1979-2012年间的北极海冰减少阻碍了中纬度地区的大气变暖外文翻译资料

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1979-2012年间的北极海冰减少阻碍了中纬度地区的大气变暖

Qigang Wu1, Luyao Cheng1, Duo Chan1, Yonghong Yao1, Haibo Hu1, and YingYao1

1School of Atmospheric Science, Nanjing University, Nanjing, China

译者 曾欣然*

* 南京信息工程大学长望学院大气科学专业2015级 20151343058

摘要：自20世纪80年代，快速的北极变暖，海冰流逝以及减弱的夏季环流恰逢北半球中纬度地区夏季增多的极端热浪和其他灾害性天气事件的数量增加。最近的一些文章对这些有着巨大影响的天气事件是否与北极增温和/或海冰减少相关持不同意见。在这里我们使用大气模式集合模拟数据来找出海冰流逝及其他因素对1979-2012年观测到的夏季气候趋势的影响效果。北极以外地区持续的温室气体累计以及由此导致的海表温度升高几乎解释了所有的陆地增温以及很大一部分北半球观测到的减弱纬向风。然而，海冰减少激发出负AO-型环流，伴随着北半球中纬度大部分地区显著的夏季地表和对流层温度变冷趋势，这不仅减缓了变暖趋势也可能减少了区域极端炎热夏季出现的可能性。

1. 介绍

一个越来越引起关注的话题是，北极变暖以及海冰流逝是否通过改变大尺度的环流背景而导致了中纬度地区的寒潮以及热浪现象 [Francis and Vavrus, 2012, 2015; Cohen et al., 2014; Barnes, 2013; Barnes et al., 2014; Wallace et al., 2014; Trenberth et al., 2014; Overland, 2014]。在近几十年来，在北极地区的表面以及空气温度的变暖比其他纬度都要更大，这种现象被称为北极放大 [Serrezeetal.,2009;Stroeveetal.,2012]。1979-2012年夏秋季的海冰覆盖范围在一每年约6–7%的速度减少[Vaughan et al., 2014]。北极海冰的减少通过正的冰反照率反馈促进了北极放大现象，这是因为暴露在外的海洋吸收了更多的太阳辐射，因而导致了进一步的增暖[Serreze et al., 2009]。伴随着北极地区的这些改变，许多北半球的中纬度陆地区域也同时经历了频繁的异常寒冷和多雪的冬季以及破纪录的夏季热浪事件[CoumouandRahmstorf,2012；Coumouetal.,2014]。自1979年以来，伴随着涡旋动能和纬向平均的纬向风的长期衰减，北半球中纬度夏季的大气环流也显著减弱了[Coumouetal.,2015]。减弱的中纬度纬向风速是同更加偏经向的气流以及上层大尺度的罗斯贝波更加缓慢的东移联系起来的[Palmeacute;n andNewton,1969]，这被猜测会使得天气更加持续以及因此会有利于延长的极端天气事件的发生[Francis and Vavrus, 2012; Coumou et al., 2014, 2015]。

以前大多数关于北极与中纬度气候关联的研究都集中关注冬季，并且认为持续的北极海冰流逝是同北极周围地区的增暖相联系的，但是，海冰流逝可能也远程地同时增强了北半球中纬度地区冬季的极端冷，热事件(Francis et al. [2009], OverlandandWang[2010],WuandZhang[2010],Strongetal.[2010],Magnusdottiretal.[2004],Hondaetal.[2009],le et al[2012], Orsolini et al. [2012], Screen et al. [2013], Kim et al. [2014], Peings and Magnusdottir [2014], Screen et al. [2014], and many others),尽管对物理机制以及区域影响存在很多的争议[Cohen et al., 2014; Barnes and Screen, 2015]。最近的观测研究也指出，在夏季，海冰流逝以及北极放大现象通过减弱向极温度梯度导致了更加频繁的极端中纬度热浪事件，减弱的向极温度梯度也导致了诸如纬向风减弱和波动幅度增大这样的大气环流改变[Francis and Vavrus, 2012, 2015; Overland, 2014; Coumou et al., 2014, 2015; Petoukhov et al., 2013; Tang et al., 2014]。这种假设的相关性是建立在的事件，趋势或统计相关性的观测一致性上的，因而其中因与果之间的联系并不明确。海冰和中纬度大气场之间强烈的同时相关性也可以被解释为由海冰范围异常导致改变温度场和大气环流的结果，而不是将海冰消退作为对大气环流的反馈，虽然大气与海冰之间的相互作用主要表现为在夏季和其他季节大气对北极海冰异常的强迫[Wu and Zhang,2010]。在北半球中纬度大范围的地区观测到的夏季平均地表温度（SAT）和春季四-五双月的平均海冰指数之间的滞后关系显示出对于早季北极海冰流逝的显著的降温响应(在支撑材料中的图 S1 )。北极海冰流逝远程地导致了中纬度地区夏季更加频繁剧烈的极端热事件这一假说并没有被模式研究所证实，因而时常收到批评[Barnes, 2013; Barnes et al., 2014; Wallace et al., 2014; Trenberth et al., 2014]。在其他的观测研究中这样的联系也并不强烈[Barnes, 2013; Barnes et al., 2014]，并且随机的大气内部变率有可能掩盖掉海冰改变和中纬度天气事件之间的可能联系[Barnes, 2013; Screen et al., 2014]。例如，最近的气候异常，像是中纬度地区的炎热夏季可能仅仅是由于自然的大尺度大气环流变化所引起的[Wallace et al., 2014]。Trenberth等[2014]认为，北极对中纬度的大气环流影响很小，因为北极的降水改变所导致的潜热通量异常比热带地区典型的变化所导致的要小得多。由于争议不断，本研究分析了涵盖1979-2012年的大量模拟的集合数据，以期检测出观测到的北极海冰减少对中纬度地区夏季可能产生的影响。

