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都是北极惹的祸?
来源:中国科学报      作者:闫洁      时间:2015-04-01 18:38      关键词:科学家解析极地变暖与中纬度极端天气事件关联
摘要:2009年12月,天气专家保持着高度警惕。当时,一个高压区在格陵兰上方停滞,从而在极地附近喷射气流的移动路径上形成路障。由于受到阻拦,喷射气流曲折而缓慢地流动着,向南弯曲形成一个大环并且将寒冷的北极气团向美国中部分流。气象学家对这种“格陵兰路障”非常熟悉。这是一种在历史上有利于冬季暴风雪形成的气候模式,而且仿佛是在暗示,破纪录的降雪在接下来的几个月里将席卷美国东部。

2012年2月,使欧洲中部瘫痪的严重暴风雪或许是一个更大模型的一部分。图片来源:BOGDAN CRISTEL

2009年12月,天气专家保持着高度警惕。当时,一个高压区在格陵兰上方停滞,从而在极地附近喷射气流的移动路径上形成路障。由于受到阻拦,喷射气流曲折而缓慢地流动着,向南弯曲形成一个大环并且将寒冷的北极气团向美国中部分流。气象学家对这种“格陵兰路障”非常熟悉。这是一种在历史上有利于冬季暴风雪形成的气候模式,而且仿佛是在暗示,破纪录的降雪在接下来的几个月里将席卷美国东部。

在过去几年里“雪魔”和其他猛烈的冬季暴风雪袭击美国、欧洲和亚洲的背景下,一种不同的暴风雪类型在研究北极的科学界内引发极大关注。其核心是一系列提出发生在中纬度地区的此类极端天气事件,通过大气与北极地区快速的气候变化如日渐消退的海冰带来的效应相关联的最新研究。该观点令公众震惊,甚至引发白宫的关注。不过,一些北极研究人员表示,数据并未支持该观点,或者说至少目前各方还莫衷一是。

如今,科学家正开始严肃对待该问题。极地和中纬度地区的大气关联在同北极相关的会议上成为一个热门话题。仅在去年12月,便吸引了研究人员参加在西班牙巴塞罗那举行的研讨会以及在美国加利福尼亚州旧金山市举行的美国地球物理学会年会专门会议。“很多科学家一个人孤立地工作,追寻自己的想法。”麻省理工学院气候科学家Judah Cohen说。

研究范式的转移

对于气候科学家来说,北极圈会对大气产生区域性甚至是半球尺度影响的观点代表了一种范式的转移。“当我念研究生时,大家都认为热带地区就是一切。”Cohen介绍说。毕竟北冰洋面积小且寒冷,而位于热带的太平洋辽阔并更加温暖。要在全球尺度上影响大气,必须有大量的热量和水分从海洋流向空气中。这种热量引擎在太平洋是巨大的,而且为地球占主导地位的年际间气候模式——厄尔尼诺—南方振荡(ENSO)提供能量。ENSO还具备一个有用的供应链:即使热量从东部热带太平洋逃到大气中,从西部热带太平洋流入的洋流也能提供新的供应。

不过,一种新的引擎正在北极形成。全球变暖导致的北冰洋海冰快速消失创造了一大片吸收太阳能量的无冰海面。这种额外的能量输入以及相应的水分和热量向北极大气的流入,正帮助推动当地对全球变暖产生强烈的正反馈,即北极放大效应。于是,北极的表面温度以两倍于较低纬度地区的速度升高。

然而,海冰的消失是否不仅仅造成当地变暖,而是带来更多影响?2012年,新泽西州的罗格斯大学气候学家Jennifer Francis和威斯康星大学麦迪逊分校的Stephen Vavrus提出,由海冰消失驱动的北极放大效应能通过减缓喷射气流显著影响中纬度地区的天气。他们提出的机制是:正在以更快速度变暖的北极意味着北极和中纬度地区的温度差在减小,而这反过来使东西向风力减弱。

结果是喷射气流速度降低,移动得更加曲折而缓慢,并且形成伸向北面或南面的细长波,即罗斯贝波或行星波。除了其他效应,Francis和Vavrus提出,喷射气流的长波还会使冬季暴风雪进一步南移,然后在某个位置停滞,并且可能降下创纪录的雪量。

