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中纬度极寒的元凶:北极变暖?

已有 1288 次阅读 2019-9-27 16:26 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

近几十年尤其是2000年以来, 北极地面气温快速升高, 其增暖速度是北极以外其他地区的2~3倍左右, 被称为北极放大现象。在北极变暖的背景下, 冬季北极海冰有快速减少的趋势。北极快速增暖以及北极海冰加速融化的同时, 北半球冷空气频繁地入侵中纬度地区, 例如2008年初中国南方地区发生了历史罕见的大范围的低温、雨雪、冰冻灾害。《中国科学:地球科学》2019年第9期出版的文章揭示了中纬度极寒天气事件和北极增暖之间的关系。


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前人的观点

过去的一些研究认为, 北极增暖能减弱大气的经向温度梯度, 从而减弱中纬度的纬向西风和急流的强度, 进而使行星尺度波振幅增大或急流弯曲, 有利于冷空气南侵到中纬度地区。基于这一观点, 国际上提出了几种描述环流的指数。

Francis和Vavrus构造了经向环流指数来描述经向风的大小。他们认为, 当北极变暖时, 经向风加强, 纬向风变弱,有利于极端天气事件的发生。但也有学者认为在北极增暖的背景下, 西风强度变弱并不明显。因此,Di Capua和Coumou以及Cattiaux等进一步构造了弯曲度指数来描述急流的大弯曲。他们发现在1979年后急流弯曲度有增加的趋势。

事实上, 即使没有北极变暖, 中高纬度地区仍存在大气阻塞和急流弯曲, 说明北极变暖并不是中纬度极寒天气产生的必要条件。因此, 用大气环流经向度和弯曲度的变化来联系北极增暖和中纬度极寒天气可能存在问题。正如Cohen等所指出的那样, 这些指数缺少理论和物理依据。


极寒天气的阻塞观点

近来一些学者将500hPa位势高度异常场回归到巴伦支-喀拉海(BKS)海冰变化曲线上发现, 回归的高度场上对应一个乌拉尔阻塞和北大西洋涛动的正位相(NAO+)所组成的波列。罗德海及合作者的研究指出: 如果没有乌拉尔阻塞, 即使NAO+发生, BKS海冰也不会减少。只有当NAO+和乌拉尔阻塞出现接力作用时, BKS海冰才会出现大的减少。也就是说乌拉尔阻塞可能是北极增暖和中纬度极寒天气之间联系的一个桥梁, 北极增暖和中纬度极寒天气之间的联系可能是通过乌拉尔阻塞来完成的。并且北极增暖和乌拉尔阻塞之间存在正反馈作用, 北极增暖有利于阻塞的稳定维持, 而阻塞的稳定维持有利于北极进一步变暖和巴伦支海海冰进一步减少, 这称为阻塞的放大器作用。


位涡的经向梯度对阻塞的影响

基于阻塞非线性多尺度相互作用(NMI)模型, 罗德海及合作者的系列研究提出了新的观点, 认为北极增暖可能是通过影响背景位涡经向梯度(PVy)的大小来影响大气阻塞以及中纬度极寒天气的。PVy就像一根绳子一样, 它连接了北极和中纬度地区。因此, PVy的大小不仅依赖于北极位涡的大小, 而且依赖于中纬度位涡的大小。

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位涡梯度(PVy)联系北极变化和中纬度变化的概念图


根据NMI模型可以发现, PVy的大小主要反映阻塞的频散性和非线性强弱。研究表明, 北极增暖通常会使得PVy减小, 而当PVy较小时, 阻塞系统有弱频散性和强非线性, 因此阻塞能够长时间维持, 从而导致欧亚大陆有强的极寒事件发生; 但当PVy较大时, 即使有北极增暖, 阻塞也不容易维持, 在这种情况下北极增暖或海冰融化对中纬度极寒事件的影响是微弱的。从目前研究来看,中纬度极寒天气的发生可能是北极增暖和与大气内部变化有关的中纬度环流角逐的结果。北极增暖或北极海冰减少并不是中纬度极寒天气发生的必要条件。因此, 从PVy的大小去看中纬度极寒天气和北极增暖之间的联系也许将是未来该领域的一个主要研究方向。


了解研究详情请读原文:



中文版:李牧原, 罗德海. 2019. 冬季北极增暖与中纬度环流和极寒天气之间的联系: 经向位涡梯度的关键作用. 中国科学: 地球科学, 49: 1335–1345, doi:10.1360/N072018-00309

英文版:Li M, Luo D. 2019.Winter Arctic warming and its linkage with midlatitude atmospheric circulation and associated cold extremes: The key role of the meridional potential vorticity gradient. Science China Earth Sciences, 62: 1329–1339, https://doi.org/10.1007/s11430-018-9350-9


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