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北极放大效应与中纬度地区极端天气相联系的证据

Jennifer A. Francis1 and Stephen J. Vavrus2

Received 17 January 2012; revised 20 February 2012; accepted 21 February 2012; published 17 March 2012.

[1] 北极放大（AA）—被观察到会加强与北极相关的北半球高纬度地区的变暖—在对流层低层的温度和1000-500hPa的大气层厚度上很明显。在美国北部和大西洋北部分析来自美国国家环境预测再分析中心的500hPa高度日平均场，以评估与AA有关的南北（Rossby）波特征的变化以及极向厚度梯度的张弛。我们发现了两个效应，每个都影响上层流中Rossby波，使波的东移减慢：1）削弱了纬向风，2）增大了波幅。这些效应在秋季和冬季特别明显，与海冰损失一致，但在夏季也很明显，可能与高纬度地区早期的融雪有关。上层波动的缓慢演变将导致中纬度地区的相关天气模式更加持久，这可能导致极端天气事件发生的概率增加，这些事件可能是由持续性的条件引起的，如干旱，洪水，寒潮和热浪。引文：Francis, J. A., and S. J. Vavrus (2012), Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes, Geophys. Res. Lett., 39, L06801, doi:10.1029/2012GL051000.

1. 简介

[2] 在过去的几十年里，北极地区的气温变暖几乎是整个北半球的两倍(Screen and Simmonds, 2010; Serreze et al., 2009)，这是一种称为北极放大（AA）的现象。广泛的变暖是由温室气体增加和海冰、雪、水汽以及云层的正反馈相结合造成的(Stroeve et al.,2012)。自20世纪80年代以来，夏季海冰的流失面积将覆盖美国本土面积的40％以上。随着秋季封冻的开始，夏季在这些广阔的新水域中吸收的额外太阳能作为热量释放到大气中，因此提出的问题不是大气环流是否会受到影响，而是如何影响？虽然根据全球气候模型的预测，随着温室气体在大气中不断积累，许多类型极端天气的频率和强度将会增加(Meehl et al., 2007)，但该分析提出的证据表明，北极地区升温加剧也是其中一个原因。

[3] 探索大气对北极变化的响应在过去十年中一直是一个活跃的研究领域。观测和模拟研究都发现了与海冰损失和早期融雪有关的大气环流的各种大规模变化，反过来影响了中纬度地区的降水，季节温度，风暴路径和地面风(e.g., Budikova,2009; Honda et al., 2009; Francis et al., 2009; Overland and Wang, 2010; Petoukhov and Semenov, 2010; Deser et al., 2010; Alexander et al., 2010; Jaiser et al., 2012; Bluuml;thgen et al., 2012)。虽然据了解，温室气体引起的对流层变暖将导致大气中水汽含量的增加，预计会加剧风暴和洪水(Meehl et al., 2007)，但个别极端天气事件通常具有动力来源。这些事件中的许多事件源于持续的天气模式，这些模式通常与高层流中的阻塞和高频波有关。包括2010年欧洲和俄罗斯的热浪，1993年密西西比河洪水，以及2010-2011年冬季佛罗里达州的严寒天气。这项研究的重点是证明AA与500hPa高度场中Rossby波移动缓慢的倾向相关联，这些倾向有利于由持续天气条件造成的各种类型的极端天气，如干旱，洪水，热浪以及北半球中纬度地区的寒冷天气。

2.分析和结果

图1 2000–2010 年和1970–1999 年之间（40゜N以北）季节性的1000—500hPa层厚度差异场

(a) autumn (OND), (b) winter (JFM), (c) spring (AMJ), and (d) summer (JAS).白色星号表示显著性，Plt;0.05.数据来自NCEP/NCAR再分析资料.

图2 研究范围：140゜W-0゜.（a）星号表示在分析中使用的500hPa高度选定范围的一个例子;（b）由北极地区相对中纬度地区升温引起的高层高度脊线伸长（dashedvs.solid）的示意图。 如箭头所示，更高振幅的波向东进展得更慢.

