JC & CD:秋季区域海冰融化对欧亚冬春季气温变化的影响与机理
发布时间: 2022-01-06


随着全球变暖的加剧,北极海冰融化速率不断加强,其在全球气候变化中的作用也日益凸显,对局地乃至中高纬地区的环境、社会和生态产生了深远影响。在经济全球化、区域一体化的背景下,北极问题的战略意义进一步提升,在经济、科研、航道、资源等方面极具价值,攸关人类生存与发展的共同命运,受到国际社会的普遍关注。欧亚大陆在地缘上属于“近北极陆地”,它的气候系统和生态环境受北极变化的直接影响。

大量研究已证实了秋季北极海冰与欧亚气温变化之间的密切联系。然而,不同海域海冰异常会产生不同的大气响应,这在一定程度上加大了不确定性。以往研究多聚焦于巴伦支-喀拉海域的作用,较少关注东西伯利亚海以东海域海冰变异的气候效应。

复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院的丁硕毅博士、武炳义教授(通讯作者)以近40年秋季北极海冰变异的区域性特征为切入点,研究了东西伯利亚-楚科奇-波佛特(EsCB)海域海冰异常影响欧亚冬春季气温年际变化的物理机制。研究发现,作为秋季北极海冰年际变异的主模态,EsCB海域海冰年际变化的振幅在全球变暖下有增强趋势(图1)。秋季EsCB海域海冰减少有利于早冬、早春的极区为反气旋异常控制,导致欧亚大陆北部显著降温。据敏感性试验估计,当秋季EsCB海域海冰减少一个标准差时,早冬欧亚大陆中西部的平均温度下降约0.6℃、冷事件发生概率增加约20%~30%,早春俄罗斯中部的平均温度下降约0.8℃、冷事件发生概率增加约30%(图2)。

1a)秋季(9-10月)标准化PC1回归的SIC异常(填色;单位:%)。(bEsCB指数((a)中黑色方框)11年滑动平均的年际标准差(红色点实线)以及MK检验(UB:绿色虚线;UF:绿色实线)。


2 秋季EsCB指数回归的(a)早冬(11-1月)、(b)早春(3-4月)的1000hPa温度(填色;单位:°C)、位势高度异常(填色;单位:m)。数值试验中(c)早冬欧亚大陆中西部((a)中黑色方框)、(d)早春俄罗斯中部((b)中黑色方框)区域平均的温度异常的概率密度函数(PDF,实线)和累积分布函数(CDF,虚线)。(a)、(b)打点代表通过90%的置信水平。

进一步研究发现,行星波2波的异常上传是联结秋季区域海冰融化与欧亚冬春季大气异常的关键。对流层的波流相互作用直接加强了早冬的北极反气旋异常,而平流层的波流相互作用则通过减弱冬季极涡及异常信号的下传再次加强了早春的北极反气旋异常(图3)。行星波2波的异常上传则与其振幅增强有关。秋季EsCB海域海冰融化有利于局地更多的热通量自海洋向大气输送,使得极区对流层增暖、位势高度抬升,产生了以行星波2波为主的大气响应,其环流异常与气候平均态处于同位相,这导致行星波2波振幅增强、更多波能上传。

上述研究指出了秋季EsCB海域海冰在全球变暖下的变化特征,并阐明了海冰减少通过产生异常上传的行星波2波及有关的波流相互作用引起欧亚北部冬春季降温的物理过程(图4)。这些成果对深入理解北极海冰与北半球大气环流的相互作用具有重要的理论意义,对提高短期气候预测水平有潜在应用价值。该研究成果已在《Journal of Climate》、《Climate Dynamics》上发表。


3a)秋季EsCB指数回归的11-1月的EP通量异常(矢量;单位:m2 s-2)、EP通量散度异常(填色;单位:m s-1 day-1)和纬圈平均的位势高度异常(等值线;单位:-1010305070 m)。(b)、(c)同(a),但分别为行星波1波和2波的结果。(d-f)同(a-c),但为数值试验的结果。矢量只画了超过105 m2 s-2的部分。打点代表通过90%的置信水平。

4 秋季EsCB海域海冰融化影响欧亚冬春季气温变化的机理图。


论文信息:

Ding, S., B. Wu (2021). Linkage between autumn sea ice loss and ensuing spring Eurasian temperature. Climate Dynamics, 57: 2793-2810. doi: 10.1007/ s00382-021-05839-0.

Ding, S., B. Wu, W. Chen (2021). Dominant Characteristics of Early Autumn Arctic Sea Ice Variability and Its Impact on Winter Eurasian Climate. Journal of Climate, 34(5): 1825-1846.


论文链接:

https://doi.org/10.1007/s00382-021-05839-0

https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0834.1