北極增幅性變暖對(duì)歐亞大陸冬季極端天氣和氣候的影響:共識(shí)、問(wèn)題和爭(zhēng)議
發(fā)布時(shí)間：2021-10-11 16:35
北極增幅性變暖和北極海冰快速減少不僅使北極氣候系統(tǒng)成為國(guó)際前沿性問(wèn)題,且對(duì)其導(dǎo)致的中緯度極端天氣氣候的影響研究也備受關(guān)注,這一研究成為目前少數(shù)幾個(gè)最活躍的氣候研究領(lǐng)域之一。本文回顧了這一研究領(lǐng)域的早期探索,總結(jié)了最新的科學(xué)假設(shè)和科學(xué)問(wèn)題、研究的進(jìn)展、目前的共識(shí)以及亟待解決的問(wèn)題和主要爭(zhēng)論。最后提出了未來(lái)取得新進(jìn)展的共性問(wèn)題。
【文章來(lái)源】：氣象科學(xué). 2020,40(05)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)
【部分圖文】：
對(duì)應(yīng)于ARP(a)正位相和(b)負(fù)位相的海平面氣壓異常場(chǎng)的合成分析結(jié)果，反映了冰島低壓、西伯利亞高壓和阿留申低壓的強(qiáng)度和位置變化;(c)是(a)-(b)的結(jié)果，反映了ARP負(fù)位相時(shí)西伯利亞高壓的增強(qiáng)和向北擴(kuò)張以及阿留申低壓的加深;(d)根據(jù)ARP振幅時(shí)間序列回歸的地表氣溫異常，顯示了ARP負(fù)位相驅(qū)動(dòng)的北極增暖和歐亞大陸中緯度變冷[3]
近年來(lái)，科學(xué)界和公眾提出了一種假設(shè)，即最近觀測(cè)到的北極增幅性變暖可能是中緯度大陸極端天氣氣候事件發(fā)生頻率增加的觸發(fā)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。由于嚴(yán)重缺乏對(duì)北極加速變化和全球變暖趨勢(shì)下極端寒冷天氣氣候事件的認(rèn)識(shí)以及它們對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要影響，這一假設(shè)快速推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的研究熱潮。理論上講，海冰在大氣和海洋之間具有隔熱效應(yīng)，海冰覆蓋范圍的減少和變薄將大規(guī)模降低隔熱效應(yīng)，由此而暴露的溫暖的海洋和變薄的海冰將增強(qiáng)海洋直接或間接通過(guò)海冰上傳至大氣的湍流熱通量(感熱通量和潛熱通量)以及向上的長(zhǎng)波輻射[17]，這有可能成為新的大氣外強(qiáng)迫熱源，從而改變大氣環(huán)流狀態(tài)和觸發(fā)極端事件的發(fā)生。與此同時(shí)，GISTEMP v4近地面氣溫資料分析結(jié)果顯示，北極增幅性變暖與歐亞大陸中緯度中部到東亞地區(qū)的變冷意味著北半球平均經(jīng)向氣溫(或?qū)α鲗由蠈游粍?shì)高度)梯度減小(圖1)，即大氣的平均經(jīng)向斜壓性減弱，從而引起具有斜壓特征的極鋒急流減弱，導(dǎo)致Rossby波相對(duì)速度減小。進(jìn)一步的假設(shè)還提出，Rossby波振幅或?qū)⒃龃�，誘導(dǎo)北極冷空氣向南爆發(fā)，造成極端寒冷事件[18]。事實(shí)上，早在1990s初期，黃士松等[21-22]關(guān)于海冰覆蓋異常對(duì)大氣環(huán)流影響的研究就開(kāi)展了前瞻性的工作，指出太平洋北極地區(qū)與大西洋北極地區(qū)的海冰變化最大，這兩個(gè)北極區(qū)域海冰異�？杉ぐl(fā)遙相關(guān)波列，進(jìn)而影響歐亞大陸和北美大陸的中緯度地區(qū)，海冰異常對(duì)大氣環(huán)流的影響可與El Ni1o的影響相當(dāng)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)海冰觀測(cè)資料的改進(jìn)(相對(duì)于早期航海和漁業(yè)活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)觀測(cè))、更加完整的氣候模式的發(fā)展以及對(duì)氣候動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，關(guān)于北極海冰覆蓋異常對(duì)大氣環(huán)流影響的研究開(kāi)始逐步取得明顯進(jìn)展。如，Magnusdottir,et al[23]和Deser,et al[24]通過(guò)大氣環(huán)流模式模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大尺度大氣環(huán)流對(duì)海冰異常的響應(yīng)呈現(xiàn)出類似北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation,NAO)的形態(tài)，并指出海冰異常和NAO位相之間變化的符號(hào)相反;ZHAO,et al[25]指出太平洋一側(cè)冬季北極海冰的減少，可引發(fā)第二年夏季東亞北部出現(xiàn)異常高壓，導(dǎo)致長(zhǎng)江一帶持續(xù)性降水異常增加。2019/2020年冬季太平洋一側(cè)北極海冰達(dá)到了極端低值，有可能是2020年夏季長(zhǎng)江流域極端降水事件的重要原因之一。
