北极变暖对北美和东亚寒冷冬季造成的两种截然不同的影响外文翻译资料

 2022-12-25 14:09:16

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北极变暖对北美和东亚寒冷冬季造成的两种截然不同的影响

北极变暖引起了越来越多的关注，因为它可能对中纬度气候产生影响。 许多地方都发生了许多异常寒冷的冬季在过去几年中，东亚和北美的观测和模拟研究表明，与北极变暖有关的大气变化可能起到了核心作用。这里，我们我们根据观我们发现整个东亚的严冬都与巴伦支-卡拉海地区的异常温暖有关，而北美的严冬则与在东西伯利亚 - 楚科奇海地区异常的温暖有关。北冰洋上的每次区域性变暖都伴随着异常反气旋的局部发展和中纬度槽的下游发展。由此产生的北风冷空气为东亚或北美的严冬提供了有利条件。北极和中纬度天气之间的这些联系也在理想气候模型实验和CMIP5多模型模拟中得到了很好的发现。我们建议我们的结果可能有助于改善这些地区冬季天气和极端事件的季节预测。

最近的气候变化中，一个最明显的表现就是北极放大。北极放大是在温室效应背景下，北极地表增暖的速度快于其它纬度地表增暖的速度。这种放大效应在最近十年正在加速并且北极增暖速度约为北半球增暖速度的两倍。这明确表明无论从观测还是预报上看，北极对于气候变化都非常敏感。

虽然温室气体浓度在近半个世纪持续上升，赤道外北半球冬季气温趋势表现出明显的年代际变化（图1），部分原因是自然气候变率。例如，1979-1997年，在全球地表气温增加最快的时候，在欧洲、东亚、美国冬季增温趋势明显（图1a），而北极趋势较小并且有轻微地变冷的区域。然而，1998-2013年，地表温度变化趋势与1979-1997年明显不同。首先，北极增暖从1998年起有明显加速，尤其在巴伦支-喀拉海和东西伯利亚-楚科奇海。相比之下，强烈的变冷趋势在热带外的北半球大陆尤为明显。另外，在变冷趋势的背景下，尤其在近几年，北半球大陆的许多区域频繁出现极端严寒。

图1的主要特征是在两个时期的热带外和北极之间呈现整体的地表温度正趋势；在早期北极有轻微变冷然而在后期北极增暖迅速。许多最近的研究表明北半球的冷冬与北极增暖有关。然而，冬季变冷趋势的原因是北极放大还是内部变率仍存在争议，因为其中隐藏的动力机制没有被完全理解。一些文献表明秋季巴伦支-喀拉海的海冰减少对接下来的冬季起到了决定性的作用。秋季海冰减少总体伴随着冬季北极地表温度增加（补充图3、图4）。这通常通过静态行星波强迫造成“暖北极-冷大陆”型。深入研究表明，更为频繁和持久的阻塞事件的发生会伴随下游气旋活动增加并且可能通过增强的向上传播的行星波削弱极涡。与之一致的，北极海冰的信息对北半球赤道外的地区的气候预测有作用。然而，大气对北极海冰变化的响应，取决于大气的地区和季节的背景，这可能会削弱热带外气候变化的数值关系。另外，热带外的响应很大程度上取决于北极气候的区域性异常。

在高纬度地区，与海冰损失和其他异常北极气候状态相关的地表热通量强迫和低层斜压对于缓变大气环流的调整很重要。 模拟研究表明，这些海冰变化与区域相关的区域地表温度相关，易于观察和高度可预测。为了研究观察到的北极变暖与区域温带寒冷的地区之间的联系，我们定义了北极温度（ART）指数：ART1，巴伦支海 - 喀拉海地区（30°-70°E， 70°-80°N）的平均地表温度；ART2，东西伯利亚 - 楚科奇海地区（160°E-160°W，65°-80°N）的平均地表温度。 1998年后，这两个地区的温度呈现强烈的正趋势（图 1b），但是两个指数之间的趋势相关性几乎为零（图1c）。

图2显示了从1979年到2014年的去趋势月度ART和SAT之间的相关性。这两项指标在各自的区域内表现出很强的正相关关系，但在许多北半球赤道外中表现出不同的相关型。对于ART1，负相关性普遍存在于欧亚大陆的大部分地区(图)。在东亚地区尤为强大。这表明当北极SAT在巴伦支-卡拉海地区变暖时，东亚经历了寒冷的冬天，这与以前的研究一致。

另一方面，ART2指数与北美地区的SAT异常呈负相关(图2b)。在加拿大大部分地区以及美国中部和东部地区，这种负相关性最强。该地区月ART2与北美SAT的相关系数为-0.65，表明北美冬季SAT异常与东西伯利亚-楚科奇海域的SAT异常呈极强的负相关。即使对于长期的历史数据(补充图2)，这些关系也是相当稳健的。

