其他区域北极海冰的影响，例如巴伦支-喀拉海地区（例如Luo等人，2019年），但关于拉尼娜影响的研究主要集中在其冬季高峰阶段——特别是其对乌拉尔阻塞和欧亚大陆寒冷异常的调节作用（例如Luo等人，2021年，2024b）。在现代北极背景下，需要重新评估这一观点，因为厚厚的多年冰已被较薄的季节性一年冰所取代。这种每年冬季重新形成的薄冰更容易在随后的夏季融化，形成了一个加速整体冰减少的正反馈循环（Lindsay等人，2009年；Serreze等人，2019年）。此外，北极海冰的损失表现出强烈的区域异质性，其中ESS-波弗特海区域的减少最为显著（Comiso等人，2002年；Screen等人，2014年；Simmonds和Li，2021年）。关于发展中的拉尼娜如何在关键的夏季和秋季影响ESS的具体物理机制——此时季节性冰融化和区域大气环流强烈塑造了海冰变化——仍然知之甚少，是一个重要的不确定性来源。
因此，本研究旨在探讨发展中的拉尼娜事件对ESS海冰减少的影响。理解这一联系对于阐明热带强迫与北极之间的联系以及提高北极气候预测模型的准确性至关重要。
部分摘录
观测数据
本研究使用了1951年至2022年72年期间的月平均海洋和大气数据。海表温度（SST）和海冰浓度（SIC）数据来自英国气象局哈德利中心的Sea Ice and Sea Surface Temperature数据集第1版（HadISST1；Rayner等人，2003年），可访问于
https://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/。大气变量包括海平面压力（SLP）、位势高度、东西向和南北向风分量、空气温度等。
拉尼娜事件期间东西伯利亚海冰的减少
观测数据显示，ESS的SIC在北半球夏季和秋季达到气候学最小值，并表现出最大的年际变化，尤其是在8月-9月-10月（ASO）期间（图1a）。这一季节性低点表明海冰处于最脆弱的状态，对外部强迫非常敏感。正在发展的拉尼娜阶段——即ENSO的负相位——是能量积累的关键时期。
结论与讨论
本研究表明，发展中的拉尼娜事件通过热带-北极遥相关机制显著减少了ESS的海冰覆盖，如图14所示。在夏季到秋季的发展阶段（JJA–ASO），热带海洋的SST异常激发了一列罗斯贝波列，该波列首先向北传播然后向东传播，在JJA到ASO期间逐渐增强。波列形成了一个纬向的SLP偶极子——俄罗斯东北部为负值
CRediT作者贡献声明
J.C.和X.W.构思并设计了这项研究。S.C.进行了数值实验。L.W.和J.L.进行了调查工作，J.L.和J.W.负责可视化。J.L.和J.C.撰写了初稿。所有作者，包括J.L.、J.C.、L.W.、S.C.、J.W.、X.W.和Z.H.都参与了手稿的审阅和编辑。
CRediT作者声明
刘俊豪：调查、数据分析、撰写初稿、审阅与编辑、可视化。陈杰鹏：概念构思、撰写初稿、审阅与编辑、监督、资金筹集。王磊：调查、监督、资金筹集。陈胜：方法论、数据管理。翁金文：数据分析、可视化。王鑫：概念构思。何卓琦：资金筹集。
CRediT作者贡献声明
刘俊豪：撰写 - 审阅与编辑、撰写初稿、可视化、调查、数据管理。陈杰鹏：撰写 - 审阅与编辑、撰写初稿、资源获取、概念构思。王磊：撰写 - 审阅与编辑、调查、资金筹集。陈胜：撰写 - 审阅与编辑、资源管理、数据管理。翁金文：撰写 - 审阅与编辑、可视化、数据管理。王鑫：撰写 - 审阅与编辑、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF0801701）、国家自然科学基金（42276031）、广州市科技项目（2024A04J9141）和中国科学院青年创新促进会的共同支持。作者L.W.得到了国家自然科学基金（42575021）和广东省教育厅创新团队计划（2023KCXTD015）的支持。作者Z.H.也得到了相应支持。
