全球八圈环流之下：为何南北两极气候变化背道而驰？

钱维宏 北京大学物理学院

当我们翻开传统气候学课本，“三圈环流” 是解释全球大气运动的经典框架 —— 热带的哈得来环流、中纬度的费雷尔环流、高纬度的极地环流，如同三条对称的 “大气传送带”，维系着南北半球相对均衡的气候格局。但近几十年来，随着气象观测技术的进步和长期数据的积累，研究发现了一个更精细的大气运动规律：全球八圈环流 [1] [2]。

以赤道为界，南北半球各有四圈环流 —— 除了传统的哈得来环流（H）、费雷尔环流（F）、极地环流（P），北极附近新增了 “北极环流（A）”，南极附近则对应着 “南极环流（A）”。这一发现如同为全球气候装上了 “高清镜头”，让我们得以更清晰地观察大气运动与地面气候的关联。可新的疑问随之而来：明明是相对赤道对称的八圈环流，为何南北两极的气候变化趋势却截然相反？北半球高纬度在持续增暖、海冰减少，南半球高纬度环南极大陆边缘海区却在降温、海冰增多？这背后的动力学谜题，正等待科学界给出答案。

先看清 “八圈环流”：高纬度的 “额外平衡”

要理解两极气候的差异，首先得搞懂 “八圈环流” 为何会出现。大气环流的核心驱动力始终是两点：热力驱动与动力驱动。

太阳辐射是大气运动的 “原始燃料”—— 赤道地区阳光直射，空气受热上升形成低气压；极地地区阳光斜射，空气冷却下沉形成高气压，这是热力驱动的底层逻辑。而地球自转产生的 “地转偏向力” 则是 “方向盘”：北半球气流向右偏，南半球向左偏，阻止了空气从极地直接流向赤道，迫使大气在不同纬度形成多个环流圈。

传统“三圈环流”能解释中低纬度的大气运动，但在高纬度地区，情况变得更复杂。由于极地附近地球自转偏向力比中低纬度更强，仅靠传统的 “极地环流” 无法完全平衡角动量的跨纬度交换 —— 就像高速行驶的汽车需要更精细的方向盘控制，高纬度大气也需要 “额外的环流” 来稳定运动。于是，“北极环流”和“南极环流”应运而生，最终构成了全球“八圈环流”的格局。

不过，这两个新增的 “极地环流” 并非完全对称：北极环流的中心在对流层低层，因为下方是地势低洼的北冰洋；南极环流的中心却在对流层上部，因为下方是高耸的南极高原。这种 “高低错位” 的结构，为后续两极气候的差异埋下了伏笔。

两极温压场：一边升温升压，一边降温降压

如果把大气环流比作 “气候的引擎”，那么对流层的温度和气压（简称 “温压场”）就是引擎的 “仪表盘”—— 它的变化趋势，直接反映了大气运动的强弱，也决定了地面气候的走向。

通过分析 1989-2015 年的全球气象数据，研究发现了一个惊人的对比：

·北半球高纬度：极地环流在增强，北极环流却在减弱。对应的温压场呈现 “整体升压、上下增温” 的趋势 —— 整个对流层的位势高度（可理解为大气 “厚度” 的指标）持续升高，对流层上部和下部各有一个明显的增温中心，其中极地对流层底部的增温速度达到了1℃/10 年，成为全球增温最显著的区域。

·南半球高纬度：情况恰好相反。对流层中上部的位势高度持续下降，中下部则呈现明显的降温趋势，南极对流层中部的降温中心速度达到了 -1℃/10 年的趋势，且这股降温趋势可延伸到地面。

更关键的是，这种 “北极暖南极冷” 的差异并非孤立存在。在副热带地区（哈得来环流与费雷尔环流的下沉区），南北半球的温压场趋势也出现了 “不对称”：北半球副热带高压的增强趋势比南半球更明显，而南半球副热带高压的变化中心却向南偏移到了 45°S 附近。这种副热带环流系统位置和强度的 “失衡”，进一步放大了南北半球高纬度的气候差异。