[4] 北极放大如何促使波的振幅更大、移动更加缓慢？为了解决这个问题，用NCEP/ NCAR的再分析(NRA)数据集(Kalnay et al., 1996)的输出来评估与北极变暖增强相关的大气变化，并研究500hPa高度中高纬度变化对中纬度模式的影响。由于缺乏独立的观测数据，直接比较再分析与观测值存在问题，Archer和Caldeira (2008)发现NRA的高层环流与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析(ERA-40)非常相似，Bromwich等人(2007)发现1979年之后北极地区这些再分析资料的表面压力场​​之间极好地达成一致，此时卫星资料的同化开始了。为了减少由再分析同化的不同数据源造成的虚假变率的可能性，仅采用使用卫星后时期的数据源。

[5] 随着近几十年夏季北极海冰减少，在秋季和冬季，伴随着潜热通量的增强，大量的热量和水汽进入低层大气，对AA有贡献。在秋季，这种变暖在靠近冰融化地区的近地面气温异常区域可以清楚地观测到(Serreze et al., 2009)。整体的对流层低层变暖在1000hPa和500hPa之间垂直厚度的普遍异常中很明显，如图1所示，相对于过去的30年，2000年至2010年期间每个季节都是如此。在秋季（10月—12月），北极大部分地区的统计上的显著异常很明显，并且在冬季（1月—3月），北大西洋和格陵兰岛西部的强异常持续存在，低纬度地区在俄罗斯和北太平洋地区存在。夏季（6月—9月）的较大正值主要发生在高纬度的陆地上，与早期积雪融化造成的温暖干燥的土壤相一致(Brown et al., 2010)。由于夏季冰盖减少而导致的加热消散以及高纬度土壤在融雪后尚未干燥，所以近年来春季的显著异常是比较稀少的。

[6] 北极相对于中纬度地区的差异性变暖是联系AA与中纬度利于持续性天气条件的模式的关键。预计有两个独立的上层特征效应：较弱的极向厚度梯度导致较慢的纬向风，而高纬度增温导致500hPa的高度比中纬度上升更多，这会使脊的峰值向北延伸并增大波幅。这两种效应都会减缓波的东移。对1979—2010年500hPa高度的波的特征进行了分析。该研究侧重于北美和北大西洋的中纬度地区(140゜W — 0゜,图2a)，其北部的冰失实质和大气加热具有统计学意义（图1）。这个分析选择500hPa高度，因为它们受到来自多个无线电探空仪和卫星接收的观测的限制，它们相对无表面效应，并且它们能捕获上层的波形图。

图3 （左）在研究区域(140゜W - 0゜)内80–60゜N和50–30゜N之间的季节性1000-500hPa大气层厚度差异的时间序列。（右）在研究区域内，50–30゜N之间500hPa的季节平均纬向风。季节已标注。数据来自NCEP/NCAR再分析资料http://www.esrl.noaa.gov/psd。

[7] 证据支持第一个效应 — 纬向风减少 — 在Francis等人(2009)以前的研究中发现。他发现在北大西洋和北太平洋，夏季极向梯度较弱，且海冰异常偏少，并且这种弱化持续到了次年春季。这种趋势在目前的研究领域也很明显，如高纬度地区（80-60゜N）和低纬度地区（50-30゜N）之间的1000-500hPa厚度差异的时间序列所示（图3,左）。 自20世纪80年代后期以来，当冰雪迅速流失和气候变暖加剧之后，所有季节的极向厚度差异都有所下降，特别是在秋季和冬季（~10％，秋季趋势置信度gt; 95％）。

[8] 极向厚度梯度的强度决定了上层纬向风速。随着北极变暖，梯度减小，1979年以来秋季上层纬向风也减弱（图3,右），总体减少约14％（gt; 95％的置信度）。自20世纪90年代初以来，冬季风变化更大，但表现出稳步下降。当纬向风速减小时，大尺度Rossby波从西向东进展缓慢，而较弱的流动也与较高的波幅有关(Palmeacute;n and Newton, 1969)。上层波动的进展缓慢导致更持久的天气条件，这可能增加特定类型极端天气的可能性，如干旱，持续性降水，寒潮和热浪。先前的研究支持这一观点：较弱的纬向平均值，上层风与北半球的大气阻塞事件增加 (Barriopedro and Garcia-Herrera,2006)，以及美国西部和欧洲的冷空气爆发有关(Thompson and Wallace, 2001; Vavrus et al., 2006)。

[9] 第二个效应 - 脊伸长 - 也是对高纬度500hPa高度比中纬度更高的预计响应。 如图2b所示，这有效地增强了脊的峰值，并进一步增大了波幅。 更大幅度的波也倾向于更缓慢地演变。 通过选择每个季节500hPa高度的窄幅来捕捉这种机制的证据，该高度范围捕捉高度场中每日的波形。秋季使用以下范围：5600m 50m，冬季：5400m plusmn; 50m，夏季：5700m plusmn; 50m。图2a中的例子说明了一个典型日里研究区域上的选定网格点所代表的“等高线”，然后分析这些网格点以揭示500hPa波形随时间的变化。

