极地增暖及其对天气气候影响气象学会

丁一汇中国气象局国家气候中心2014年11月3日北京极地增暖及其对东亚天气气候的影响提纲1.极地增暖的观测事实南极增暖北极增暖2.北极增暖对东亚天气和气候的影响AO负位相的发展北极冷空气影响东亚的路径对冬季东亚夏季东亚天气和气候的影响4.结语1.极地增暖的观测事实南极与北极研究的意义北极是全球气候变暖最明显的地区。其温度增幅是其它地区的2倍北极明显的增温通过影响北极涛动可影响北半球行星尺度的天气和环流北极地区格陵兰和南极冰盖的融化将可能使全球海平面更快地上升南极臭氧洞和北极臭氧衰竭对认识气候系统的变化具有重大意义北极和南极具有丰富的资源与航运价值，尤其是北极北方航线和西北航线的开通。MonaghanandBromwich2008南极地形图南极增暖

1957-2006年地表温度趋势SurfaceTemperaturetrend(1957-2006)JJASONDJFMAMSteigetal.2009南极半岛冬春（JJA与SON）增温明显Byrdrecord’sspatialfootprint伯德（Byrd）温度记录：南极最明显的增温区Bromwichetal.2013WithERA-Interim2m-Temp1979-2011RecentchangeofIcesheetthickness1994-2008Shepherdetal2010近期南极冰盖厚度的变化：周边海冰增加Themeancirculationpatternofseaiceandthedecadaltrends(%)inannualanomaliesiniceextent(i.e.,afterremovaloftheseasonalcycle),indifferentsectorsoftheArcticandAntarctic.Arrowsshowtheaveragedirectionandmagnitudeoficedrift.Theaverageseaicecoverfortheperiod1979through2012,fromsatelliteobservations,atmaximum(minimum)extentisshownasorange(grey)shading.(IPCC,2013)南极和北极海冰的平均环流分布与海冰区异常年代尺度趋势南极和北极海冰具有不同的变化特征北冰洋与南极周边南大洋海冰具有十分不同的特征，它们随时间的变

化也不同。在过去34年中（1979-2012），北极海冰年平均范围呈3.8%/10年的下降趋势，平均冬季冰厚在1978-2008年间近于变薄1.8m；总体积（质量）全年都减少。所有这些趋势的结果导致了夏

季最低的海冰范围出现快的减少。不同于北极海冰的变化，在同样

的过去30年间，南极海冰范围变化趋势出现以1.5%/10年的小量增加

，但南极不同部位变化的区域差别很大，南极海冰厚度测量太少，

无法确定估计其总体积（质量）减少，稳定的，还是增加。应该指出，影响北极和南极海冰覆盖的物理环境和过程有大的差异，

因而他们对于气候的响应是不相同的。长期的，连续的卫星观测对

于北极海冰覆盖的减少提供了清楚的图像，但对南极海冰及其原因

的整个变化现有的观测和研究无法使我们得到可靠的结果。

LocationmapoftheArcticregionincludingaverageseaiceextent(yellowline),seaicecoverduringrecordminimuminsummerof2012(shadesofwhite),continuousanddiscontinuouspermafrost(shadesofpink),glacierlocations(golddots),andsnow-cover(averagelocationof50%snowlineinblackandmaximumsnowlineingreenasinferredfrommoderate-resolutionimagingspectroradiometer(MODIS)data).北极区平均海冰范围位置图黄线：平均范围白色区：2012年夏季海冰最低

覆盖面积粉红色区：冻土区金色点：冰川位置北极增暖影响之一：海冰明显损失。年海冰范围以3.8%/10年的速率减少，而永久性海冰范围（代表厚的海冰层）以更快的速度11.5%/10年下降。