1. 数据及方法

观测到的SAT数据来自1979-2012年在5°times;5°经纬度网格上的NOAA“合并的陆地和海洋表面温度(SST)异常”数据集[Smith et al.，2008]。只有当格点上有超过66%的年数据可以获得时该格点才参与趋势计算分析。对流层空气温度，位势高度，以及经向和纬向风场的观测改变都从ERA-Interim再分析资料中获得[Dee et al., 2011]。由于模式的输出结果都比观测的SAT和ERA-Interim再分析资料的大气场有更的高精度，因此所有的观测和模式数据都先被平均到5°的经度-纬度网格上以供后续分析。

在这里，我们通过分析涵盖1979-2012年的模拟实验的大量集合数据来诊断夏季大气场对北极海冰减少的响应，这些模拟实验包括Community Atmosphere Model 4.0 (CAM4) [Neale et al., 2013] 和 European Centre/Hamburg version 5 (ECHAM5) [Roeckner et al., 2003] 大气模型,实验都由NOAA地球系统研究实验室(ESRL)进行[Perlwitz et al., 2015]。表S1给出了两个目的在于研究北极海冰减少的影响的大型集合实验的具体划分情况。他们都是使用规定的SST和海冰浓度月季空间分布场的大气模式相互比较项目中的模拟实验。集合一模式（20个CAM4和30个ECHAM5集合成员）由观测到的温室气体（GHG）浓度，海表温度（SST）和海冰浓度（SIC）所驱动。集合二模式（20个CAM4和10个ECHAM5）使用相同的温室气体（GHG）和海表温度（SST）数据，但通过在每一年重复1979-1988年的海冰密度（SIC）（和部分被海冰覆盖的网格中的海温）的气候平均周期移除了海冰减少的影响。由于观测到的北极海温与海冰的变化可能是相关的，集合二实验设置可以去除海冰减少的响应，但忽略了海冰边缘北冰洋变暖导致的直接海温变化的响应，这可能会影响响应。在本文大多数分析中，来自两个实验的模拟集合成员被组成一个超级集合称为AMIP_full，它由集合一中的50个集合成员组成，或者称为AMIP_noSIC，它由集合二中的30个集合成员组成。超级集合平均提供了对特定强迫组合的大气响应的估计情况。在这些模型中，由于北极海冰变化(称为AMIP_SIC)的强迫作用而产生的特定大气响应是AMIP_full减去AMIP_noSIC超级集合平均的差。不同于以往的模式研究，以往的模式研究要么是在一般海冰趋势的强迫下进行，要么是一些对比海冰相反异常变化较大的年份之间的案例研究[e.g., Peings and Magnusdottir, 2014; Screen et al., 2014; Balmaseda et al., 2010; Petrie et al., 2015]，这些模拟实验被设计成为更好的分离特定的大气对正在观测的北极海冰减少的响应[Screen et al., 2013; Perlwitz et al., 2015]。接下来的研究使用超级集合的平均值，并且着重关注1979-2012年六、七、八月大气场的强迫的线性趋势。气候响应可以通过近10年的JJA时段（2003-2012）和最早10年的JJA时段（1979-1988）之间的平均值的“时代差异”来测量。两种方法得到的结果是几乎相同的（图S2）。

