北极增暖与欧亚冬季气候间的联系研究

作者：发布时间：2020-07-08 浏览量：961

随着全球变暖，北极海冰快速融化、北极增暖加速；与此同时，欧亚大陆冬季出现变冷趋势、极端低温事件频发。在此背景下，北极增暖对欧亚冬季气候的影响备受学术界和公众的关注。尽管大量研究探讨了北极海冰减少、北极增暖对欧亚冬季气候的影响，但科学界对该问题还没有定论，目前主要有两派观点。一派观点认为，北极海冰减少和北极增暖对欧亚冬季气候存在显著的影响，可以通过引起中高纬大气环流异常，导致欧亚冬季气温偏低、极端低温事件增多。另一派观点则鲜明指出，北极海冰减少不能引起欧亚冷冬，观测到的北极海冰和欧亚气温的联系是由其他因素造成的。

王会军院士团队的研究发现：冬季北极增暖与西伯利亚高压的联系在20世纪90年代末之后显著加强（图1），北极对流层中上层增暖在二者关系年代际变化中起重要作用（图2）；气候模式对“北极偏暖、欧亚偏冷”模态的模拟主要取决于北极暖中心的垂直延伸范围（图3）。

1997–2017年冬季，当巴伦支海—喀拉海表面气温偏高时，西伯利亚高压加强西伸，东亚急流加强西伸，有准定常Rossby波列从极地向下游传播；巴伦支海—喀拉海与西伯利亚之间形成一个大气桥，促进了北极增暖与西伯利亚高压联系的加强；而在1979–1996年冬季，北极增暖与西伯利亚高压的联系偏弱（图1）。进一步分析表明，20世纪90年代末之后，北极对流层中上层增暖有利于北极与中高纬大气环流的联系加强，可能是北极增暖与西伯利亚高压间联系加强的重要原因（图2）。

以往的数值模拟研究通常可以模拟出北极表层增暖对北极海冰减少的响应，但是对中纬度大气响应的模拟存在较大差别，这也是当前关于北极增暖与欧亚冷冬联系的争论焦点所在。本研究将气候模式中的北极增暖分为北极深层暖（暖中心可以延伸到对流层上层）和北极浅层暖（暖中心限于对流层低层），分析发现，当模式能够模拟出类似观测的北极深层暖时，就可以模拟出欧亚冬季的偏冷（图3）。简而言之，当气候模式中的北极增暖信号可以延伸到对流层上层时，更易重现“北极偏暖、欧亚偏冷”模态。

图1 基于（a）1979–2017年、（b）1979–1996年、（c）1997–2017冬季的北极表面气温指数（ARTI_2m）线性回归的海平面气压异常（填色；单位：hPa）和850 hPa风场异常（箭头；单位：m s-1）。（d–f）类似（a–c），但为300 hPa纬向风异常（填色；单位：m s-1）和波作用通量异常（箭头；单位：m2 s-2）。打点区域表示（a–c）海平面气压异常、（d–f）300 hPa纬向风异常通过信度95%的显著性t检验，风场通过信度95%的显著性t检验。

图2 基于（a）1979–1996年、（b）1997–2017年冬季北极表层偏暖年合成的30°–70°E纬向平均的气温异常（填色；单位：°C）和纬向风异常（等值线；单位：m s-1）的高度—纬度剖面图，及（c）在1997–2017年与1979–1996年的差值。气候态取1979–2017年。（a–b）打点区域、绿色线区域分别表示气温异常、纬向风异常通过信度为95%的显著性t检验。（d）北极对流中层气温指数（ARTI_500）与西伯利亚高压指数（SHI）的15年滑动相关系数，横线表示通过95%、99%显著性t检验的值。

图3 （a）北极深层暖冬季、（b）北极浅层暖冬季合成的表面气温异常（填色；单位：°C）和300 hPa纬向风异常（等值线；单位：m s-1）。（c–d）类似（a–b），但为0°–150°E纬向平均的气温异常（填色；单位：°C）和纬向风异常（等值线；单位：m s-1）的高度—纬度剖面图。打点区域、等值线分别表示有90%的模式的气温异常、纬向风异常与多模式集合平均结果的符号一致。数据来源于CMIP5的1900–2004年冬季月平均历史模拟结果，36个模式集合平均。