大氣環(huán)流模式和耦合氣候模式試驗(yàn)也被用于急流變化的研究。上文提到對(duì)應(yīng)于北極海冰的減少，最新的耦合氣候模式模擬試驗(yàn)顯示出了與觀測(cè)相一致的ARP負(fù)位相變化傾向和與其對(duì)應(yīng)的西伯利亞高壓和阿留申低壓的加強(qiáng)[37]。這6個(gè)模式的試驗(yàn)結(jié)果也都顯示出基本一致的西風(fēng)和急流變化的結(jié)果(圖3)。模擬的緯向平均西風(fēng)和急流的變化在靠極一側(cè)明顯減弱，而在低緯度一側(cè)顯著加強(qiáng)，表現(xiàn)出向低緯度移動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)在低緯度一側(cè)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。盡管這些模式呈現(xiàn)出一致的空間結(jié)構(gòu)變化，但各模式模擬的氣候狀態(tài)下的西風(fēng)和急流的強(qiáng)度及其變化強(qiáng)度仍有較大差別。為了探討急流變化的物理機(jī)制，Ronalds,et al[44]使用正壓無(wú)輻散模式耦合氣候模式對(duì)海冰減少模擬的西風(fēng)響應(yīng)結(jié)果，做了模擬試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)北極增幅性變暖減弱的經(jīng)向斜壓性僅在模擬初期減弱了中緯度西風(fēng)，渦旋和平均流反饋?zhàn)饔每赡苁菦Q定最終西風(fēng)響應(yīng)的因子。這種反饋?zhàn)饔迷谀M中加強(qiáng)了西風(fēng)環(huán)流。雖然結(jié)果進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了北極變暖下西風(fēng)變化的可能機(jī)制，但單一耦合模式提供的西風(fēng)響應(yīng)信息具有不確定性，正壓無(wú)輻散模式也忽略了很多復(fù)雜的物理過(guò)程。更完整的物理過(guò)程和機(jī)制有待進(jìn)一步研究。除了對(duì)天氣尺度移動(dòng)性Rossby波的研究外，定常Rossby傳播(或者大氣遙相關(guān)波列)可能是更加直接聯(lián)系北極和中緯度天氣氣候的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。黃士松等[21-22]早在1990s初期就發(fā)現(xiàn)了北極海冰異�？杉ぐl(fā)向中緯度下游傳播的遙相關(guān)波列。1990s中期以后，北極進(jìn)入增幅性變暖和海冰加速減少的狀態(tài)，新的大氣環(huán)流模擬試驗(yàn)進(jìn)一步揭示了巴倫支海和喀拉海海冰異常減少導(dǎo)致海面感熱和潛熱釋放增加，從而激發(fā)定常Rossby波向歐亞大陸及東亞中緯度傳播，造成低溫天氣事件[45]。定常Rossby波連接北極海冰異常和歐亞大陸中緯度冬季低溫事件的機(jī)制已被廣泛接受，但它在傳播路徑上如何調(diào)制和影響天氣尺度系統(tǒng)的生成和發(fā)展仍需進(jìn)一步研究。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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]中國(guó)南方2008年1月罕見(jiàn)低溫雨雪冰凍災(zāi)害發(fā)生的原因及其與氣候變暖的關(guān)系[J]. 丁一匯,王遵婭,宋亞芳,張錦. 氣象學(xué)報(bào). 2008(05)
[3]極地海冰變化對(duì)氣候的影響[J]. 黃士松,楊修群,蔣全榮,湯明敏,王召民,謝倩,朱永春. 氣象科學(xué). 1995(04)
[4]THE EFFECTS OF THE ARCTIC SEA ICE ON THE VARIATIONS OF ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION AND CLIMATE[J]. 黃士松,楊修群,謝倩. Acta Meteorologica Sinica. 1992(01)
