極地增暖及其對天氣氣候影響氣象學(xué)會

丁一匯中國氣象局國家氣候中心2014年11月3日北京極地增暖及其對東亞天氣氣候的影響提綱1.極地增暖的觀測事實(shí)南極增暖北極增暖2.北極增暖對東亞天氣和氣候的影響AO負(fù)位相的發(fā)展北極冷空氣影響東亞的路徑對冬季東亞夏季東亞天氣和氣候的影響4.結(jié)語1.極地增暖的觀測事實(shí)南極與北極研究的意義北極是全球氣候變暖最明顯的地區(qū)。其溫度增幅是其它地區(qū)的2倍北極明顯的增溫通過影響北極濤動可影響北半球行星尺度的天氣和環(huán)流北極地區(qū)格陵蘭和南極冰蓋的融化將可能使全球海平面更快地上升南極臭氧洞和北極臭氧衰竭對認(rèn)識氣候系統(tǒng)的變化具有重大意義北極和南極具有豐富的資源與航運(yùn)價(jià)值，尤其是北極北方航線和西北航線的開通。MonaghanandBromwich2008南極地形圖南極增暖

1957-2006年地表溫度趨勢SurfaceTemperaturetrend(1957-2006)JJASONDJFMAMSteigetal.2009南極半島冬春（JJA與SON）增溫明顯Byrdrecord’sspatialfootprint伯德（Byrd）溫度記錄：南極最明顯的增溫區(qū)Bromwichetal.2013WithERA-Interim2m-Temp1979-2011RecentchangeofIcesheetthickness1994-2008Shepherdetal2010近期南極冰蓋厚度的變化：周邊海冰增加Themeancirculationpatternofseaiceandthedecadaltrends(%)inannualanomaliesiniceextent(i.e.,afterremovaloftheseasonalcycle),indifferentsectorsoftheArcticandAntarctic.Arrowsshowtheaveragedirectionandmagnitudeoficedrift.Theaverageseaicecoverfortheperiod1979through2012,fromsatelliteobservations,atmaximum(minimum)extentisshownasorange(grey)shading.(IPCC,2013)南極和北極海冰的平均環(huán)流分布與海冰區(qū)異常年代尺度趨勢南極和北極海冰具有不同的變化特征北冰洋與南極周邊南大洋海冰具有十分不同的特征，它們隨時(shí)間的變

化也不同。在過去34年中（1979-2012），北極海冰年平均范圍呈3.8%/10年的下降趨勢，平均冬季冰厚在1978-2008年間近于變薄1.8m；總體積（質(zhì)量）全年都減少。所有這些趨勢的結(jié)果導(dǎo)致了夏

季最低的海冰范圍出現(xiàn)快的減少。不同于北極海冰的變化，在同樣

的過去30年間，南極海冰范圍變化趨勢出現(xiàn)以1.5%/10年的小量增加

，但南極不同部位變化的區(qū)域差別很大，南極海冰厚度測量太少，

無法確定估計(jì)其總體積（質(zhì)量）減少，穩(wěn)定的，還是增加。應(yīng)該指出，影響北極和南極海冰覆蓋的物理環(huán)境和過程有大的差異，

因而他們對于氣候的響應(yīng)是不相同的。長期的，連續(xù)的衛(wèi)星觀測對

于北極海冰覆蓋的減少提供了清楚的圖像，但對南極海冰及其原因

的整個(gè)變化現(xiàn)有的觀測和研究無法使我們得到可靠的結(jié)果。

LocationmapoftheArcticregionincludingaverageseaiceextent(yellowline),seaicecoverduringrecordminimuminsummerof2012(shadesofwhite),continuousanddiscontinuouspermafrost(shadesofpink),glacierlocations(golddots),andsnow-cover(averagelocationof50%snowlineinblackandmaximumsnowlineingreenasinferredfrommoderate-resolutionimagingspectroradiometer(MODIS)data).北極區(qū)平均海冰范圍位置圖黃線：平均范圍白色區(qū)：2012年夏季海冰最低