在争议中前行

一些更新的研究支持了该假设的一个关键部分:喷射气流中的大幅值罗斯贝波在统计学上的确和中纬度地区的极端天气有关。例如,来自德国波茨坦气候影响研究所的Vladimir Petoukhov及其同事在2013年将欧洲夏季热浪和缓慢移动的高振幅罗斯贝波关联起来。去年,英国埃克塞特大学气候模型专家James Screen和来自澳大利亚墨尔本大学的Ian Simmonds在一篇联合署名的文章中称,缓慢的放大罗斯贝波同1979~2012年间有极端天气事件发生的月份存在密切的统计学上的关联。他们发现,更多的波形起伏使美国西部更易遭受热浪,美国东部更易遇到极端寒冷事件。

不过,该假设的其他部分依旧颇具争议,尤其是将这些变化同北极放大效应联系起来的部分链条。一些证据支持Francis和Vavrus的观点,即中纬度地区和北极之间日益减小的温度差或许使喷射气流速度降低,并使其更具波动性。不过,科罗拉多州立大学气候动力学家Elizabeth Barnes在2013年报告称,她并未发现罗斯贝波在过去几十年间放大的实例,而这正是海冰极度消退和北极变暖阶段。在一项2013年的研究中,Screen和Simmonds没有发现这些波长在1979~2011年间出现统计学上的明显变化,尽管南北温差在减小。

一些理论学家提出了另一种认为日渐消退的海冰会形成中纬度地区天气的机制:通过迫使被称为北极振荡的多年间大气循环发生变化。在北极振荡位于正相位时,喷射气流强烈且波动性较小,冷空气会待在北极。在负相位时,喷射气流较弱且波动性大,冷空气便向南流动。一些分析表明,在过去几十年间,北极振荡越来越多地位于负相位,而这或许不仅使中纬度地区的暴风雪增多,还会导致更长时间的寒冷。

不过,海冰消退影响北极振荡的证据非常稀少。美国国家海洋和大气管理局太平洋海洋环境实验室海洋学家James Overland 表示:“由于北极对喷射气流造成的任何影响都被埋没在大量的随机气候变化中,并且相关记录很短暂。”此类关联目前完全不可能得到证实。

Francis承认,关于北极变化如何时不时地驱动极端天气向南深入存在很大的不确定性。不过,她认为,随着这个奥秘吸引更多的研究人员,他们已经有了一些头绪。去年,来自日本东京大学的气候科学家Masato Mori及其同事模拟了俄罗斯北部巴伦支海和喀拉海的海冰消失如何增加欧亚大陆的“路障事件”和随之而来的严冬。来自韩国极地研究所的Baek-Min Kim和同事在一个模型中展示了巴伦支海和喀拉海海冰消退的变化如何引发一系列产生北极振荡负相位的事件。

来自日本海洋—地球科技研究所的Kazutoshi Sato及其同事在去年发表的另一篇论文显示,巴伦支海的海冰消退和欧亚大陆寒冷的冬季实际上是另一个源自北大西洋墨西哥湾流的更大气候模型的一部分。最近的观测表明,该环流正在将温暖的海水推向北方。Sato和同事发现,这种转变可能产生既使巴伦支海变暖又会引发欧亚大陆异常寒冷的行星波。

回归最基本问题

不过,很多研究人员表示,为北极影响是否真实发生下定论还为时尚早。Screen介绍说,在去年12月于西班牙巴塞罗那举行的研讨会上,“大多数人都处于中间立场”。事实上,一些人站在另一个完全不同的阵营中:将中纬度地区的极端天气归咎于欧亚大陆积雪的变化,而不是北极海冰的消退。

“我们拥有的海冰记录只能追溯到30年前,而大规模海冰消退只是在过去十年左右发生。” Screen说,对这一短暂观测阶段的统计学分析不可能解决争议。相反,科学家需要寻求其他知识来源,比如模型和理论,“以更好地理解我们在观测中可能见到的问题”。

在Barnes看来,研究人员需要做的是将那些已经知道的事情归类。“我认为,现在将注意力集中到极端天气上有点本末倒置。”她建议学术界回归到最基本的问题,探讨北极变暖如何影响喷射气流的动力学。

“我们只是进入到人们开始对这个话题感兴趣的阶段。”Barnes说,“如果你浏览一下过去10年的文献,会发现很多将关注点放在热带地区变暖如何影响喷射气流上,而关于北极变暖将如何影响喷射气流的文献并不多。作为这个学术圈的一员,我们的眼睛之前都盯着南部,而现在我们开始向北看。对我来说,这是令人激动的地方。”

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