1 引言

整个地气系统的能量来源于太阳的短波辐射，同时又以长波辐射的形式向太空释放能量，其中能量收支基本平衡，但是不同纬度的能量收支情况不同。北极有着自身的特殊性，低纬度地区的能量通过大气和海洋的环流系统输送到北极地区，北极地区在能量收支中起到热量汇聚的作用。由于北极在全球能量平衡中起到重要的作用，当北极气候环境迅速变化时，能够引起人们极大的关注（Johannessen et al., 1996; Thompson and Wallace, 1998）。在全球气候变化的背景下，研究发现不论是在白垩纪温度增长时期（Barron, 1983）还是小冰川纪时期（1300~1850年；Dahl-Jensen et al., 1998），北极能够放大这种气候变化。北极地区的近地面的增温几乎是近几十年全球平均增暖的两倍（Rigor et al., 2000; Polyakov et al., 2002; Johannessen et al., 2004; Serreze and Francis, 2006），称之为北极的放大效应。在模拟中发现，对于北极这种自身放大效应贡献最大的是温度自身的反馈，当地面的温度上升时，相比北极地区，低纬地区将向太空辐射更多的能量，这种影响可以归结为高低纬不同的变暖垂直结构和当黑体辐射增加很小的量，在低温度下会上升更多的温度（Pithan and Mauritsen, 2014）。海洋和大气环流的改变，以及云的变化都是导致这种放大效应的原因（Thompson and Wallace, 2001; Moritz et al., 2002; Quadrelli and Wallace, 2004; Wu and Straus, 2004; Alexeev et al., 2005; Wang and Key, 2005）。来自大气中的热传输也是北极放大效应的重要因素（Graversen et al., 2008）。北极海冰在秋季和夏季的减少范围明显大于冬季和春季，而北极地表升温却在秋季和冬季最显著，夏季最为微弱，海水对大气的延迟放热机制是北极低空在夏季增温不显著而在秋冬季增温显著的主要原因（武丰民等, 2014a, 2014b）。目前，北极增温以及放大效应的研究主要集中在北极温度的长期以及季节变化上，而对于北极地区短时的增温研究很少，本文在对于北极短时增温的研究中发现，2015年12月底北极的温度不断上升，在12月29日，温度的零度线（图 1中的黑线为温度的零度线）不断地向北极点靠近，并在接下来几天温度零度的区域在北极不断扩大。北极温度突破零度带来诸多后续影响，北极涛动指数降低，极涡发生不稳定。北极涛动与极涡对我国天气与气候有着密切的联系。前人研究表明，北极涛动与冬季风的年代际变化有关联（李勇等，2007）；当北极涛动指数较低，我国大部分地区冬季气温偏低，降水偏少（龚道溢和王绍武，2003）；而极涡与我国的同期以及后期气温有着密切的联系，极涡面积大小与我国多数站点的气温呈负相关（张恒德等，2006）。所以研究北极地区的快速增温对全球能量的收支，以及对研究我国冬季气温状况具有重要的意义。

本文利用2015年NCEP/NCAR再分析一日四时次资料和日资料，对温度场、温度平流场、云量等物理量做区域平均，利用热流量方程进行估算以及利用晴空向上长波辐射与实际大气顶向上长波辐射的差值估算云的辐射强迫作用等方法，对2015年12月29日北极地区爆发性增温导致北极温度突破零度的过程和原因进行研究和讨论。

2 资料和方法

本文所用资料为2015年NCEP/NCAR的再分析位势高度场、温度场、水平风场、垂直速度ω场、潜热通量、感热通量、云量、晴空向上长波辐射以及实际大气顶向上长波辐射等物理量的一日四时次资料和日资料。其中位势高度场、温度场、风场和垂直速度场为1000 hPa资料。文中所指的北极地区为北极圈（66.5°N）以北的地区，根据增温最明显的区域，本文主要对（75°N~90°N，90°W~90°E）区域进行研究，并记为区域A。

研究过程中，根据温度场、风场和垂直速度场计算温度梯度场、温度平流场以及垂直项，并计算区域A的温度、温度平流、垂直项、潜热通量、感热通量、云量和晴空向上长波辐射与实际大气顶向上长波辐射差值的区域平均值，利用热流量方程估算温度平流项、垂直项和非绝热作用项的增温贡献，以及利用晴空向上长波辐射与实际情况向上长波辐射估算地气温度等方法。