覆蓋面積粉紅色區(qū)：凍土區(qū)金色點(diǎn)：冰川位置北極增暖影響之一：海冰明顯損失。年海冰范圍以3.8%/10年的速率減少，而永久性海冰范圍（代表厚的海冰層）以更快的速度11.5%/10年下降。

南極增暖

Compositetimeseriesofthe(top)annualand(bottom)seasonalsurfaceairtemperatureanomalies(°C)fortheregionpolewardof59°N.Thedottedlinesshowunsmoothedvalues,thesolidlinesaresevenyearrunningmeans.Thelinertrendslistedinthelegendarecomputedusingdatafortheperiod1900–2008(fromBekryaevetal.,2010).Notethestrongwarming,fromabout1920–1940,strongcoolinguntilabout1970,andrenewedwarmingthroughtheendoftherecord.北極地區(qū)（59°N）地表氣溫距平曲線年平均距平季平均距平北極增暖的影響之二：地表氣溫明顯上升|Polaramplificationoftemperaturetrends,1979–2014.Zonallyaveragedtemperaturetrendsaveragedaroundcirclesoflatitudefora,winter(December–February),b,spring(March–May),c,summer(June–August)andd,autumn(September–November).TrendsarebasedonERA-Interimreanalysisdata95fromMarch1979toFebruary2014.Theblackcontoursindicatewheretrendsdiffersignificantlyfromzeroatthe99%(solidlines)and95%(dottedlines)confidencelevels.Thelinegraphsshowtrends(sameunitsasincolourplots)averagedoverthelowerpartoftheatmosphere(950–1,000hPa;solidlines)andovertheentireatmosphericcolumn(300–1,000hPa;dottedlines).(Cohen

etal.,2014)1979-2014年北極溫度趨勢：北極增幅12月-2月3月-5月6月-8月9月-11月Wintertemperaturetrendssince1960andoverthemostrecentperiodfrom1990.a,Right:lineartrend(°Cper10years)inDecember–February(DJF)meansurfaceairtemperaturesfrom1960–1961to2013–2014.Shadingintervalevery0.1°Cper10years.Darkgreyindicatespointswithinsufficientsamplestocalculateatrend.Left:Thezonallyaveragedlineartrend(°Cper10years).b,Area-averagesurfacetemperatureanomalies(°C)from0°to60°N(solidblackline)and60°to90°N(solidredline)alongwithfive-yearsmoothing(dashedblackandredlines,respectively).c,Asinpanelabutfrom1960–1961to2013–2014.Shadingintervalevery0.2°Cper10years.Alsonotedifferentscalesbetweenaandc.DatafromtheNationalAeronauticsandSpaceAdministrationGoddardInstituteforSpaceStudiestemperatureanalysis().(Cohen

etal.,2014)自1960的冬季溫度趨勢與距平1960-2014年趨勢變化距平變化1990-2013年趨勢變化Trendinannualmeansurfacetemperature.Thegraphicshowstheobservedchangeperdecadeofannualmeansurfaceandnear-surfacetemperaturefortheperiod1979–2012,basedontheERA-interimclimatedataset.ThemostmarkedwarminghasoccurredinnortheasternCanada,GreenlandandnorthSiberia.1979-2012年平均地表溫度趨勢北極增溫主要在兩個(gè)地區(qū)：（1）加拿大東北部和格陵蘭（2）西伯利亞北部北極增溫的主要觀測結(jié)果概述最近的北極增暖和海冰損失對北極地區(qū)有顯著影響，表現(xiàn)為：（1）9月海冰自1979年以來以12.4%/10年的速率下降，結(jié)果到2012年

近乎一半的海冰面積覆蓋消失；（2）這種海冰范圍的減少也造成了約1.8m（40%）冬季平均冰厚的減

少；（3）海冰體積的損失為75-80%；（4）同時(shí)春夏雪蓋甚至以比海冰更快的速度減少。春季雪蓋的減少即

對北半球中高緯陸地地表溫度在暖季的升溫有貢獻(xiàn)也對春夏海冰

和積雪覆蓋的共同快速損失在使北極增溫增幅中起作用。但兩者

在秋冬情況不同，海冰各月皆減少，而雪蓋則不變或增加。北極增幅的過程可總結(jié)（1）溫室氣體強(qiáng)迫增加，產(chǎn)生局地輻射效應(yīng)；（2）由減少的冰雪覆蓋引起的冰/雪反照率反饋；（3）氣溶膠濃度變化和黑炭氣溶膠沉積于冰雪面；(4)北極云蓋和水汽含量的變化（5）同熱帶相比，相同溫度增加下，北極向外空的長波輻