南极增暖

Compositetimeseriesofthe(top)annualand(bottom)seasonalsurfaceairtemperatureanomalies(°C)fortheregionpolewardof59°N.Thedottedlinesshowunsmoothedvalues,thesolidlinesaresevenyearrunningmeans.Thelinertrendslistedinthelegendarecomputedusingdatafortheperiod1900–2008(fromBekryaevetal.,2010).Notethestrongwarming,fromabout1920–1940,strongcoolinguntilabout1970,andrenewedwarmingthroughtheendoftherecord.北极地区（59°N）地表气温距平曲线年平均距平季平均距平北极增暖的影响之二：地表气温明显上升|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年北极温度趋势：北极增幅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的冬季温度趋势与距平1960-2014年趋势变化距平变化1990-2013年趋势变化Trendinannualmeansurfacetemperature.Thegraphicshowstheobservedchangeperdecadeofannualmeansurfaceandnear-surfacetemperaturefortheperiod1979–2012,basedontheERA-interimclimatedataset.ThemostmarkedwarminghasoccurredinnortheasternCanada,GreenlandandnorthSiberia.1979-2012年平均地表温度趋势北极增温主要在两个地区：（1）加拿大东北部和格陵兰（2）西伯利亚北部北极增温的主要观测结果概述最近的北极增暖和海冰损失对北极地区有显著影响，表现为：（1）9月海冰自1979年以来以12.4%/10年的速率下降，结果到2012年

近乎一半的海冰面积覆盖消失；（2）这种海冰范围的减少也造成了约1.8m（40%）冬季平均冰厚的减

少；（3）海冰体积的损失为75-80%；（4）同时春夏雪盖甚至以比海冰更快的速度减少。春季雪盖的减少即

对北半球中高纬陆地地表温度在暖季的升温有贡献也对春夏海冰

和积雪覆盖的共同快速损失在使北极增温增幅中起作用。但两者

在秋冬情况不同，海冰各月皆减少，而雪盖则不变或增加。北极增幅的过程可总结（1）温室气体强迫增加，产生局地辐射效应；（2）由减少的冰雪覆盖引起的冰/雪反照率反馈；（3）气溶胶浓度变化和黑炭气溶胶沉积于冰雪面；(4)北极云盖和水汽含量的变化（5）同热带相比，相同温度增加下，北极向外空的长波辐

射增加相对较小；（6）除上述北极增幅的局地驱动外，北极温度变化对来自

较低纬度的热量和水汽向北极的输入也十分敏感。2.北极增暖对东亚天气和气候的影响

北极增幅与中纬天气气候的可能联系

首先，北极增幅的增暖和经向温度梯度的减小有利于纬向急流减弱，但是否高空纬向风减弱引起增幅的缓慢移动的行星波？其次，冰雪圈异常能改变平流层极地涡旋，风暴路径与急流。所有这些系统是中纬天气和极端事件的驱动者。这些事件更可能在冬季发生。这是由于冬季北极增幅信号强，冬季温度趋势与其它季节不同。因而目前关于北极海冰的减少与大陆寒冷冬季之关联研究最受人关注。冬季北极增幅与中纬度极端天气型的关联也是最有可能的。其中首先必须考虑的一个关键问题是北极冰雪圈变化如何强迫NAO/AO的环流变化，以后再通过NAO/AO的变化影响中温度极端天气事件。