3 北极温度异常升高

为了确定本次北极爆发性增温最明显的时间段，对所选的区域A做温度的区域平均随时间的变化，结果如图 2a，从图中可以看出，所选取的北极区域A在2015年12月29日增温最为明显，区域平均温度增加了12.5℃，即本次北极地区的爆发性增温过程，12月30日以后温度有所下降。为了清楚的显示此次北极地区爆发性增温的区域，做12月29日24:00与12月29日00:00（协调世界时，下同）温度场的差值，结果如图 2b，从图中可以看出，在（75°N~90°N，90°W~90°E）区域内，12月29日的温度有明显的增加，尤其是在格陵兰岛的东北侧，增温最为明显，增温中心达到25℃以上。正是由于本次的爆发性增温过程，使得12月29日北极的温度零度以上区域进一步向北极点扩大，在12月30日达到最高值。

4 北极温度异常升高原因

某地的温度变化可以用热流量方程表示为

$\begin{array}{l} \frac{{\partial T}}{{\partial t}} = - v \cdot \nabla T - ({\gamma _{\rm{d}}} - \gamma ) \cdot \mathit{\boldsymbol{w}} + \frac{{{\gamma _{\rm{d}}}}}{{\rho \cdot g}} \cdot \left( {\frac{{\partial p}}{{\partial t}} + v \cdot \nabla p} \right) + \\ \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \frac{1}{{{c_{\rm{p}}}}} \cdot \frac{{{\rm{d}}\mathit{\boldsymbol{Q}}}}{{{\mathop{\rm d}\nolimits} \mathit{\boldsymbol{t}}}}, \end{array}$

(1)

其中，等式左边为温度的局地变化项，等式右边依次为温度平流项、垂直运动项、气压变化项以及非绝热作用项，温度的局地变化是由等式右边几项共同作用的结果。气压的变化导致局地温度改变的尺度最小，因而该项可以忽略，那么大尺度系统中的温度局地变化是由温度平流、垂直运动、非绝热作用造成的（朱乾根等，1992）。

4.1 温度平流

图 3a为2015年12月25日至12月31日区域A温度平流区域平均值变化图，从图中的温度平流的区域平均值可以看出，温度平流从12月28日至12月29日开始由冷平流转变为暖平流，在12月29日区域平均值达到最大，最大值超过+3.1℃ d^-1，温度平流数值是正值即暖平流的时间段对应着12月29日北极地区的爆发性增温过程，所以在时间上，区域A温度平流的冷暖与此次北极地区的爆发性增温过程在时间上有很好的对应关系。

为了研究温度冷暖平流在位置上与增温区域的关系，做2015年12月29日的温度平流，图 3b可以看出在格陵兰岛的东北侧有很强的温度暖平流，中心值最高超过+7.5℃ d^-1，位置与12月29日的增温区域有很好的对应关系。

总的来说，温度平流不论在时间的变化还是暖平流的位置形状上与本次北极增温有很好的对应关系，可以很好的解释本次北极爆发性增温过程。

下面具体分析导致本次强盛暖平流的原因。温度平流$- v \cdot \nabla T$分别由风场v和温度梯度场$ \nabla T$两项矢量点乘得到，下面分别对风场v和温度梯度场$\nabla T$进行研究，以此来分析温度暖平流形成的原因。

图 4a为2015年12月29日的温度梯度场，从图中可以看出在温度平流的高值区即格陵兰岛的东北侧，温度梯度场存在负的温度梯度，即表现出温度北低南高的分布，但是没有明显的高值区，所以温度梯度场为本次温度暖平流提供了合适的温度梯度场配置，但不是主要的原因。

图 4b为2015年12月29日的风场，从图中可以看出在温度暖平流的高值区即格陵兰岛的东北侧，风场表现出强盛的南风，平均数值达到10 m s^-1以上，最高值达到20 m s^-1，与温度暖平流的中心区域有很好的对应关系。通过分析12月29日1000 hPa位势高度场，如图 5a，可以发现爆发性增温时，南风的大风区西侧为一个强盛的低压系统，东侧为一个西伯利亚高压分裂出的一个高压系统，并且通过做12月29日和12月28日1000 hPa位势高度场的差值，如图 5b，可以看出在12月29日两个系统在靠近北极点的区域加强，导致在增温区的气压梯度增大，在两个系统共同的作用下产生了强盛的南风。