射增加相對較?。唬?）除上述北極增幅的局地驅(qū)動外，北極溫度變化對來自

較低緯度的熱量和水汽向北極的輸入也十分敏感。2.北極增暖對東亞天氣和氣候的影響

北極增幅與中緯天氣氣候的可能聯(lián)系

首先，北極增幅的增暖和經(jīng)向溫度梯度的減小有利于緯向急流減弱，但是否高空緯向風(fēng)減弱引起增幅的緩慢移動的行星波？其次，冰雪圈異常能改變平流層極地渦旋，風(fēng)暴路徑與急流。所有這些系統(tǒng)是中緯天氣和極端事件的驅(qū)動者。這些事件更可能在冬季發(fā)生。這是由于冬季北極增幅信號強(qiáng)，冬季溫度趨勢與其它季節(jié)不同。因而目前關(guān)于北極海冰的減少與大陸寒冷冬季之關(guān)聯(lián)研究最受人關(guān)注。冬季北極增幅與中緯度極端天氣型的關(guān)聯(lián)也是最有可能的。其中首先必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵問題是北極冰雪圈變化如何強(qiáng)迫NAO/AO的環(huán)流變化，以后再通過NAO/AO的變化影響中溫度極端天氣事件。

北極冰雪圈變化如何強(qiáng)迫NAO/AO的環(huán)流變化？

目前有三種不同的觀點(diǎn)