[5]對(duì)流圈上層與平流圈下層動(dòng)能位能的轉(zhuǎn)換及其間的能量交換輸送[J]. 黃士松,魯俊,閻石城,肖凱書(shū),金一鳴. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 1965(01)
本文編號(hào)：3430878
【文章來(lái)源】：氣象科學(xué). 2020,40(05)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)
【部分圖文】：
對(duì)應(yīng)于ARP(a)正位相和(b)負(fù)位相的海平面氣壓異常場(chǎng)的合成分析結(jié)果，反映了冰島低壓、西伯利亞高壓和阿留申低壓的強(qiáng)度和位置變化;(c)是(a)-(b)的結(jié)果，反映了ARP負(fù)位相時(shí)西伯利亞高壓的增強(qiáng)和向北擴(kuò)張以及阿留申低壓的加深;(d)根據(jù)ARP振幅時(shí)間序列回歸的地表氣溫異常，顯示了ARP負(fù)位相驅(qū)動(dòng)的北極增暖和歐亞大陸中緯度變冷[3]
近年來(lái)，科學(xué)界和公眾提出了一種假設(shè)，即最近觀測(cè)到的北極增幅性變暖可能是中緯度大陸極端天氣氣候事件發(fā)生頻率增加的觸發(fā)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。由于嚴(yán)重缺乏對(duì)北極加速變化和全球變暖趨勢(shì)下極端寒冷天氣氣候事件的認(rèn)識(shí)以及它們對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要影響，這一假設(shè)快速推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的研究熱潮。理論上講，海冰在大氣和海洋之間具有隔熱效應(yīng)，海冰覆蓋范圍的減少和變薄將大規(guī)模降低隔熱效應(yīng)，由此而暴露的溫暖的海洋和變薄的海冰將增強(qiáng)海洋直接或間接通過(guò)海冰上傳至大氣的湍流熱通量(感熱通量和潛熱通量)以及向上的長(zhǎng)波輻射[17]，這有可能成為新的大氣外強(qiáng)迫熱源，從而改變大氣環(huán)流狀態(tài)和觸發(fā)極端事件的發(fā)生。與此同時(shí)，GISTEMP v4近地面氣溫資料分析結(jié)果顯示，北極增幅性變暖與歐亞大陸中緯度中部到東亞地區(qū)的變冷意味著北半球平均經(jīng)向氣溫(或?qū)α鲗由蠈游粍?shì)高度)梯度減小(圖1)，即大氣的平均經(jīng)向斜壓性減弱，從而引起具有斜壓特征的極鋒急流減弱，導(dǎo)致Rossby波相對(duì)速度減小。進(jìn)一步的假設(shè)還提出，Rossby波振幅或?qū)⒃龃�，誘導(dǎo)北極冷空氣向南爆發(fā)，造成極端寒冷事件[18]。事實(shí)上，早在1990s初期，黃士松等[21-22]關(guān)于海冰覆蓋異常對(duì)大氣環(huán)流影響的研究就開(kāi)展了前瞻性的工作，指出太平洋北極地區(qū)與大西洋北極地區(qū)的海冰變化最大，這兩個(gè)北極區(qū)域海冰異�？杉ぐl(fā)遙相關(guān)波列，進(jìn)而影響歐亞大陸和北美大陸的中緯度地區(qū)，海冰異常對(duì)大氣環(huán)流的影響可與El Ni1o的影響相當(dāng)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)海冰觀測(cè)資料的改進(jìn)(相對(duì)于早期航海和漁業(yè)活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)觀測(cè))、更加完整的氣候模式的發(fā)展以及對(duì)氣候動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，關(guān)于北極海冰覆蓋異常對(duì)大氣環(huán)流影響的研究開(kāi)始逐步取得明顯進(jìn)展。如，Magnusdottir,et al[23]和Deser,et al[24]通過(guò)大氣環(huán)流模式模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大尺度大氣環(huán)流對(duì)海冰異常的響應(yīng)呈現(xiàn)出類似北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation,NAO)的形態(tài)，并指出海冰異常和NAO位相之間變化的符號(hào)相反;ZHAO,et al[25]指出太平洋一側(cè)冬季北極海冰的減少，可引發(fā)第二年夏季東亞北部出現(xiàn)異常高壓，導(dǎo)致長(zhǎng)江一帶持續(xù)性降水異常增加。2019/2020年冬季太平洋一側(cè)北極海冰達(dá)到了極端低值，有可能是2020年夏季長(zhǎng)江流域極端降水事件的重要原因之一。