一个绕不开的疑问是：这种温压场的异常趋势，很难用 “下垫面直接影响” 来解释。毕竟，地面（如海洋、陆地）对大气的加热或冷却，通常随高度减弱，不可能像 “隔空发力” 一样，在对流层中层甚至上层形成明显的温度异常趋势中心。那么，究竟是大气环流的变化主导了地面气候变化，还是地面的气候变化反过来影响了大气环流长期变化？这成了解开谜题的第一道关卡。

地面的 “呼应”：海冰与气温的 “正反馈游戏”

大气环流的变化最终会落到地面，而地面的 “回应” 也最直观 —— 气温和海冰的变化，成了两极气候差异的 “晴雨表”。

1989-2015 年，全球平均气温在上升，但南北两个半球的 “升温节奏” 完全不同：北半球的增温幅度远大于南半球，且冬季增温最显著，尤其是 60°N 以北的高纬度增温；而南半球 60°S 以南的南极大陆边缘海域，除了罗斯海局部增暖，其他区域均在降温。

更有意思的是海冰的变化：

·北半球：高纬度地面冬季增暖的区域，恰好与海冰减少的区域重合 —— 比如北美洲东北部沿海、北欧极地附近。人们发现，当扰动暖气团频繁影响这些区域时，海冰浓度会持续下降；而海冰减少后，又会反过来加剧地面增温（因为海冰反射阳光，海冰减少会让海洋吸收更多热量），形成 “增暖 - 海冰减少” 的正反馈循环。但问题在于，北半球高纬度大气中存在 “逆温增强” 的趋势（即高空异常温度高于低空），这种逆温是如何形成的？它与海冰减少、地面增温的“隔空发力”作用关系又是什么？目前尚无明确答案。

·南半球：南极大陆边缘海域的海冰总体呈增多趋势，仅罗斯海外有明显减少 —— 这与地面纬度带总体降温、局部增温的趋势完全对应。同样的逻辑，地面降温会促进海冰增多，海冰增多又会进一步反射阳光、加剧降温，形成 “降温 - 海冰增多” 的正反馈。但南极对流层中部的降温趋势，是如何传导到地面、进而影响海冰的？或者，地面正反馈降温是怎么“隔空发力”影响到对流层中部降温的？这里的动力学机制，至今仍是空白。

留给科学界的 “终极谜题”

全球八圈环流的发现，为我们打开了理解气候的新窗口，但也抛出了更具挑战性的问题。当我们看到南北两极在对流层大气温压场、地面气温、海冰浓度上呈现 “截然相反” 的变化趋势时，不得不思考：

1.南北半球高纬度的温压场差异，究竟是八圈环流 “自身变化” 的结果，还是外部因素（如温室气体、洋流、太阳活动）干扰了环流，进而引发温压场异常？

2.北半球 “增暖 - 海冰减少” 与南半球 “降温 - 海冰增多” 的正反馈循环，其启动机制是什么？是大气环流先变，还是地面（海冰、海温）先变？两者之间的 “传导链条” 如何构建？

3.南极环流中心位于对流层上部，北极环流中心位于对流层低层，这种 “高低错位” 的结构，是否是导致两极温压场差异的关键？如果是，其具体的动力学过程是什么？

这些问题不仅关乎对地球气候系统的认知，更影响着未来气候预测的准确性。比如，若北半球高纬度的增暖趋势与北极环流减弱直接相关，那么未来北极环流的变化是否会加速海冰融化？而南极的降温与海冰增多，又是否会对全球海平面、大气环流产生反向影响？

全球气候是一个相互关联的整体，南北两极的 “背道而驰”，或许正是气候系统内部复杂相互作用的缩影。解开这一谜题，需要大气科学、海洋学、冰川学等多学科的协同合作 —— 而每一步突破，都将让我们更接近气候变化的真相。

参考文献

[1] Qian WH, Wu KJ, Liang HY (2016) Arctic and Antarctic cells in the troposphere. Theor Appl Climatol, 125: 1-12.

[2] 钱维宏, 武凯军, 梁浩原（2021）相对瞬变气候态的气候异常. 大气科学学报, 44(1): 75-88.

[3] Qian WH, Wu KJ, Leung JC (2019) Antarctic sea-ice variation associated with vertical geopotential height and temperature anomalies. Int J Climatol 39: 5380-5395.

来源: 钱维宏