北极增幅性变暖对欧亚大陆冬季极端天气和气候的影响:共识、问题和争议
发布时间：2021-10-11 16:35
北极增幅性变暖和北极海冰快速减少不仅使北极气候系统成为国际前沿性问题,且对其导致的中纬度极端天气气候的影响研究也备受关注,这一研究成为目前少数几个最活跃的气候研究领域之一。本文回顾了这一研究领域的早期探索,总结了最新的科学假设和科学问题、研究的进展、目前的共识以及亟待解决的问题和主要争论。最后提出了未来取得新进展的共性问题。
【文章来源】：气象科学. 2020,40(05)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
对应于ARP(a)正位相和(b)负位相的海平面气压异常场的合成分析结果，反映了冰岛低压、西伯利亚高压和阿留申低压的强度和位置变化;(c)是(a)-(b)的结果，反映了ARP负位相时西伯利亚高压的增强和向北扩张以及阿留申低压的加深;(d)根据ARP振幅时间序列回归的地表气温异常，显示了ARP负位相驱动的北极增暖和欧亚大陆中纬度变冷[3]
近年来，科学界和公众提出了一种假设，即最近观测到的北极增幅性变暖可能是中纬度大陆极端天气气候事件发生频率增加的触发和驱动机制。由于严重缺乏对北极加速变化和全球变暖趋势下极端寒冷天气气候事件的认识以及它们对社会经济的重要影响，这一假设快速推动了全球范围内的研究热潮。理论上讲，海冰在大气和海洋之间具有隔热效应，海冰覆盖范围的减少和变薄将大规模降低隔热效应，由此而暴露的温暖的海洋和变薄的海冰将增强海洋直接或间接通过海冰上传至大气的湍流热通量(感热通量和潜热通量)以及向上的长波辐射[17]，这有可能成为新的大气外强迫热源，从而改变大气环流状态和触发极端事件的发生。与此同时，GISTEMP v4近地面气温资料分析结果显示，北极增幅性变暖与欧亚大陆中纬度中部到东亚地区的变冷意味着北半球平均经向气温(或对流层上层位势高度)梯度减小(图1)，即大气的平均经向斜压性减弱，从而引起具有斜压特征的极锋急流减弱，导致Rossby波相对速度减小。进一步的假设还提出，Rossby波振幅或将增大，诱导北极冷空气向南爆发，造成极端寒冷事件[18]。事实上，早在1990s初期，黄士松等[21-22]关于海冰覆盖异常对大气环流影响的研究就开展了前瞻性的工作，指出太平洋北极地区与大西洋北极地区的海冰变化最大，这两个北极区域海冰异常可激发遥相关波列，进而影响欧亚大陆和北美大陆的中纬度地区，海冰异常对大气环流的影响可与El Ni1o的影响相当。随着卫星遥感技术对海冰观测资料的改进(相对于早期航海和渔业活动的经验观测)、更加完整的气候模式的发展以及对气候动力学的进一步认识，关于北极海冰覆盖异常对大气环流影响的研究开始逐步取得明显进展。如，Magnusdottir,et al[23]和Deser,et al[24]通过大气环流模式模拟试验发现，大尺度大气环流对海冰异常的响应呈现出类似北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)的形态，并指出海冰异常和NAO位相之间变化的符号相反;ZHAO,et al[25]指出太平洋一侧冬季北极海冰的减少，可引发第二年夏季东亚北部出现异常高压，导致长江一带持续性降水异常增加。2019/2020年冬季太平洋一侧北极海冰达到了极端低值，有可能是2020年夏季长江流域极端降水事件的重要原因之一。
大气环流模式和耦合气候模式试验也被用于急流变化的研究。上文提到对应于北极海冰的减少，最新的耦合气候模式模拟试验显示出了与观测相一致的ARP负位相变化倾向和与其对应的西伯利亚高压和阿留申低压的加强[37]。这6个模式的试验结果也都显示出基本一致的西风和急流变化的结果(图3)。模拟的纬向平均西风和急流的变化在靠极一侧明显减弱，而在低纬度一侧显著加强，表现出向低纬度移动的趋势，同时在低纬度一侧强度明显增强。尽管这些模式呈现出一致的空间结构变化，但各模式模拟的气候状态下的西风和急流的强度及其变化强度仍有较大差别。为了探讨急流变化的物理机制，Ronalds,et al[44]使用正压无辐散模式耦合气候模式对海冰减少模拟的西风响应结果，做了模拟试验，结果发现北极增幅性变暖减弱的经向斜压性仅在模拟初期减弱了中纬度西风，涡旋和平均流反馈作用可能是决定最终西风响应的因子。这种反馈作用在模拟中加强了西风环流。虽然结果进一步认识了北极变暖下西风变化的可能机制，但单一耦合模式提供的西风响应信息具有不确定性，正压无辐散模式也忽略了很多复杂的物理过程。更完整的物理过程和机制有待进一步研究。