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大气对北极海冰突然变薄的快速响应

Tido Semmler · Thomas Jung · Soumia Serrar

摘要：为了了解北极海冰变薄对冬季大气的影响，利用欧洲中期天气预报中心的综合预报系统对海冰表面温度升高进行了理想化的集合试验。重点是对北极海冰突然“变薄”的快速大气响应，以解开各种不同过程的作用。我们发现边界层湍流是垂直分布异常热量最重要的过程。在对流层低层有时间调整的前几天，异常长波辐射起着重要作用。由于边界层的湍流，动态响应趋于平衡,而云物理过程和对流只起很小的作用。总体而言，大气大尺度环流的响应相对较小，最初15天平均海平面气压变化约为2 hPa;在整合的第二个月和第三个月达到的准平衡响应大约为前期的两倍。在最初的几天里，整个北极地区的反应往往是斜压的。几天之后，西伯利亚西北部和欧洲东北部就出现了反气旋等效正压反应。该结构非常类似于大气平衡响应，表明快速对流层过程（例如进入该大陆区域的较少准正压气旋）与缓慢过程（例如涉及平流层 - 对流层相互作用的过程）有关。

关键词：北极海冰、北极边界层、大气环流、数值模拟

1 引言

北极海冰在过去几十年中大幅度下降，并且在2007年9月和2012年9月达到了最低纪录（如Parkinson和Comiso 2013）。 这就提出了这样的问题：这些变化是否对北半球中纬度地区的天气和气候产生了深远的影响（见Budikova 2009; Bader 等2011; Vihma 2014; Walsh 2014; Cohen 等人（2014） 参考文献）。

北极海冰对中纬度气候的影响已通过评估观测数据（如Overland等2011; Francis和Vavrus 2012; Jaiser等2012; Screen and Simmonds 2013; Tang等2013）和利用大气模型模拟进行理想化实验（例如Deser等人2007,2010; Semmler等人2012; Screen等人2013; Peings和Magnusdottir 2014）。

以前的研究表明，尽管夏季北极海冰范围减少最强烈，但冬季大气响应最强烈。从Vihma（2014）的综述文章中可以清楚地看到，以前的大多数研究集中在夏季和秋季的海冰条件对冬季大尺度环流的滞后影响，而Semmler等人（2012）和Tang等人（2013）认为，经向冬季地表温度梯度变化和相关的斜压性是产生影响的重要因素。北极夏季和秋季海冰范围的降低，有利于北极地区自由对流层的冬季位势高度增加，中纬度地区的西风带减弱（Jaiser等2012）。实际上，较暖的北极冬季表面温度与较少海冰相一致，也具有相似的效果（Semmler等2012）。关于滞后响应，Bluuml;thgen等人（2012）在大气模式模拟中没有看到任何明显的大尺度环流变化，这些变化规定了2007年以及相关的北极和亚北极海表温度记录的低北极海冰浓度。

虽然中纬度地区对北极海冰减少的认识取得了进展，但挑战依然存在。例如，北极海冰可靠卫星测量的时间序列相对较短，观测研究会受此影响。而且，单凭观察难以解开因果关系。原则上，模式可以并且已经被用于进行控制试验。然而，模式在代表北极边界层反演和微观物理等大气主要特征方面还远远不够完美。此外，从对北极海冰减少的平衡响应模型研究来看，理解响应背后的物理机制是很难的。这是因为在长时间的相互作用中，各种过程的相互作用，可能在很远的距离上进行。

为了更好地理解模式制定或外部强迫变化的大气响应，Rodwell和Jung（2008）提出研究快速大气响应（小时至数天）以及更常见的平衡响应（几个月）。 他们认为，通过考虑不同动力和物理过程的快速大气调整，可以获得对响应更全面的理解。 在这里，我们遵循这种方法，将重点放在对突然表面温度强迫的快速大气调整上，以有效地模拟北极海冰厚度的减少。

应该指出的是，Deser等人（2007年）采用了类似的方法。 他们认为短暂的季节性大气调整了SST，并且海冰范围异常仅限于北大西洋北部。 （他们）发现对流层低层的非绝热加热与施加的热强迫产生的地表热通量异常有关。 这会使得在前两至三周内产生斜压响应，此后响应变为大致等效—正压。平衡响应在2—2.5个月后达到。

大多数以前的模拟研究都集中在海冰范围减少的影响上。然而，过去几十年来，北极海冰的覆盖范围和浓度已经大幅下降（郭和罗斯洛克，2009年）。由于相对温暖的海洋通过海冰进入大气的热量增加，海冰厚度减少导致近地面气温升高。在这里，我们考虑大气对整个北极海冰厚度减少的反应，以研究这种对大气环流的影响。据我们所知，以前关于泛北冰洋海冰厚度减少对大气影响的研究仅限于Gerdes（2006）。