1.氣候變暖導(dǎo)致北極海冰融化，產(chǎn)生邊界層熱源，強(qiáng)迫高空反

氣旋加強(qiáng)。海冰的融化可以影響NAO/AO的位相變化2.熱帶太平洋中東部海表溫度異常產(chǎn)生的遙相關(guān)波列導(dǎo)致的極

區(qū)環(huán)流變化。熱帶海溫強(qiáng)迫是影響NAO/AO位相變化的主要自

然因子。3.極區(qū)大氣和海洋環(huán)流的內(nèi)部變率引起的NAO/AO位相變化。這

種環(huán)流因子變率的可預(yù)報(bào)性很低。有研究表明，其噪音占80%左右。舉例：觀點(diǎn)1的解釋北極冰雪圈包括海冰和積雪兩部分。對于北極海冰，由于氣候變暖，海冰損失，可加熱和濕潤北極大氣的邊界層。作為地表熱源在熱源上方引起氣流的下沉（類似于熱低壓，高溫天氣結(jié)構(gòu)，即地表是熱低壓，其上為高氣壓），大氣柱增暖，抬升對流層中部的高度，形成一個(gè)高壓脊，而下游發(fā)展一個(gè)槽，引起冷空氣的向赤道流動。冬季海冰減少最明顯的地區(qū)主要發(fā)生在巴倫支海和喀拉海，以及楚科奇（Chukch）和東西伯利亞。由于融冰引起的開闊海面產(chǎn)生的的加熱作用使位勢高度增加。結(jié)果在這兩個(gè)地區(qū)分別形成異常的高壓脊，這與對流層位勢高度增加的結(jié)果一致。其間在西伯利亞地區(qū)形成低槽。另一方面，冬季加強(qiáng)西伯利亞雪蓋增加使邊界層變冷，因?yàn)檫@種作用引起的地面冷卻（冷源）使對流層中部高度降低，加強(qiáng)低壓槽并引起上游脊的發(fā)展（這類似于西伯利亞高亞（低層）其上層是低槽），在海冰損失期加強(qiáng)。這種情況下，東亞風(fēng)暴路徑的南移使10月歐亞雪蓋更快速向南推進(jìn)，被擴(kuò)大的融冰海水面也可增加向大氣的水汽通量。當(dāng)氣團(tuán)平流致西伯利亞時(shí)，可導(dǎo)致降雪增加，還冰損失和積雪增加呈正反饋?zhàn)饔?，共同?dǎo)致歐亞高緯地區(qū)兩脊一槽行星波型的發(fā)展和持續(xù)。從而使北極濤動有正位相轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)位相。這是北極冰雪圈在北極增幅作用下熱力強(qiáng)迫的結(jié)果。因而減少的北極海冰和增加的北極無冰海面（可加熱大氣）與更多的雪蓋（可冷卻大氣）共同強(qiáng)迫了同一流型，它致使極渦減弱，因?yàn)榧訜岬木嗥皆诰曄蚴且苿拥?，所以大范圍歐亞雪蓋和減少的北極海冰能同向迭加共同擾動歐亞環(huán)流，以減弱極渦，并影響中緯度天氣。Synthesisofproposedcryosphericforcings.TheschematichighlightsaproposedwayinwhichArcticsea-icelossinlatesummerthroughearlywintermayworkinconcertwithextensiveEurasiansnowcoverintheautumntoforcethenegativephaseoftheNAO/AOinwinter.Snowisshowninwhite,seaiceinwhitetingedwithblue,sea-icemeltwithbluewaves,highandlowgeopotentialheightswithred’H’(redrepresentsanomalouswarmth)andblue’L’(bluerepresentsanomalouscold)respectively,troposphericjetstreaminlightbluewitharrows,andstratosphericjetorpolarvortexshowninpurplewitharrows.Ontherightglobe,cold(warm)surfacetemperatureanomaliesassociatedwiththenegativephaseofthewinterNAO/AOareshowninblue(brown).SeeBoxtextfordetailedexplanation.(Cohen

etal.,2014)由正位相變成負(fù)位相的過程：由正位相變成負(fù)位相的過程白色是雪；染藍(lán)的白色區(qū)是海冰；藍(lán)色波浪線是融冰區(qū)；H和L分別代表高、低壓；紅色和藍(lán)色分別代表異常暖區(qū)和冷區(qū)；帶箭頭的淡藍(lán)色代表對流層急流；帶箭頭的紫色代表平流層急流或極渦；在右圖中由冬季NAO/AO負(fù)位相造成的冷（暖）地面溫度距平由藍(lán)（棕）色表示。AO負(fù)位相的發(fā)展CoupledpatternsbetweendetrendedannualmeantropicalSSTandNorthernHemispherecirculationfor1979–2012.FigureshowsMCAresultsfordetrendedannualmean1979–2012NorthernHemisphere(0-88.5uN)200-hPageopotentialheights(Z200)andtropical(20uSto20uN)seasurfacetemperature(SST).ShowninaarethepatternsofZ200(contourinterval10metres)andtropicalSST(shading)thatpanythefirstmodeinthesetwodatasets.PanelcdisplaysthetimeseriesoftheZ200(red)andSST(blue)patternsshownina.Panelsbanddarethesameasinaandcbutforthesecondmode.Amplitudesinaandbarescaledbyonestandarddeviationofthecorrespondingtimeseriesincandd;thelatterhaveastandarddeviationofone.熱帶中東太平洋產(chǎn)生的北半球遙相關(guān)模態(tài)年平均熱帶SST與北半球環(huán)流的耦合分布（Dingetal，2014）觀點(diǎn)2：熱帶海洋影響熱帶中東太平洋產(chǎn)生的南半球遙相關(guān)模態(tài)CovariabilityoftropicalSSTandZ200inMAM(1979-2009)Surf-TempSeaiceDingetal,2014)The300hPastreamfunctionforthedierencesbetween1999–2012and1979–1998.a,NDJFM,andb,MJJAS,basedonERA-Ireanalyses,wheretherotationalwindisparalleltothecontours.ThegreenarrowheadsshowschematicallythemainwavetrainsemanatingfromthetropicalPacific.（Trenberthetal，2014）熱帶中東太平洋產(chǎn)生的遙相關(guān)模態(tài)北極濤動的正（暖）位相極區(qū)氣壓偏低，繞極西風(fēng)強(qiáng)，北半球氣候偏暖