除了对天气尺度移动性Rossby波的研究外，定常Rossby传播(或者大气遥相关波列)可能是更加直接联系北极和中纬度天气气候的动力学机制。黄士松等[21-22]早在1990s初期就发现了北极海冰异常可激发向中纬度下游传播的遥相关波列。1990s中期以后，北极进入增幅性变暖和海冰加速减少的状态，新的大气环流模拟试验进一步揭示了巴伦支海和喀拉海海冰异常减少导致海面感热和潜热释放增加，从而激发定常Rossby波向欧亚大陆及东亚中纬度传播，造成低温天气事件[45]。定常Rossby波连接北极海冰异常和欧亚大陆中纬度冬季低温事件的机制已被广泛接受，但它在传播路径上如何调制和影响天气尺度系统的生成和发展仍需进一步研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Preface to the Special Issue:Towards Improving Understanding and Prediction of Arctic Change and Its Linkage with Eurasian Mid-latitude Weather and Climate[J]. Xiangdong ZHANG,Thomas JUNG,Muyin WANG,Yong LUO,Tido SEMMLER,Andrew ORR. Advances in Atmospheric Sciences. 2018(01)
[2]中国南方2008年1月罕见低温雨雪冰冻灾害发生的原因及其与气候变暖的关系[J]. 丁一汇,王遵娅,宋亚芳,张锦. 气象学报. 2008(05)
[3]极地海冰变化对气候的影响[J]. 黄士松,杨修群,蒋全荣,汤明敏,王召民,谢倩,朱永春. 气象科学. 1995(04)
[4]THE EFFECTS OF THE ARCTIC SEA ICE ON THE VARIATIONS OF ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION AND CLIMATE[J]. 黄士松,杨修群,谢倩. Acta Meteorologica Sinica. 1992(01)
[5]对流圈上层与平流圈下层动能位能的转换及其间的能量交换输送[J]. 黄士松,鲁俊,阎石城,肖凯书,金一鸣. 南京大学学报(自然科学版). 1965(01)
本文编号：3430878
【文章来源】：气象科学. 2020,40(05)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
对应于ARP(a)正位相和(b)负位相的海平面气压异常场的合成分析结果，反映了冰岛低压、西伯利亚高压和阿留申低压的强度和位置变化;(c)是(a)-(b)的结果，反映了ARP负位相时西伯利亚高压的增强和向北扩张以及阿留申低压的加深;(d)根据ARP振幅时间序列回归的地表气温异常，显示了ARP负位相驱动的北极增暖和欧亚大陆中纬度变冷[3]
近年来，科学界和公众提出了一种假设，即最近观测到的北极增幅性变暖可能是中纬度大陆极端天气气候事件发生频率增加的触发和驱动机制。由于严重缺乏对北极加速变化和全球变暖趋势下极端寒冷天气气候事件的认识以及它们对社会经济的重要影响，这一假设快速推动了全球范围内的研究热潮。理论上讲，海冰在大气和海洋之间具有隔热效应，海冰覆盖范围的减少和变薄将大规模降低隔热效应，由此而暴露的温暖的海洋和变薄的海冰将增强海洋直接或间接通过海冰上传至大气的湍流热通量(感热通量和潜热通量)以及向上的长波辐射[17]，这有可能成为新的大气外强迫热源，从而改变大气环流状态和触发极端事件的发生。与此同时，GISTEMP v4近地面气温资料分析结果显示，北极增幅性变暖与欧亚大陆中纬度中部到东亚地区的变冷意味着北半球平均经向气温(或对流层上层位势高度)梯度减小(图1)，即大气的平均经向斜压性减弱，从而引起具有斜压特征的极锋急流减弱，导致Rossby波相对速度减小。进一步的假设还提出，Rossby波振幅或将增大，诱导北极冷空气向南爆发，造成极端寒冷事件[18]。事实上，早在1990s初期，黄士松等[21-22]关于海冰覆盖异常对大气环流影响的研究就开展了前瞻性的工作，指出太平洋北极地区与大西洋北极地区的海冰变化最大，这两个北极区域海冰异常可激发遥相关波列，进而影响欧亚大陆和北美大陆的中纬度地区，海冰异常对大气环流的影响可与El Ni1o的影响相当。