对风场强盛南风出现的时间和区域与温度暖平流有很好的对应关系。北极地区在冬季作为一个冷源，盛行东北风，一般是向外输送冷空气，正是由于在格陵兰岛东侧强盛的南风，为北极地区在2015年12月29日，带来暖平流，同时由于南风风速很大，为北极地区带来的暖平流很强盛，为北极地区本次增温过程提供了能量。

4.2 垂直项

图 6a为2015年12月25日至12月31日区域A垂直项区域平均值变化图，从图中可以看出，垂直运动带来的温度变化从12月28日开始由正值转为负值，在增温期间一直是负值，与12月29日北极地区的爆发性增温过程不相符，图 6b中可以看出在增温最明显的区域，垂直运动带来的温度变化没有明显正的高值区。

总的来说，垂直运动对本次北极增温在时间变化和区域上没有增温的贡献，所以垂直运动不是本次北极增温的主要原因。

4.3 非绝热作用

非绝热作用包括太阳短波辐射、地面长波辐射、地面与大气之间的湍流热通量、水汽通量等等，计算非绝热作用难度比较大。通过对各个物理量的仔细研究发现，对于潜热通量和感热通量，潜热区域平均值为4.0 W m^-2，数值很小并且在增温最明显的区域潜热表现出有正有负，与增温区域没有很好的对应关系，感热区域平均值为－36.8 W m^-2，表现为大气失去能量，可以解释为北极大气温度快速增温突破零度，大气的温度比下垫面的温度高，大气向下垫面输送感热，潜热通量和感热通量在本次增温过程中没有表现出明显的积极作用（图略）。由于北极处于高纬度地区，独特的地理位置，导致北极在增温过程中一直处于极夜状态，没有短波辐射影响，作为地气系统只有向上的长波辐射，在辐射通量方面有明显的信号。强盛的南风为北极带来了水汽，在北极凝结形成云。从图 7a和b中可以看出，在爆发性增温期间，区域A上空的云量突然增加，区域平均值接近80%，由于云的辐射强迫作用，导致大气顶的向外长波辐射减少，云的长波逆辐射增加。通过做晴空向上长波辐射和实际大气顶向上长波辐射差值，可以反映实际情况由于云量的增加带来的辐射强迫作用，结果为向上的长波辐射减少，向下的长波逆辐射增加，表现为对地气系统的增温效果，如图 8a所示，在爆发性增温期间，由于云的作用，地气系统的增温效果明显增强。下面利用斯蒂芬—玻尔兹曼定律估算由于云的辐射强迫作用而带来的增温效应。

由于在增温之前温度基本无变化或者相比本次爆发性增温过程变化很小，假设北极地区的能量收支近似平衡，本文利用晴空向上长波辐射和实际大气顶向上长波辐射差值估算云的辐射强迫作用带来的增温。根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律得：

${\rm{OLR}} = \varepsilon \cdot \sigma \cdot {T^4},$

(2)

其中，OLR为地气系统射出长波辐射，ε为比辐射率，σ 为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，T为地气系统等效温度。在研究北极地区增温被放大的因素中，普朗克反馈一直被忽略（Planck, 1901），根据公式（2），在温度30℃，额外增加1 W m^-2的辐射量可以增温0.16℃，在－30℃温度下，额外增加1 W m^-2的辐射量可以增温0.31℃，由于北极地区的温度较低，温度自身的普朗克反馈导致了北极增温的放大（Pithan and Mauritsen, 2014）。用晴空向上长波辐射与实际大气顶向上长波辐射的差值来表示云的辐射强迫作用，其随时间的变化如图 8a所示，可以看出在12月29日云的辐射强迫作用突然增加，并将其做12月29日和12月28日的差值，如图 8b，得到云的辐射强迫作用加强的高值区域与爆发性增温的区域相一致，位于格陵兰岛的东北侧。利用公式（2）进行估算，12月29日比12月28日的晴空向上长波辐射与实际大气顶向上长波辐射的差值多了33.8125 W m^-2，由于向外辐射能量减少，大气长波逆辐射的增加，取T为250 K进行估算这部分辐射通量带来的地气系统增温为8.85℃。

