南北半球「冰火兩重天」，地球到底怎麼了？

作者：高登義（中國科學院大氣物理研究所）

編者按

「我在北半球瑟瑟發抖，你在南半球大汗淋漓」，近來地球兩頭冰火兩重天的模式，讓遭受極端天氣肆虐的民眾叫苦不迭。撒哈拉沙漠飄起了大雪，「炸彈氣旋」冰封美國，同時，澳大利亞多地出現極端高溫，悉尼氣溫創79年來最高……地球這是到底怎麼了？

南北極科學考察研究表明：南極與北極海域海冰面積和厚度的變化對於南北極氣候影響很大。

筆者曾經在《極地探險》一書中計算過南極海冰變化對於南極氣溫的影響。

當時筆者指出：近10多年的衛星資料表明，冬季，南極海冰面積於1974年最小，1977年最大，兩者相差約400萬平方千米。

極區海冰面積的大小從兩方面來影響氣候的變化。第一，改變極區的海水-海冰-大氣之間的熱量和水汽交換。這是因為，海冰覆蓋面積大時，極區海域的水面減小，從海洋向大氣輸送的熱量和水汽減少；反之，水面增大，從海洋向大氣輸送的熱量和水汽增加。第二，改變極區下墊面對太陽輻射熱量的吸收。這是因為，冰面的反照率要比水面的反照率高得多，海冰覆蓋面積大時，極區海面吸收太陽輻射小，反之，吸收太陽輻射大。

以1974年和1977年冬季為例，取海冰平均厚度為1米，則上述兩年南極海冰量相差為4×10^12噸。如此大的結冰相差量在結冰時釋放出的熱量可達13.35×10^20焦耳，若以其加熱3400萬平方千米面積（即1974年海冰面積與南極大陸面積之總和）上100hPa層（約16.5千米高度）以下的大氣，可使整層大氣升溫4.3℃，即1974年秋結冰過程中釋放出的熱量加熱整層大氣的結果要比1977年秋的升溫高出4.3℃。

上述不同的加熱狀況，應該在相應的氣壓場和溫度場上有反映。1974年9月，在南半球海平面圖上，南極地區海平面氣壓距平值為負，中心值達-8 hPa，即海平面氣壓比常年低；在離地約3000米高度上，南極地區的氣溫比常年高出2℃以上。相反，在1977年9月，南極地區海平面氣壓比常年高出2 hPa，在離地約3000米高度上，南極地區氣溫比常年低 2～8℃。

由上可以看出，南極或北極海域海冰面積變化對於南極、北極海域的氣溫變化影響很大。

另外，研究表明，南極或北極地區海冰面積的變化基本上代表了南半球或北半球海冰面積的變化，因為南半球或北半球海冰基本上集中在南極或北極地區。

筆者通過郜永祺教授得到南半球和北半球1978～2017年12月的海冰面積變化圖。此變化圖可以為討論「為什麼今年一月北半球風雪交加而南半球酷暑難熬」提供一些科學依據。

圖1 北半球海冰面積逐年12月變化圖（單位：百萬平方千米）

第一， 為什麼北半球風雪交加？

從圖1可以看出，2017年12月，北半球海冰面積比2016年12月約增加2%～3%，即增加了0.26～0.38百萬平方千米。

根據筆者在《極地探險》中的計算，今年冬天在北極地區堆積的冷空氣顯然更強。

北極地區有了強冷空氣堆積，這就像在我們的北面有了一個大冷空氣庫，這個冷空氣庫的冷空氣奔向何方，那就要決定於今年冬天北半球大氣環流的分布狀況。

研究表明，如果在烏拉爾山地區有穩定的高氣壓區，則其下游（即東亞地區）就是穩定的東亞大氣低壓槽，盛行偏西北風，我國必然受強冷空氣影響。

圖2 2018年1月2日北半球50百帕環流形勢圖

如圖2可見，2018年1月2日，北半球的一個大氣低壓槽正好位於東亞地區。受此影響，北極地區堆積的冷空氣就容易流向我國，也因此帶來了我國大範圍的冰雪災害。

回想2008年1月我國南方的低溫雨雪冰凍災害，大家記憶猶新。

從圖1可以看出，2007年12月，北半球海冰面積比2006年12月增加1%左右，趕不上2017年12月浮冰面積增加量，但2008年冬天我國南方的極端低溫卻是幾十年罕見。

這可能說明兩點。第一，北半球冬天海冰面積變化對我國低溫的影響並不是唯一因素，還要看未來東亞大氣環流變化；第二，也可能說明，今年冬天，未來我國氣溫還要降低。

圖3 2018年1月6日北半球500百帕環流形勢圖

天氣實況表明，今年入冬以來，北美洲和歐洲受到的強冷空氣比我國影響更大。由圖3和圖2都可以看出，北半球的兩個大低壓槽分別位於北美洲和歐洲，而以北美洲最強。因此今年冬天北極地區堆積的冷空氣就傾瀉到北美洲了。

第二，為什麼南半球酷暑難熬？

由圖4可見，在2015年前，南半球海冰面積基本上是增加趨勢。然而，自2016年12月起，南半球海冰面積突然減小：2016年12月比2015年減小24%左右，即減少了250萬平方千米；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125萬平方千米。

圖4 南半球海冰面積逐年12月變化圖（單位：百萬平方千米）

南半球地區兩年冬天海冰面積比平均值大大偏低，正好與北半球相反。這樣，南半球海域的海洋（包括海冰與水面）輸送給大氣的熱量大大增加。

根據筆者在《極地探險》一書中的計算結果，南極地區2016年與2017年12月海冰面積減小而增加的海洋輸送給大氣的熱量，足可以使得南極地區100百帕以下的大氣增溫2到3攝氏度。如果加熱集中在近地面，這很可能是導致今年冬天南半球的「酷熱難熬」的原因。

另外，從圖5可以看出，2017年12月海冰減少的區域在東南極的北面，離開澳大利亞最近，這也是可能引起澳大利亞酷熱的原因。

圖5 2017年12月南半球海冰分布圖（紅線為1981-2010年海冰平均值範圍）

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