北极环流与南极环流：对称纬度带下的 “截然相反气候”影响

除了从空间流场上可以得到全球大气中的“八圈环流”外，用再分析大气资料计算的对流层质量流函数也可以看到全球“八圈环流”，它们分别是热带“哈得来环流”（HN和HS）、中纬度“费雷尔环流”（FN和FS）、高纬度的传统“极地环流”（PN和PS）与新发现的 “北极环流”（AN）和“南极环流”（AS）[1]。作为全球八圈环流中的新增成员，“北极环流”与“南极环流”虽以赤道为对称分布于南北两极，但受下垫面地形、大气动力条件及气候背景的影响，二者在环流结构、动力机制、长期变化趋势及对区域气候的作用上存在显著差异，这些差异也是南北两极气候变化 “背道而驰” 的核心原因。

一、最核心差异：环流中心的 “高低错位”—— 地形主导的结构分化

北极环流与南极环流最直观的差异，体现在其环流中心在对流层的垂直位置上，而这一差异的根源是两极截然不同的下垫面地形。

这种 “高低错位” 的结构，直接决定了两者对下垫面气候的影响：北极环流因贴近海面，更容易影响北冰洋海温和海冰的变化；而南极环流因中心在高空，更易通过高空风场调整，间接作用于南极大陆及边缘海的气候。

二、动力机制差异：角动量平衡的 “不同解法”

大气环流的本质是 “角动量跨纬度交换的平衡过程”—— 地球自转偏向力在高纬度更强，需通过环流输送来平衡角动量。但北极与南极的下垫面摩擦、大气热力条件不同，导致两者的动力平衡机制存在差异。

1. 北极环流：海气摩擦主导的 “低层平衡”

北极地区以海洋为主，海面摩擦力远小于南极大陆的陆地摩擦力，且北冰洋海冰季节性消融（夏季海冰减少、冬季增多）会显著改变下垫面的粗糙度：

·冬季海冰雪覆盖广，海面摩擦力增大，会削弱低层大气的水平运动，使得北极环流的 “下沉支” 更弱（冷空气下沉速度减缓），间接导致北极对流层低层温度偏高；

·夏季海冰消融，海面摩擦力减小，低层大气水平运动增强，北极环流的 “上升支”（暖湿气流上升）更活跃，进一步促进海冰融化。

·简言之，北极环流的角动量平衡更依赖 “下垫面（海冰 - 海洋）的摩擦调整”，对季节变化的响应更敏感。

2. 南极环流：高原地形主导的 “高空约束”

南极大陆被高耸的南极高原占据，地形对大气的 “阻挡效应” 远强于北极：

·南极高原的地形抬升作用，会迫使低层冷空气沿高原边缘下沉，而高层大气则在高原上空形成 “辐合上升”，这种 “地形驱动的垂直运动” 直接塑造了南极环流的高空中心；

·同时，南极大陆几乎全年被海冰环绕（海冰覆盖稳定，季节变化小），下垫面粗糙度变化小，使得南极环流的角动量平衡更依赖 “地形与高空风场的耦合”，环流强度的季节波动远小于北极环流。

三、长期变化趋势差异：“北弱南稳” 与两极气候分化

1989-2015 年的气象观测数据显示，北极环流与南极环流的长期变化趋势完全相反，这也是北半球高纬度 “增暖”、南半球高纬度 “降温” 的直接环流驱动因素。

1. 北极环流：持续减弱，成为 “北极放大效应” 的 “推手”

近几十年来，北极环流的强度呈显著减弱趋势 [2] [3]，其核心影响包括：

·环流减弱→低层冷空气的 “锁闭能力” 下降→低纬度暖湿气流更易侵入北极→北极对流层低层增温（增温中心速度 1℃/10 年）；

·同时，环流减弱导致北极地区 “逆温层（高空温度高于低空）” 增强 —— 逆温层会抑制大气垂直混合，使得低层增温更显著，进一步加速海冰消融；

·最终形成 “环流减弱→暖空气入侵→增温→海冰减少→环流进一步减弱” 的正反馈，加剧 “北极放大效应”。

2. 南极环流：相对稳定，成为 “南极冷化” 的 “稳定器”

与北极不同，南极环流的强度长期保持相对稳定，甚至略有增强，其作用机制为：

·环流稳定（且中心在高空）→ 能高效地将南极大陆的冷空气 “约束” 在高纬度地区，阻止低纬度暖空气入侵；

·同时，南极环流的 “下沉支”（高空冷空气下沉）会加强南极对流层中下部的降温（降温中心速度 - 1℃/10 年），这种降温趋势直接传导至地面，促进南极边缘海海冰增多；

·南极高原的稳定地形进一步 “巩固” 了这种环流特征，使得南极环流对外部扰动（如温室气体增暖）的抵抗能力更强，环流趋势更稳定。

四、对区域气候的影响差异：从海冰到气温的 “反向作用”

环流的结构与变化趋势差异，最终转化为对南北两极及中高纬度气候的 “反向影响”，核心体现在海冰、地面气温和极端天气上。

由于南极大陆存在两个大的半岛与海湾（罗斯海和威德尔海）海冰浓度明显地存在季节趋势差异，对流层中下部四季位势高度下降与对流层低层降温之处对应着海冰浓度增加，反之亦然。

总结：差异的本质 ——“下垫面地形” 与 “气候背景” 的双重塑造

北极环流与南极环流的所有差异，本质上是 “两极下垫面差异（海洋 vs 高原）” 与 “全球气候背景（北极放大效应 vs 南极冷化）” 共同作用的结果：

·北极的 “海洋型下垫面” 决定了其环流中心在低层，且对海冰 - 海洋变化敏感，最终随全球变暖呈现 “减弱 - 增暖 - 海冰减少” 的趋势；

·南极的 “高原型下垫面” 决定了其环流中心在高空，且受地形约束更稳定，最终在全球变暖背景下仍能维持 “稳定 - 降温 - 海冰略增” 的趋势。

正是这种 “对称位置下的非对称环流”，让全球八圈环流系统不再是 “简单的镜像复制”，也为我们理解南北两极气候变化的 “相反趋势” 提供了关键线索。

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] Qian WH, Wu KJ, Chen D (2015), The Arctic and Polar cells act on the Arctic sea ice variation. Tellus A, 67, 27692

[3] Qian WH, Wu KJ, Leung JC (2016) Climatic anomalous patterns associated with the Arctic and Polar cell strength variations. Clim Dyn, DOI 10.1007/s00382-016-3067-x