总之，我们的研究与以往大多数研究有以下三个方面的不同：首先，我们研究北极海冰变薄的影响，而不是北极海冰范围的减少对北极和北半球中纬度大气的影响。其次，我们专注于对冬季的快速反应，而不考虑夏季或秋季海冰情况，排除任何长时间尺度的过程。第三，我们不是像以前的大多数研究那样，只研究长期气候一体化的均衡反应，而是考虑快速调整，包括整合的第一个时间步骤。这使我们能够研究大气对北极海冰突然变薄的瞬态响应的物理机制，直到达到平衡响应。初始温度趋势的差异分为不同的物理过程（动力学，边界层湍流，辐射，大尺度降水和对流降水），以更全面地了解大气反应。

本文的结构如下： 第二节详细介绍了模式模拟。第三节描述了主要15天和90天模式集合模拟的结果。关于以前的研究的讨论和结论在第四节中给出。

2 方法

我们使用了综合预报系统（IFS）的最新版本（周期37r3），这是一个在欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开发的实用天气预报模型，用于我们的实验。 该模型的时间步长为1h，光谱分辨率为TL159，相当于约125km的水平分辨率，91个不规则间隔的垂直层次延伸至0.01hPa。

使用ERA-Interim再分析数据,在1979年至2012年的每个年份，15日预报实验分别于12月15日，1月15日和2月15日分别在00,06,12和18 UTC初始化，（Dee等 2011）,共408组结果，这导致了408对的合奏。每一对由一个控制（CTL）模拟和一个减少的海冰厚度（RED）模拟组成。集合平均差代表响应。为了更详细地了解大气对北极海冰厚度减少的响应，对不同物理过程（如垂直扩散，辐射，动力，对流和大规模降水）造成的温度趋势进行了后处理和归档。

为了获得准平衡响应，我们在1979年至2012年的每个年份分别在11月1日和15日，12月和1月的00 UTC分别初始化了90天预报实验，共204组结果。 由于数据存储限制，这些长时间仿真中的温度趋势未被存档。 对于本文的其余部分，无论何时只考虑第15天或其中的一部分，都会在15天的预测实验中显示结果。 如果考虑30天或更长时间，则会显示90天预测实验的结果。

在CTL模拟中，我们从ERA-Interim数据中规定了海表温度（SST），海冰表面温度（SIST）和海冰浓度。 在RED模拟中，我们在整个模拟过程中将SIST增加了10 K，以反映海冰变薄或导线增加的部分。 如果SIST增加超过海冰的冰点，则SIST已被设定为海水冰点。 规定的平均表面温度强迫，即集合差异RED减去CTL模拟，如图1所示。

图1 初始化后6小时，北极海冰厚度减小（RED）和对照实验（CTL）之间的平均地表温度差[K]

对于典型的1-2米北极海冰厚度，如果排除其他影响因素，这种地表温度差异类似于北极海冰厚度减少约60-70％。 这可以从Semmler等（2012）的平衡反应研究中得出。 考虑冬季平均北极SIST及其参考海冰模拟和海冰减少模拟的残余地表能量预算。 在本世纪末的耦合模型试验中，与上个世纪末的中等到高辐射强迫相比，如果不是更大的海冰厚度减少量，则可以模拟出相当的甚至更大的海冰厚度减少量（例如Deser 等2010）。

实现10 K SIST增长的另一种可能方式，是通过更大的导线或更薄的海冰和更大的导线的组合。根据Luuml;pkes等（2008），对于北极冬季常见的海冰浓度超过90％，铅含量的小幅增加可导致温度大幅上升。 此外，通常在耦合模式比较项目5（CMIP5）中进行最先进的耦合气候模式模拟，在中等到高辐射强迫下，通常在本世纪末模拟10 K近地表北冰洋冬季气温升高 （例如Koenigk等，2013; Vavrus等，2012）。

请注意，我们的研究和Semmler等（2012）的研究在SIST指定的意义上是独一无二的; 在其他研究中，SIST通过表面能平衡自由发展。

3 结果

首先，图2显示了在北极海冰突然变薄和CTL模拟的气候平均值之后的15天内，区域平均温度异常的发展。中等幅度（2-2.5 K）的温度响应在实验的第一天内传遍整个北极边界层。之后，近地表响应进一步增加，直至饱和达到约6小时积分的5-10天。温度响应缓慢“传播”到北极上空的自由对流层，其值为10后达到0.5-2K/天左右。温度响应可以降低北纬约60°N的经向温度梯度。请注意，这是位于北大西洋和北太平洋风暴形成区主要斜压区北部，这表明大气对北极海冰变薄的快速响应对中纬度风暴轨道影响较小。鉴于温度响应具有较强的高度依赖性，我们的结果也突出了在模型中正确表示北极边界层过程的重要性。