至于显著性检验，我们使用AMIP_full 和AMIP_noSIC实验中80个超级集合的成员，来计算任何区域或者格点处的34年趋势的标准差(sigma;)，每一个集合成员都被认为是独立的。相同的sigma;值也被用于计算观测趋势或再分析趋势中与0差距的显著性(例如，图 1a, 3a, 和 3b)，或者也被用于计算模式趋势和相应的观测趋势或再分析趋势之间的差距（例如，图 1b, 1c, 和3c–3f)。最后，我们使用标准的双尾均数差学生t检验来评估网格点对海冰强迫响应的统计显著性。显著性检验的更多细节可以在支撑信息中找到。

图1. 1979-2012年夏季(JJA)线性SAT趋势[K/（10年）]。(a)来自NOAA观测数据集(b-d) AMIP_full(图1b)、AMIP_noSIC(图1c)和AMIP_SIC(图1d)的超级集合平均值(所有CAM4和ECHAM5模拟的平均值)趋势。灰色阴影区域表示在图1a中表示数据不足，在所有图中表示北极之外的海洋。在图1a中加减符号标记出各个网格框具有显著的升温/降温趋势，在图1b和图1c中表示强迫趋势显著大于/小于观察值，在图1d中表示AMIP_full和AMIP_noSIC实验之间的强迫趋势显著不同，均处于5%的显著水平。图1d中的三个绿色矩形勾勒出了图2中使用的冷却趋势最显著的区域。

1. 结果

在观测数据中，显著的JJA变暖趋势出现在北美和欧亚大陆北部的大部分区域（图1a）。AMIP_full和AMIP_noSIC模拟(图1b和1c)较好地再现了观测到的一般陆地变暖模式，只有极少数的陆地网格 (有足够的观测)在5%的水平上观察到的和超级集合的趋势有显著不同。图1d显示出仅仅在有着最大海冰减少的欧亚大陆北部以及加拿大西部附近的小区域内观测到的海冰减少所引起的独立的变暖效应才具有统计显著性。海冰减少也与35°N以南地区很不显著的变暖趋势（小于0.05°C/10 年）相联系，但是欧亚大陆以及北美西部大部分地区显著的变冷趋势部分抵消了由于其他原因所造成的SAT变暖趋势。图2进一步表明，在图1d中所框出的三个有最显著降温趋势的区域，由海表温度（SST）和规定的辐射强迫所得到的模拟SAT趋势与仅由海冰改变引起的趋势显著不同。在每一个区域，由于SIC强迫所导致的变冷趋势(从 -0.07 到-0.11°C/10年)抵消了20%-30%的在AMIP_noSIC实验中的变暖趋势，这意味着如果北极海冰没有减少，那么中纬度地区的变暖趋势可能会更加强烈。

在对流层中，基于ERA-Interim的再分析资料得到的观测到的在925hpa和500hpa上的强烈的变暖响应（图3a和3b）由AMIP_full 和 AMIP_noSIC实验中包括的强迫因素比较好的模拟出了，特别是在中纬度的陆地区域（图3c-3f）。然而，趋势差异是由多方面原因造成的：首先，AMIP模拟实验都忽略了某些其他人为因素，例如土地利用、土地覆盖和碳气溶胶的变化，这些因素可能对1979年以来的实际趋势产生了区域变化的影响。其次，集合平均过程过滤掉了由单个成员模拟出的自然的内部变率。这在图2a,2c和2e中由有比集合平均模式模拟的更大的观测波动所显示。最后，AMIP模拟不允许大气和海洋作为一个相互作用的耦合系统，这可能会影响大气对海冰损失的某些方面的响应[Deser et al., 2015]。

图2.1979-2012年的三个在图1d中由绿色方框标出的区域的区域平均的SAT夏季（JJA）异常时间序列以及相应的线性趋势[K /(10 yr)]，包括（a,b）俄罗斯北部（60°–75°N, 85°–150°E），（c,d）欧洲（40°–70°N, 0°–60°E），以及（e,f）北美（35°–65°N, 80°–125°W），其中黑色实线表示观测数据集，红色实线表示AMIP_full的超级集合平均，蓝色实线表示AMIP_noSIC的超级集合平均，以及绿色实线表示基于海冰强迫的AMIP_S

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