图4 第一行显示在（a）秋季，（b）冬季和（c）夏季 1979年至2010年期间脊峰所在最大纬度的时间序列。

采用运行5年的平滑器。秋季图中虚线为9月平均海冰面积（倒转轴，106）的时间序列; 冬季JFM北极涛动指数，夏季北半球5月积雪（反转轴，times;107）。第二行是位于北纬50゜N（冬季为60゜N）的格点数量与每个季节的经度的趋势。红色星号表示90％置信度下的显著性，零线为蓝色虚线。第三行与第二行相同，除了波幅（deg./decade）。 第四行（Hovmouml;ller图）显示了位于北纬50°N（60゜N冬季），500 hPa高度在5600,5400和5700 m（50 m）范围内的格点数量在各个季节的时间/经度变化。详情请参阅文字。

[10] 图4a-4c的第一行给出了秋季、冬季和夏季的日平均高度（对应于脊的峰值）的季节平均最大纬度的时间序列，因为春季的高纬度厚度异常与平均值没有统计学差异所以没有显示。脊峰的稳定向北发展验证了AA对脊伸长有贡献的假说，这些趋势的置信度超过99％。秋季的情形中还表示了从被动式微波卫星信息（从国家冰雪数据中心获得，http://nsidc.org/data/docs/ noaa / g02135_seaice_index /(Fetterer et al.,2002)）中获得的9月海冰范围（反比例尺，斯皮尔曼相关系数=$0.71）的时间序列。冬季北极涛动指数(Thompson and Wallace,2001)出现在冬季样本中，相关系数为0.65。与夏季样本一起绘制出5月份北半球积雪的时间序列（可从罗格斯大学全球降雪实验室获得，http：// climate.rutgers.edu/snowcover (Ghatak et al.,2010)）。这两条曲线与r = 0.88高度相关，这表明脊线峰向北延伸可能是对早期积雪融化和变暖土壤导致的高纬度地区升温增强的响应(Jaeger and Seneviratne,2011)。

[11] 正如Seidel和Randel (2007)报道的那样，是否可以通过观察到的整个高度场的演变来解释这种极向变化，而不是仅仅考虑脊线峰值？在图4a-4c的第四行中给出的分析揭示了这个问题。 Hovmouml;llor图显示了时间/经度等值线，这些等值线说明了每个选定的500hPa等值线上的格点数目的优选位置和时间演变，这些等值线位于北纬50°N（即脊），在秋季和夏季以及在冬季位于60゜N以北。图4的第二行与这些Hovmouml;llors相关，该图显示了这些网格点数量的趋势，表明过去三十年中哪些经度经历了起伏变化。最后，第三行呈现相应的波幅变化趋势，计算为每个季节和年份沿每个经度的等值线的最大和最小纬度之差。这种差异计算还有助于减小再分析高度场中的任何系统的偏差。虽然任何一个经度的脊点或波幅的趋势的重要性往往低于90％的置信度（标有红色星号），但所有经度上的起伏和波幅的正向趋势可以随机的概率接近于零（p lt;）。

[12] Hovmouml;llor图表显示了每个季节中脊线轴线的明确地理偏向。在秋季，它们倾向于在北美西部和东北大西洋沿岸上空排列。脊线格点（第二行）的趋势在该地区为正，在整个北大西洋上最大。波幅（第三行）的相应趋势在大多数经度也是正值，美国中部和北大西洋中部增幅最大。这些趋势有利于美国东海岸和北大西洋沿岸更加温暖和持续的环境条件，并可能导致这些地区在秋季出现极端最高气温急剧升高，正如气候极端指数显示的那样（可从 NOAA的国家气候资料中心，http://www.ncdc.noaa.gov/extremes/ cei / (Gleason et al., 2008)）。

[13] 冬季期间，脊线的首选纵向定位与秋季相似，脊线趋势在大多数经度中仍为正值。 尽管波幅变化趋势不均匀，但是在落基山脉上显著增加，这与最近几十年可能导致山地积雪减少的更持久的模式相一致(Mote，2006)。 夏季的Hovmouml;llor表明，起伏主要发生在北美的中部和西部，但脊线格点（第二行）的最大增幅发生在东北大西洋上空。 波的振幅趋势在任何地方几乎都是正的，特别是在北美东海岸的南大西洋。近年来，在大西洋上升高的脊和更大的波幅可能导致了格陵兰地区空前的地表融化(Tedescoet a

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