北极冰雪圈变化如何强迫NAO/AO的环流变化？

目前有三种不同的观点

1.气候变暖导致北极海冰融化，产生边界层热源，强迫高空反

气旋加强。海冰的融化可以影响NAO/AO的位相变化2.热带太平洋中东部海表温度异常产生的遥相关波列导致的极

区环流变化。热带海温强迫是影响NAO/AO位相变化的主要自

然因子。3.极区大气和海洋环流的内部变率引起的NAO/AO位相变化。这

种环流因子变率的可预报性很低。有研究表明，其噪音占80%左右。举例：观点1的解释北极冰雪圈包括海冰和积雪两部分。对于北极海冰，由于气候变暖，海冰损失，可加热和湿润北极大气的边界层。作为地表热源在热源上方引起气流的下沉（类似于热低压，高温天气结构，即地表是热低压，其上为高气压），大气柱增暖，抬升对流层中部的高度，形成一个高压脊，而下游发展一个槽，引起冷空气的向赤道流动。冬季海冰减少最明显的地区主要发生在巴伦支海和喀拉海，以及楚科奇（Chukch）和东西伯利亚。由于融冰引起的开阔海面产生的的加热作用使位势高度增加。结果在这两个地区分别形成异常的高压脊，这与对流层位势高度增加的结果一致。其间在西伯利亚地区形成低槽。另一方面，冬季加强西伯利亚雪盖增加使边界层变冷，因为这种作用引起的地面冷却（冷源）使对流层中部高度降低，加强低压槽并引起上游脊的发展（这类似于西伯利亚高亚（低层）其上层是低槽），在海冰损失期加强。这种情况下，东亚风暴路径的南移使10月欧亚雪盖更快速向南推进，被扩大的融冰海水面也可增加向大气的水汽通量。当气团平流致西伯利亚时，可导致降雪增加，还冰损失和积雪增加呈正反馈作用，共同导致欧亚高纬地区两脊一槽行星波型的发展和持续。从而使北极涛动有正位相转变为负位相。这是北极冰雪圈在北极增幅作用下热力强迫的结果。因而减少的北极海冰和增加的北极无冰海面（可加热大气）与更多的雪盖（可冷却大气）共同强迫了同一流型，它致使极涡减弱，因为加热的距平在纬向是移动的，所以大范围欧亚雪盖和减少的北极海冰能同向迭加共同扰动欧亚环流，以减弱极涡，并影响中纬度天气。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)由正位相变成负位相的过程：由正位相变成负位相的过程白色是雪；染蓝的白色区是海冰；蓝色波浪线是融冰区；H和L分别代表高、低压；红色和蓝色分别代表异常暖区和冷区；带箭头的淡蓝色代表对流层急流；带箭头的紫色代表平流层急流或极涡；在右图中由冬季NAO/AO负位相造成的冷（暖）地面温度距平由蓝（棕）色表示。AO负位相的发展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.热带中东太平洋产生的北半球遥相关模态年平均热带SST与北半球环流的耦合分布（Dingetal，2014）观点2：热带海洋影响热带中东太平洋产生的南半球遥相关模态CovariabilityoftropicalSSTandZ200inMAM(1979-2009)Surf-TempSeaiceDingetal,2014)The300hPastreamfunctionforthedierencesbetween1999–2012and1979–1998.a,NDJFM,andb,MJJAS,basedonERA-Ireanalyses,wheretherotationalwindisparalleltothecontours.ThegreenarrowheadsshowschematicallythemainwavetrainsemanatingfromthetropicalPacific.（Trenberthetal，2014）热带中东太平洋产生的遥相关模态北极涛动的正（暖）位相极区气压偏低，绕极西风强，北半球气候偏暖

北极涛动的负（冷）位相北极气压偏高，绕极西风减弱，冷空气活动强，北半球中高纬地区偏冷

正负NAM/AO指数异常事件的NAM/AO指数合成（红色曲线为正NAM/AO指数异常事件中的指数合成，蓝色曲线为负NAM/AO指数异常事件中的指数合成）轨迹质点出发点地球表面等距离均匀空间分布正NAM/AO指数异常事件中-10至-8天中冷空气团轨迹在地球表面上的投影.北极冷空气影响东亚的路径正NAM/AO指数异常事件中冷空气团质心轨迹在地球表面上投影的示意图（a）指数上升前期；（b）指数上升后期；（c）指数达到峰值时；（d）指数下降期间.（阴影为地面气温距平场（单位：°C），圆点表