本文中利用晴空向上长波辐射与实际大气顶向上长波辐射的差值得到的非绝热增温代表的是整个地气系统的增温，虽然与大气本身的爆发性增温在数值上存在差异，但是可以说明云的辐射强迫作用在本次北极爆发性增温的过程中起到很重要的作用。

5 讨论与分析

本文上述内容从定性的角度对本次北极爆发性增温的成因进行了分析，下面利用公式（1）对区域A进行热流量方程各项的计算，在计算的过程中，对于方程各项的估算采用文献（周后福，2006）的方法，其中局地温度变化采用向后差分的办法，如12月29日06:00的局地增温项为12月29日06:00温度减去12月29日00:00温度；在对平流项和垂直项计算时间积分时，采用梯形近似，近似认为这两项是线性变化，采用相邻时刻求平均值的办法，例如，12月29日06:00平流项的贡献为12月29日00:00平流数值与12月29日06:00平流数值求平均后乘以时间六小时；对于非绝热作用，由于计算非绝热作用难度比较大，故采用局地温度变化减去平流项和垂直项的办法得到。2015年12月29日的局地变化项、平流项、垂直项和非绝热作用项的结果见表 1。

从表 1中可以看出在北极爆发性增温期间，温度变化热流量方程各项的贡献，温度暖平流对爆发性增温有积极的作用，对增温的贡献率为20.4%；垂直项对北极的此次爆发性增温是降温的贡献，贡献率为－9.9%；非绝热作用所占增温的比例最大，贡献率为89.5%。总的来说，在本次北极爆发性增温的过程中，温度平流和北极地区的非绝热作用对爆发性增温起积极的作用，其中非绝热作用在本次北极爆发性增温中起到最重要的作用。

6 结论

本文利用2015年NCEP/NCAR的再分析位势高度场、温度场、风场、垂直速度场、潜热通量、感热通量、云量、晴空向上长波辐射以及实际大气顶向上长波辐射等物理量的一日四时次资料和日资料，从北极地区的局地温度变化的热流量方程出发，给出平流项、垂直项和非绝热作用项的计算，并利用晴空向上长波辐射与实际大气顶向上长波辐射的差值估算云的辐射强迫作用，对2015年12月29日，在（75°N~90°N，90°W~90°E）的北极区域的爆发性增温进行研究，主要结论如下：

（1）2015年12月底北极的一次地面爆发性增温过程出现在12月29日，增温最大值出现在格陵兰岛东北侧，单日最高增温达到25℃以上。

（2）北极地区在冬季作为一个冷源，盛行东北风，一般是向外输送冷空气，由于冰岛附近的低压系统和高压系统的加强并向北移动，在格陵兰岛东北侧气压梯度加强，出现了强盛的南风，为北极地区在2015年12月29日带来强盛的暖平流，暖平流不仅在时间而且区域上与增温都有很好的对应关系，温度平流提供了日区域平均2.56℃的增温，增温贡献率为20.4%，强盛的南风带来的暖平流是本次北极爆发性增温的重要原因。

（3）垂直项在时间变化上和区域上对爆发性增温表现出降温作用，贡献率为－9.9%，所以垂直项不是本次北极增温的原因。

（4）通过计算热流量方程各项，可以看出，在本次爆发性增温过程中非绝热作用日区域增温为11.2℃，贡献率为89.5%，是本次爆发性增温最重要的增温因素。在考虑非绝热作用贡献时发现，在增温期间增温区域的晴空向上长波辐射与实际大气顶向上长波辐射的差值明显增加，利用斯蒂芬—玻尔兹曼定律估算这部分辐射通量为地气系统带来的增温为8.85℃，在非绝热作用中起一定的作用。从估算的结果可以看出，在爆发性增温过程中，强盛温暖湿润的南风到达寒冷的北极，增温区域被云层覆盖，云的辐射强迫作用为地气系统带来很强的增温。

本文利用估算的方法研究了本次北极地区地面爆发性增温的主要原因，揭示了在冰岛附近低压系统和高压系统加强并北移的共同作用下，格陵兰岛东北侧气压梯度加强，导致了强盛的南风，温暖湿润的南风带来强盛的暖平流并使得增温区上空云量增加，云的辐射强迫在本次爆发性增温中起到一定的作用，强盛的暖平流和非绝热作用共同导致了本次北极的爆发性增温。