图2c，d显示ART指数与东亚和北美SAT之间的超前-滞后关系，根据移动的31天均值ERA-Interim数据集计算得出。如图2c、d所示，ART1趋向于在最大的东亚SAT响应之前大约15天，而ART2显示与北美SAT最强的关系，大约提前5天。这些结果充分表明，大陆冷却过程中与大气冷却相关的大气环流异常与上游区域内的地方性北极变暖有关，这表明区域增暖/冷却的区域可能对于了解温带气候变化是至关重要的。

图3显示了与北极地区变暖相关的大气环流异常。巴伦支海-喀拉海地区（ART1）的温暖条件与北极中部的负海平面压力（SLP）异常和俄罗斯西部的强烈正异常有关（图3a）。 俄罗斯西部的正SLP异常从巴伦支海-卡拉海的沿海地区发展，位于ART1中心的略微向南，到欧亚大陆中部。一旦异常的反气旋流建立，由于气候寒冷地面的异常冷平流，它会进一步发展并向东扩展。异常的西俄反气旋的向东扩张与增强的西伯利亚高压相连，导致东亚地区的冷平流和低温事件频繁发生。值得注意的是，从图3a，c可以看出，显着著的正异常出现在北大西洋上，中心位于ART1区域上游的40°N附近。 同样，在ART2地区上游的亚热带北太平洋地区也存在明显的负异常现象。 这些统计结果表明，北极地区的变暖及其下游的遥相关型可能会受到这种上游扰动的影响。北极到温带连接的上游扰动需要进行进一步研究（例如，补充图5）。

上层环流表明异常的西-俄反气旋是准正压的，并伴随着西伯利亚西北部的气流环流（图3c）。这种气旋异常可以用上游反气旋异常的Rossby波传播来解释。 这种上层气旋异常意味着一个强化的，向西移动的亚洲槽，与更为紧密相关的东亚冬季风特征，以及更为频繁的极端低温事件。

上述结果清楚地表明，区域性北极增暖可以通过影响下游的遥相关来影响下游热带外的气候。为了证实观测中的北极 - 温带联系，使用耦合全球气候模型（GCM）进行理想化的模型试验。在六个模式实验中，北极地区的海表温度（SST）被追溯到历史上的SST，但该模型与其他地区的其他地区有很好的耦合（见方法）。 模型中模拟的海冰浓度主要遵循观测演化，表明海冰很快就会进入SST演化。

对于这些模型模拟，进行了去趋势ART1和ART2与SAT的类似相关分析（图4a，b）。 图4a显示，对于ART1，该模型给出了相似的SAT相对于欧亚大陆负相关模式，负相关在东亚最强。观测与模型模拟之间的模式相关性为0.90，表明模型响应与观测之间具有高度相似性。 更重要的是，该模型定量地再现了观测的回归系数（比较图4c中的红色和橙色条）。 对于ART2，模式模拟还捕获了在北美洲以外的东方负相关的相关性。虽然回归系数被低估了，但是在观察和模型模拟中的模式相关性非常高，为0.90（图4d）。除了SAT型外，该模型还可以很好地模拟观察到的下游大气遥相关型（补充图6）。 因为高纬度SST在这些实验中得到了很好的观察，所以这些结论非常有助于支持北极两个独立的地区对北半球热带外冬季气候的影响。

广泛的多模型分析进一步支持了这些结果。分析来自39个CMIP5（耦合模型比对项目阶段5）模型的模拟，以检查他们自己的去趋势月度ART指数与东亚和北美SAT之间的关系（图4c，d，另见补充图7和8） 。一般而言，CMIP5模式可以很好地再现与ART指数相关的观察到的环流异常（补充图9）。结果发现，39个模型中有36个在ART1指数和东亚SAT显示出统计上显著的负回归系数，支持巴伦支 - 卡拉海地区变暖与东亚地区降温有关的观点。然而，大多数CMIP5模型低估了观测的回归系数。对于ART2，所有CMIP5模型都显示出统计上显著的负回归，尽管大多数模型再次显示出小于回归系数观测值（图4d）。尽管多数模型一致地模拟了SAT的负回归系数，但其中模拟出的数量级仍存在差异。

这个研究表明，北极有两个关键区的增暖能引起北半球大陆冷冬的变化。巴伦支-喀拉海区域增暖导致东亚变冷，而北美变冷与东西伯利亚-楚科奇海区域的增暖有关。这些结果表明北极增暖的区域分布可能为北半球热带外地区的季节内到季节预报提供额外的可预测性。这些结果还可以为评估当前季节性预测技术通常较差的地区的极端事件的潜在风险提供指导。特别是，这项研究表明，近期东亚和北美严重冬季的频率增加可能部分是由于近期北极地区的快速变暖。

图1 SAT趋势和北极温度指数（ART）

图2 ART和赤道外SAT关系

图3 大气环流距平与北极温度的联系

图4 北极温度和赤道外SAT的联系的模式输出结果

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