北極濤動的負(fù)（冷）位相北極氣壓偏高，繞極西風(fēng)減弱，冷空氣活動強(qiáng)，北半球中高緯地區(qū)偏冷

正負(fù)NAM/AO指數(shù)異常事件的NAM/AO指數(shù)合成（紅色曲線為正NAM/AO指數(shù)異常事件中的指數(shù)合成，藍(lán)色曲線為負(fù)NAM/AO指數(shù)異常事件中的指數(shù)合成）軌跡質(zhì)點(diǎn)出發(fā)點(diǎn)地球表面等距離均勻空間分布正NAM/AO指數(shù)異常事件中-10至-8天中冷空氣團(tuán)軌跡在地球表面上的投影.北極冷空氣影響東亞的路徑正NAM/AO指數(shù)異常事件中冷空氣團(tuán)質(zhì)心軌跡在地球表面上投影的示意圖（a）指數(shù)上升前期；（b）指數(shù)上升后期；（c）指數(shù)達(dá)到峰值時(shí)；（d）指數(shù)下降期間.（陰影為地面氣溫距平場（單位：°C），圓點(diǎn)表

示軌跡出發(fā)點(diǎn)）（a）（b）（c）（d）（a）（b）（c）（d）（e）（f）負(fù)NAM/AO指數(shù)異常事件中冷空氣團(tuán)質(zhì)心軌跡在地球表面上投影的示意圖（a）指數(shù)下降前期；（b）指數(shù)下降后期；（c）指數(shù)下降末期；（d）指數(shù)上升初期；（e）指數(shù)上升前期；（f）指數(shù)上升后期.（陰影為地面氣溫距平場（單位：°C），圓點(diǎn)表示軌跡出發(fā)點(diǎn)）1960-2013年冬季平均的NAM/AO指數(shù)與地面氣溫的相關(guān)系數(shù)分布正NAM/AO指數(shù)異常事件中指數(shù)下降階段影響歐亞大陸地區(qū)的近地面冷空氣團(tuán)活動質(zhì)心軌跡和700hPa位勢高度異常場（實(shí)心點(diǎn)表示軌跡的出發(fā)點(diǎn)，藍(lán)色曲線為正NAM/AO指數(shù)異常事件中2至4天歐亞大陸地區(qū)的冷空氣軌跡，紅色曲線為正NAM/AO指數(shù)異常事件中2至4天700hPa面上的空氣運(yùn)動軌跡，彩色陰影為正NAM/AO指數(shù)異常事件中2至4天減去0至2天的位勢高度異常場（單位：gpm），黑色實(shí)/虛線為4至6天減去2至4天的位勢高度異常場，黑色實(shí)線為正值，黑色虛線為負(fù)值）負(fù)NAM/AO指數(shù)異常事件中指數(shù)下降階段影響歐亞大陸地區(qū)的近地面冷空氣團(tuán)活動軌跡和500hPa位勢高度異常場及垂直速度異常場（ω=dp/dt）（黑色實(shí)心點(diǎn)表示軌跡的出發(fā)點(diǎn)，藍(lán)色曲線為負(fù)NAM/AO指數(shù)異常事件中-4至-2天影響歐亞大陸地區(qū)的冷空氣軌跡，紅色方框?yàn)楹标P(guān)鍵區(qū)，黑色方框?yàn)槲鞑麃喐邏簠^(qū)，彩色陰影為指數(shù)下降階段（-6至0天）的垂直速度異常場（單位：0.01pa/s），紅色實(shí)/虛線為指數(shù)下降階段（-6至0天）的500hPa位勢高度異常場（單位：gpm），紅色實(shí)線為正值，紅色虛線為負(fù)值根據(jù)不同資料計(jì)算的東亞地區(qū)