图2 CTL（黑色轮廓线）的平均垂直温度轮廓，间隔4 [℃]和红色与CTL之间的平均第一个6小时内的平均值（颜色阴影，[K]），c第一天，c 在第2天，第1-5天，第6-10天和第11-15天。 根据Wilcoxon测试，只有在95％的显着水平上才显示差异

图3显示了在模拟的最初5天期间，边界层中不同大气过程的温度趋势如何对降低的海冰厚度做出响应。没有显示6-10和11-15天的趋势，因为它们与第1-5天的非常相似。首先要注意的是，垂直扩散（即边界层湍流）和辐射是模拟的第一个6小时内边界层变暖的主要原因（图3，左栏）。 这可以通过较暖的表面来解释，这会导致异常向上的湍流热通量和长波辐射; 进入融合6 小时后，动力，对流和大尺度降水都发挥了微不足道的作用

图3不同大气过程的红外和CTL平均温度趋势[K / day]之间的差异从地表垂直平均到925 hPa。 结果显示了a-c垂直扩散和地形重力波，d-f辐射，g-i动力，j-l对流降水，m-o大尺度降水和不同的预报提前期：（左列）第6小时 ，（中间栏）第一天和（右栏）第1-5天。 详情请参阅文字

6小时后出现不同的情况。 最值得注意的是，在整合1-5天后，动力学（即温度平流）开始在平衡由垂直扩散引起的异常温度趋势方面发挥越来越重要的作用。 由于海冰和开阔水域之间的温度差异减小，冰边缘附近的边界层的赤道和极向温度平流变得更弱（分别为负值和正值）（图3h-i）。 与海洋中湍流感热通量相关的减少与由于垂直扩散引起的加热减少相一致（图3c）。 辐射加热响应进一步降低到积分结果的后果是日益暖和的空气开始发射更多的长波辐射，这抵消了来自下方的异常辐射加热。

在整个前5天内，由于对流和大尺度降水造成的异常温度趋势相对较小，并与经向温度梯度发生变化的冰边缘区相关联。 一般来说，较薄的北极海冰伴随着更多的对流加热和较少的大规模降水。 这在边缘以北尤其如此，由于稳定性降低，这是合理的。 在边界层之上仿真定性地类似的异常倾向，但它们比边界层（图略）小一个数量级。 由于冬季强烈的垂直稳定性，所以变化很大程度上局限于边界层。

图4和图5代表性的显示了近地表和对流层中尺度环流的变化。 SIST的增加导致了北极海冰区500 hPa位势高度的平均海平面气压正负异常。 虽然负海平面气压负异常发展非常迅速，并在北极经过15天后开始减少，但在90天的过程中，500 hPa高度场的正高度异常缓慢增加。 最初的斜压响应与异常近地表加热所预期的一致。

图4红色平均海平面压力响应（hPa）与CTL在预测天数a 1-5，b 1-15，c 1-30和d 31-90上的平均值。 根据Wilcoxon测试，斑点面积显着为95％。 只有地形低于海平面1000米的格点才显示数值，以排除由于外推导致的不切实际值

图5与图4相同，但500 hPa位势高度（m）除外。 只有地形低于海平面5000米的格点才显示数值，以排除由于外推导致的不切实际的数值

有趣的是，在一些地区，包括西伯利亚西北部，欧洲北部，北大西洋东北部以及北太平洋东北部地区，在最初5天内已经出现了正向等效正压大气响应。 然而，正压响应仍然相对较小，尽管在95％的水平上显著。 在北太平洋东北部，欧洲北部和北大西洋东北部，正压反应变得微不足道，甚至在北太平洋东北部发生变化，西伯利亚西北部的正反气旋正压响应依然强烈，整整90天。

接下来，我们将注意力转移到北极海冰突然变薄对天气活动的影响。 在此，采用Jung（2005）的方法，其基于500hPa位势高度的1天变化的标准差。 CTL的结果（图6a）与ERA-40再分析数据的相应结果（荣格2005，图12）相比较。 从图7中可以推断出天气活动在RED中对北极海冰突然变薄的响应。一般而言，可以发现天气活动性的下降，这种活动在北极中心地区最强，并延伸到亚北极地区。 这种下降随着时间的推移而加剧。

图6 a根据6小时数据（第1天）计算的高通量日500 hPa位势高度标准差（根据荣格2005年的“天气活动”）的标准偏差，b在500和850 hPa之间的最大Eady增长率。 根据Eady（1949）以及根据Hoskins等人的方法在250hPa高通瞬变的c E矢量（m2 / s2，矢量箭头）及其散度（m / s2，颜色阴影）。 （1983）在预测1-15天的CT

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