近四十年的卫星观测记录显示，北极夏季海冰有明显的退缩趋势。2012年夏季，北极海冰面积只有约2.5百万平方公里，是目前观测记录的最低值。而1980年夏季，北极海冰面积可达6百万平方公里。基于地球模式的评估，有研究指出，北极可能在本世纪中叶以前出现无冰之夏。另外，每年春季都有相关研究关注如何预估当年夏季的海冰分布情况。

日前发表在Journal of Climate的一篇文章主要关注了北极海冰春季开始融化时间（Melt Onset）的变化模态，及与大尺度大气环流的关联。论文的第一作者为我系博士后梁红杰，通讯作者为周文教授。这里的海冰春季开始融化时间是指海冰表面开始融化出现液态水的日期，借助于液态水放射率偏高的特点，这一日期可以通过卫星被动微波遥感反演得到。其研究区域在拉普捷夫海（Laptev Sea）和东西伯利亚海（East Siberian Sea），是西伯利亚沿岸、东北航道途径的两个关键海域，因为这里的夏季海冰往往是较多的。

通过经验正交函数（Empirical Orthogonal Function）分解方法，北极海冰春季开始融化时间在该边缘海域主要有三个变化模态，第一模态呈现出两海区比较统一的变化，称其为LE-mode （这里L和E是两海区的英文首字母）；第二模态表现为沿西南-东北方向的跷跷板型变化特征，称其为L-mode；第三模态表现为沿东南-西北方向的跷跷板型变化特征，称其为E-mode。这三个主模态正位相的空间分布如图1左列所示。通过主模态时间序列确定各年的优势模态及其位相之后，基于原始数据的正负位相差反映出与EOF分解类似的模态，一定程度说明这三个主模态的可靠性。

图1 北极海冰春季开始融化时间在拉普捷夫海和东西伯利亚海的EOF分解主模态（左列）和对应模态在优势年份基于原始数据的正负位相差（右列）

因为对于拉普捷夫海和东西伯利亚海两个海区来说，海冰春季开始融化时间一般发生在5-6月，该研究将相关的4-5月大气要素（包括表面气温、大气柱水汽含量、海表面气压、表面风场、500 hPa位势高度及风场）回归到各模态，以探索前期大气条件对各模态的调制。以第一模态LE-mode为例（图2），当正位相下两海区春季海冰开始融化时间偏早时，对应的4-5月大气都比较温暖湿润，尤其明显的是4月，其对流层中低层在北冰洋区域有气旋式异常，中心约在两海区西北方向，其一定程度上解释了平流过程如何将温暖湿润空气带入两海区。4月的这一大气动力响应类似于正位相的北极涛动（Arctic Oscillation），其空间分布具有一定可比性。后续的分析也显示，4月北极涛动指数与第一模态LE-mode具有显著的相关性。

图2 各大气要素对第一模态LE-mode的回归场（第一行为4月，第二行为5月），以及4月北极涛动正位相下的各大气要素（第三行）。洋红色线标注出的是拉普捷夫海和东西伯利亚海的范围。

基于同样的分析方法，该研究显示，4月巴伦支振荡（Barents Oscillation）调制第二模态L-mode；5月北极涛动调制第三模态E-mode。在次季节尺度上，这主要反映的4-5月大气气旋式异常中心在不同位置下平流输运过程对研究海区的影响。另外，在天气尺度上，这些调制过程可能与风暴过程有关。图3显示了该研究的主要结果和结论。在未来的研究中， 4-5月大气环流气旋式异常的变化机制或许值得关注。

图3 主要结论和过程示意图

论文信息：

Liang, H., and W. Zhou, 2023: Arctic Sea Ice Melt Onset in the Laptev Sea and East Siberian Sea in Association with the Arctic Oscillation and Barents Oscillation. J. Climate, 36, 6363–6373, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-22-0791.1.