大氣環(huán)流模式和耦合氣候模式試驗(yàn)也被用于急流變化的研究。上文提到對(duì)應(yīng)于北極海冰的減少，最新的耦合氣候模式模擬試驗(yàn)顯示出了與觀測(cè)相一致的ARP負(fù)位相變化傾向和與其對(duì)應(yīng)的西伯利亞高壓和阿留申低壓的加強(qiáng)[37]。這6個(gè)模式的試驗(yàn)結(jié)果也都顯示出基本一致的西風(fēng)和急流變化的結(jié)果(圖3)。模擬的緯向平均西風(fēng)和急流的變化在靠極一側(cè)明顯減弱，而在低緯度一側(cè)顯著加強(qiáng)，表現(xiàn)出向低緯度移動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)在低緯度一側(cè)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。盡管這些模式呈現(xiàn)出一致的空間結(jié)構(gòu)變化，但各模式模擬的氣候狀態(tài)下的西風(fēng)和急流的強(qiáng)度及其變化強(qiáng)度仍有較大差別。為了探討急流變化的物理機(jī)制，Ronalds,et al[44]使用正壓無(wú)輻散模式耦合氣候模式對(duì)海冰減少模擬的西風(fēng)響應(yīng)結(jié)果，做了模擬試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)北極增幅性變暖減弱的經(jīng)向斜壓性僅在模擬初期減弱了中緯度西風(fēng)，渦旋和平均流反饋?zhàn)饔每赡苁菦Q定最終西風(fēng)響應(yīng)的因子。這種反饋?zhàn)饔迷谀M中加強(qiáng)了西風(fēng)環(huán)流。雖然結(jié)果進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了北極變暖下西風(fēng)變化的可能機(jī)制，但單一耦合模式提供的西風(fēng)響應(yīng)信息具有不確定性，正壓無(wú)輻散模式也忽略了很多復(fù)雜的物理過(guò)程。更完整的物理過(guò)程和機(jī)制有待進(jìn)一步研究。除了對(duì)天氣尺度移動(dòng)性Rossby波的研究外，定常Rossby傳播(或者大氣遙相關(guān)波列)可能是更加直接聯(lián)系北極和中緯度天氣氣候的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。黃士松等[21-22]早在1990s初期就發(fā)現(xiàn)了北極海冰異�？杉ぐl(fā)向中緯度下游傳播的遙相關(guān)波列。1990s中期以后，北極進(jìn)入增幅性變暖和海冰加速減少的狀態(tài)，新的大氣環(huán)流模擬試驗(yàn)進(jìn)一步揭示了巴倫支海和喀拉海海冰異常減少導(dǎo)致海面感熱和潛熱釋放增加，從而激發(fā)定常Rossby波向歐亞大陸及東亞中緯度傳播，造成低溫天氣事件[45]。定常Rossby波連接北極海冰異常和歐亞大陸中緯度冬季低溫事件的機(jī)制已被廣泛接受，但它在傳播路徑上如何調(diào)制和影響天氣尺度系統(tǒng)的生成和發(fā)展仍需進(jìn)一步研究。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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]中國(guó)南方2008年1月罕見(jiàn)低溫雨雪冰凍災(zāi)害發(fā)生的原因及其與氣候變暖的關(guān)系[J]. 丁一匯,王遵婭,宋亞芳,張錦. 氣象學(xué)報(bào). 2008(05)
[3]極地海冰變化對(duì)氣候的影響[J]. 黃士松,楊修群,蔣全榮,湯明敏,王召民,謝倩,朱永春. 氣象科學(xué). 1995(04)
[4]THE EFFECTS OF THE ARCTIC SEA ICE ON THE VARIATIONS OF ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION AND CLIMATE[J]. 黃士松,楊修群,謝倩. Acta Meteorologica Sinica. 1992(01)
[5]對(duì)流圈上層與平流圈下層動(dòng)能位能的轉(zhuǎn)換及其間的能量交換輸送[J]. 黃士松,魯俊,閻石城,肖凱書(shū),金一鳴. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 1965(01)
本文編號(hào)：3430878
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