示轨迹出发点）（a）（b）（c）（d）（a）（b）（c）（d）（e）（f）负NAM/AO指数异常事件中冷空气团质心轨迹在地球表面上投影的示意图（a）指数下降前期；（b）指数下降后期；（c）指数下降末期；（d）指数上升初期；（e）指数上升前期；（f）指数上升后期.（阴影为地面气温距平场（单位：°C），圆点表示轨迹出发点）1960-2013年冬季平均的NAM/AO指数与地面气温的相关系数分布正NAM/AO指数异常事件中指数下降阶段影响欧亚大陆地区的近地面冷空气团活动质心轨迹和700hPa位势高度异常场（实心点表示轨迹的出发点，蓝色曲线为正NAM/AO指数异常事件中2至4天欧亚大陆地区的冷空气轨迹，红色曲线为正NAM/AO指数异常事件中2至4天700hPa面上的空气运动轨迹，彩色阴影为正NAM/AO指数异常事件中2至4天减去0至2天的位势高度异常场（单位：gpm），黑色实/虚线为4至6天减去2至4天的位势高度异常场，黑色实线为正值，黑色虚线为负值）负NAM/AO指数异常事件中指数下降阶段影响欧亚大陆地区的近地面冷空气团活动轨迹和500hPa位势高度异常场及垂直速度异常场（ω=dp/dt）（黑色实心点表示轨迹的出发点，蓝色曲线为负NAM/AO指数异常事件中-4至-2天影响欧亚大陆地区的冷空气轨迹，红色方框为寒潮关键区，黑色方框为西伯利亚高压区，彩色阴影为指数下降阶段（-6至0天）的垂直速度异常场（单位：0.01pa/s），红色实/虚线为指数下降阶段（-6至0天）的500hPa位势高度异常场（单位：gpm），红色实线为正值，红色虚线为负值根据不同资料计算的东亚地区

(20-60°N,100-140°E)冬季平均温度异常(单位：℃，黑色实线9点低通滤波)(引自WangandChen,2014)各种资料表明2005年：冬季温度转为负距平EastAsianwinter

temperature对冬季东亚夏季东亚天气和气候的影响20世纪80年代中期以前偏强1985-2004年偏弱2005年以后又转偏强根据不资料计算的标准化的东亚冬季风指数（黑色实线为９ａ低通滤波）NormalizedwintermeanEastAsianWinterMonsoonindexbasedondifferentdata(theblacksolidlinesindicate9-yearlow-passcomponentsusingtheLanczosfilter)(Wangetal.,2014)冬季风指数的长期变化：近10年冬季风增强1901-2011年全国平均（a）与东北地区（b）冬季气温距平（相对1971-2000年，短实线分别为1991-2000年及2011-2010年平均（引自唐国利等（2012））Wintertemperatureanomaliesof(a)nationalmean,and(b)theNortheastChina(relativeto1971-2000.Shortsolidlinesshowdecadalmeanof1991-2000and2001-2010(fromTangetal.,2012)中国的冬季平均温度全国东北（唐国利等，2012）中国2001-2010年与1991-2000年四季气温差分布（d中绿点表示东北地区站点）Seasonaldistributionsofdecadalsurfacetemperature

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

(b)暖期

(c)停滞期的850hPa风场和温度距平合成图ColdperiodWarmperiodhiatusperiodACAThecompositeofseasonalmeansealevelpressureanomalies(hPa)forwintersof:(a)coldperiod;(b)warmperiod;(c)hiatusperiod.（a）冷期(b)暖期(c)停滞期的海平面气压距平合成图500hPa位势高度场距平分布图（单位：dagpm）（a）冷期(1950s-1979s）(b)暖期(1980s-1990s)(c)停滞期(2001-2011）（梁苏洁提供）Patternsof500hPahighdeparturesfor(a)coldperiod;(b)warmperiodand(c)hiatusperiodcoldperiodwarmperiodhiatusperiod冬季（a）冷期（b）暖期（c）停滞期300hPa纬向风场距平合成场（单位：m/s）（梁苏洁提供）

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）中国大陆冬季最低气温EOF1的时间序列和冬季NAM/AO指数的集合经验模态分解模态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)