自20世纪前期开始，北极海冰在全球变暖背景下的快速消融造成北极气温持续升高。但是，除了大气温室气体增加所引起的增温趋势外，北极气温同时还表现出了显著的多年代际变化特征。已有研究表示，北大西洋多年代际变率（AMV）以及大西洋经向翻转环流（AMOC）是北极气温多年代际变化的主要来源，而北极气温的变化又与海冰异常紧密相关。那么，北大西洋海温和AMOC的多年代际变化是否会受到北极海冰的影响？海洋中的向极能量输送在没有海冰的作用下是否可以直接引起北极及其周边地区显著的多年代际变化？
基于观测资料和全球海气耦合环流模式的模拟试验，本研究发现，北极地区冰气相互作用通过改变表面热通量的交换，不仅可以放大北极地区海冰和气温的多年代际变率，甚至对北大西洋副极地地区的海表面温度以及北大西洋经向翻转环流（AMOC）也有显著的放大效应；而当在模式的耦合器中使用固定海冰来计算表面热通量交换时（即冰气相互作用被切断），北极气温、北大西洋海温以及AMOC的多年代际变率显著减少了20~50%（图1）。其中的主要物理过程如图2所示，包括：（1）北大西洋副极地区域的异常暖海温向北输送至北极海冰边缘地区并造成海冰异常减少、开阔水域增多，同时通过增强向上能量通量（如向上长波辐射以及感热和潜热通量）加热其以上大气，大气温度升高又反之通过向下长波辐射使得北大西洋至北极地区海温增暖；（2）多年代际尺度上北大西洋副极地地区（尤其是拉布拉多海）的海冰消融增强了海洋向大气的潜热通量，造成上层海水盐度和密度增加，有利于海洋深水形成，使得AMOC在3~5年后加深并增强，从而进一步加强海洋中向极热量输送、海表面升温。
本研究成果揭示了北极地区海冰与大气的相互作用对北极海冰和气温、北大西洋海温和AMOC多年代际变率的放大效应，同时也表明副极地地区表面热通量对于驱动北大西洋海温和AMOC的多年代际变率有重要作用。然而，在全球持续增暖背景下，未来海冰不断消融，海冰边缘不断北缩，这种冰气相互作用对高纬度地区多年代际变率的放大作用很可能会减弱甚至消失。
图1 冰气相互作用对北半球高纬度气温多年代际变率的放大作用. （a）冰气耦合试验；（b）冰气耦合切断试验；（c）两者差值（b减a）
图2 冰气相互作用对北极和北大西洋多年代际变率放大作用示意图
相关论文发表情况
Deng J., and A. Dai, 2022: Sea ice-air interactions amplify multidecadal variability in the North Atlantic and Arctic region. Nature Communications, 13, 2100. (第一资助)