(20-60°N,100-140°E)冬季平均溫度異常(單位：℃，黑色實(shí)線9點(diǎn)低通濾波)(引自WangandChen,2014)各種資料表明2005年：冬季溫度轉(zhuǎn)為負(fù)距平EastAsianwinter

temperature對冬季東亞夏季東亞天氣和氣候的影響20世紀(jì)80年代中期以前偏強(qiáng)1985-2004年偏弱2005年以后又轉(zhuǎn)偏強(qiáng)根據(jù)不資料計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化的東亞冬季風(fēng)指數(shù)（黑色實(shí)線為９ａ低通濾波）NormalizedwintermeanEastAsianWinterMonsoonindexbasedondifferentdata(theblacksolidlinesindicate9-yearlow-passcomponentsusingtheLanczosfilter)(Wangetal.,2014)冬季風(fēng)指數(shù)的長期變化：近10年冬季風(fēng)增強(qiáng)1901-2011年全國平均（a）與東北地區(qū)（b）冬季氣溫距平（相對1971-2000年，短實(shí)線分別為1991-2000年及2011-2010年平均（引自唐國利等（2012））Wintertemperatureanomaliesof(a)nationalmean,and(b)theNortheastChina(relativeto1971-2000.Shortsolidlinesshowdecadalmeanof1991-2000and2001-2010(fromTangetal.,2012)中國的冬季平均溫度全國東北（唐國利等，2012）中國2001-2010年與1991-2000年四季氣溫差分布（d中綠點(diǎn)表示東北地區(qū)站點(diǎn)）Seasonaldistributionsofdecadalsurfacetemperature

differencebetweenthedecadeof2001-2010andthedecadeof1991-2000springsummerautumnwinterThecompositeofseasonalmean850hPawind(m/s)andtemperature(°C)anomaliesforwintersof:(a)coldperiod;(b)warmperiod;(c)hiatusperiod.(a)冷期

(b)暖期

(c)停滯期的850hPa風(fēng)場和溫度距平合成圖ColdperiodWarmperiodhiatusperiodACAThecompositeofseasonalmeansealevelpressureanomalies(hPa)forwintersof:(a)coldperiod;(b)warmperiod;(c)hiatusperiod.（a）冷期(b)暖期(c)停滯期的海平面氣壓距平合成圖500hPa位勢高度場距平分布圖（單位：dagpm）（a）冷期(1950s-1979s）(b)暖期(1980s-1990s)(c)停滯期(2001-2011）（梁蘇潔提供）Patternsof500hPahighdeparturesfor(a)coldperiod;(b)warmperiodand(c)hiatusperiodcoldperiodwarmperiodhiatusperiod冬季（a）冷期（b）暖期（c）停滯期300hPa緯向風(fēng)場距平合成場（單位：m/s）（梁蘇潔提供）

Thecompositeofseasonalmean300hPazonalwindanomalies(m/s)forwintersof:(a)coldperiod;(b)warmperiod;(c)hiatusperiod.coldperiodwarmperiodhiatusperiodJetJetJetEEMDmodesofthecorrespondingnormalizedtimecoefficientofthefirstleadingEOFmodeofthewintermeanminimumtemperatureintheMainlandofChinaandthewintermeanNAM/AOindexfor1960/61-2012/13.（15-25年）（40-60年）（15-25年）（40-60年）中國大陸冬季最低氣溫EOF1的時(shí)間序列和冬季NAM/AO指數(shù)的集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模態(tài)Theschematicdiagramdepictingthegeneralizedfeaturesandflowpatternsof(a)thecoldand(b)warmperiod.Theblackthickcontoursareforthegeopotentialheight,withthenorthern(southern)contourcorrespondingto5200gpm(5300gpm).TheshadingellipticshaperegionrepresenttheareaoftheEastAsianTroughwiththered(blue)shadingboxreflectingthatthegeopotentialheighthigher(lower)thantheaverageyears.TheshadingboxsrepresenttheareaoftheSiberianHigh,withthered(blue)shadingboxreflectingthatthesealevelpressurehigher(lower)thantheaverageyears.Thered(blue)arrowinthehighlatitudemeansthatthezonalwindbeingstronger(weaker)thantheaverageyears.Thepurplearrowsdenotethe850hPawindanomaly.Theyellowdownward(upward)