随着卫星遥感技术对海冰观测资料的改进(相对于早期航海和渔业活动的经验观测)、更加完整的气候模式的发展以及对气候动力学的进一步认识，关于北极海冰覆盖异常对大气环流影响的研究开始逐步取得明显进展。如，Magnusdottir,et al[23]和Deser,et al[24]通过大气环流模式模拟试验发现，大尺度大气环流对海冰异常的响应呈现出类似北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)的形态，并指出海冰异常和NAO位相之间变化的符号相反;ZHAO,et al[25]指出太平洋一侧冬季北极海冰的减少，可引发第二年夏季东亚北部出现异常高压，导致长江一带持续性降水异常增加。2019/2020年冬季太平洋一侧北极海冰达到了极端低值，有可能是2020年夏季长江流域极端降水事件的重要原因之一。
大气环流模式和耦合气候模式试验也被用于急流变化的研究。上文提到对应于北极海冰的减少，最新的耦合气候模式模拟试验显示出了与观测相一致的ARP负位相变化倾向和与其对应的西伯利亚高压和阿留申低压的加强[37]。这6个模式的试验结果也都显示出基本一致的西风和急流变化的结果(图3)。模拟的纬向平均西风和急流的变化在靠极一侧明显减弱，而在低纬度一侧显著加强，表现出向低纬度移动的趋势，同时在低纬度一侧强度明显增强。尽管这些模式呈现出一致的空间结构变化，但各模式模拟的气候状态下的西风和急流的强度及其变化强度仍有较大差别。为了探讨急流变化的物理机制，Ronalds,et al[44]使用正压无辐散模式耦合气候模式对海冰减少模拟的西风响应结果，做了模拟试验，结果发现北极增幅性变暖减弱的经向斜压性仅在模拟初期减弱了中纬度西风，涡旋和平均流反馈作用可能是决定最终西风响应的因子。这种反馈作用在模拟中加强了西风环流。虽然结果进一步认识了北极变暖下西风变化的可能机制，但单一耦合模式提供的西风响应信息具有不确定性，正压无辐散模式也忽略了很多复杂的物理过程。更完整的物理过程和机制有待进一步研究。除了对天气尺度移动性Rossby波的研究外，定常Rossby传播(或者大气遥相关波列)可能是更加直接联系北极和中纬度天气气候的动力学机制。黄士松等[21-22]早在1990s初期就发现了北极海冰异常可激发向中纬度下游传播的遥相关波列。1990s中期以后，北极进入增幅性变暖和海冰加速减少的状态，新的大气环流模拟试验进一步揭示了巴伦支海和喀拉海海冰异常减少导致海面感热和潜热释放增加，从而激发定常Rossby波向欧亚大陆及东亚中纬度传播，造成低温天气事件[45]。定常Rossby波连接北极海冰异常和欧亚大陆中纬度冬季低温事件的机制已被广泛接受，但它在传播路径上如何调制和影响天气尺度系统的生成和发展仍需进一步研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Preface to the Special Issue:Towards Improving Understanding and Prediction of Arctic Change and Its Linkage with Eurasian Mid-latitude Weather and Climate[J]. Xiangdong ZHANG,Thomas JUNG,Muyin WANG,Yong LUO,Tido SEMMLER,Andrew ORR. Advances in Atmospheric Sciences. 2018(01)
[2]中国南方2008年1月罕见低温雨雪冰冻灾害发生的原因及其与气候变暖的关系[J]. 丁一汇,王遵娅,宋亚芳,张锦. 气象学报. 2008(05)
[3]极地海冰变化对气候的影响[J]. 黄士松,杨修群,蒋全荣,汤明敏,王召民,谢倩,朱永春. 气象科学. 1995(04)
[4]THE EFFECTS OF THE ARCTIC SEA ICE ON THE VARIATIONS OF ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION AND CLIMATE[J]. 黄士松,杨修群,谢倩. Acta Meteorologica Sinica. 1992(01)
[5]对流圈上层与平流圈下层动能位能的转换及其间的能量交换输送[J]. 黄士松,鲁俊,阎石城,肖凯书,金一鸣. 南京大学学报(自然科学版). 1965(01)
本文编号：3430878
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