南北半球“冰火两重天”，地球到底怎么了？
作者：高登义（中国科学院大气物理研究所）
编者按
“我在北半球瑟瑟发抖，你在南半球大汗淋漓”，近来地球两头冰火两重天的模式，让遭受极端天气肆虐的民众叫苦不迭。撒哈拉沙漠飘起了大雪，“炸弹气旋”冰封美国，同时，澳大利亚多地出现极端高温，悉尼气温创79年来最高……地球这是到底怎么了？
南北极科学考察研究表明：南极与北极海域海冰面积和厚度的变化对于南北极气候影响很大。
笔者曾经在《极地探险》一书中计算过南极海冰变化对于南极气温的影响。
当时笔者指出：近10多年的卫星资料表明，冬季，南极海冰面积于1974年最小，1977年最大，两者相差约400万平方千米。
极区海冰面积的大小从两方面来影响气候的变化。第一，改变极区的海水-海冰-大气之间的热量和水汽交换。这是因为，海冰覆盖面积大时，极区海域的水面减小，从海洋向大气输送的热量和水汽减少；反之，水面增大，从海洋向大气输送的热量和水汽增加。第二，改变极区下垫面对太阳辐射热量的吸收。这是因为，冰面的反照率要比水面的反照率高得多，海冰覆盖面积大时，极区海面吸收太阳辐射小，反之，吸收太阳辐射大。
以1974年和1977年冬季为例，取海冰平均厚度为1米，则上述两年南极海冰量相差为4×10^12吨。如此大的结冰相差量在结冰时释放出的热量可达13.35×10^20焦耳，若以其加热3400万平方千米面积（即1974年海冰面积与南极大陆面积之总和）上100hPa层（约16.5千米高度）以下的大气，可使整层大气升温4.3℃，即1974年秋结冰过程中释放出的热量加热整层大气的结果要比1977年秋的升温高出4.3℃。
上述不同的加热状况，应该在相应的气压场和温度场上有反映。1974年9月，在南半球海平面图上，南极地区海平面气压距平值为负，中心值达-8 hPa，即海平面气压比常年低；在离地约3000米高度上，南极地区的气温比常年高出2℃以上。相反，在1977年9月，南极地区海平面气压比常年高出2 hPa，在离地约3000米高度上，南极地区气温比常年低 2～8℃。
由上可以看出，南极或北极海域海冰面积变化对于南极、北极海域的气温变化影响很大。
另外，研究表明，南极或北极地区海冰面积的变化基本上代表了南半球或北半球海冰面积的变化，因为南半球或北半球海冰基本上集中在南极或北极地区。
笔者通过郜永祺教授得到南半球和北半球1978～2017年12月的海冰面积变化图。此变化图可以为讨论“为什么今年一月北半球风雪交加而南半球酷暑难熬”提供一些科学依据。
图1 北半球海冰面积逐年12月变化图（单位：百万平方千米）
第一， 为什么北半球风雪交加？
从图1可以看出，2017年12月，北半球海冰面积比2016年12月约增加2%～3%，即增加了0.26～0.38百万平方千米。
根据笔者在《极地探险》中的计算，今年冬天在北极地区堆积的冷空气显然更强。
北极地区有了强冷空气堆积，这就像在我们的北面有了一个大冷空气库，这个冷空气库的冷空气奔向何方，那就要决定于今年冬天北半球大气环流的分布状况。
研究表明，如果在乌拉尔山地区有稳定的高气压区，则其下游（即东亚地区）就是稳定的东亚大气低压槽，盛行偏西北风，我国必然受强冷空气影响。
图2 2018年1月2日北半球50百帕环流形势图
如图2可见，2018年1月2日，北半球的一个大气低压槽正好位于东亚地区。受此影响，北极地区堆积的冷空气就容易流向我国，也因此带来了我国大范围的冰雪灾害。
回想2008年1月我国南方的低温雨雪冰冻灾害，大家记忆犹新。
从图1可以看出，2007年12月，北半球海冰面积比2006年12月增加1%左右，赶不上2017年12月浮冰面积增加量，但2008年冬天我国南方的极端低温却是几十年罕见。
这可能说明两点。第一，北半球冬天海冰面积变化对我国低温的影响并不是唯一因素，还要看未来东亚大气环流变化；第二，也可能说明，今年冬天，未来我国气温还要降低。
图3 2018年1月6日北半球500百帕环流形势图
天气实况表明，今年入冬以来，北美洲和欧洲受到的强冷空气比我国影响更大。由图3和图2都可以看出，北半球的两个大低压槽分别位于北美洲和欧洲，而以北美洲最强。因此今年冬天北极地区堆积的冷空气就倾泻到北美洲了。
第二，为什么南半球酷暑难熬？
由图4可见，在2015年前，南半球海冰面积基本上是增加趋势。然而，自2016年12月起，南半球海冰面积突然减小：2016年12月比2015年减小24%左右，即减少了250万平方千米；2017年12月，相比2016年略有增加，但比多年平均值仍然低12.5%左右，即125万平方千米。
图4 南半球海冰面积逐年12月变化图（单位：百万平方千米）
南半球地区两年冬天海冰面积比平均值大大偏低，正好与北半球相反。这样，南半球海域的海洋（包括海冰与水面）输送给大气的热量大大增加。
根据笔者在《极地探险》一书中的计算结果，南极地区2016年与2017年12月海冰面积减小而增加的海洋输送给大气的热量，足可以使得南极地区100百帕以下的大气增温2到3摄氏度。如果加热集中在近地面，这很可能是导致今年冬天南半球的“酷热难熬”的原因。
另外，从图5可以看出，2017年12月海冰减少的区域在东南极的北面，离开澳大利亚最近，这也是可能引起澳大利亚酷热的原因。
图5 2017年12月南半球海冰分布图（红线为1981-2010年海冰平均值范围）
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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