中纬度天气对北极变化的非线性响应外文翻译资料

 2022-12-02 19:42:21

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中纬度天气对北极变化的非线性响应

北极的持续变化是否会影响北纬中纬度地区的风型和极端天气事件的发生？大气环流的混乱性说明这并非容易回答的问题。这是一个重大的科学挑战，因北极气温持续上升是不能避免，这是一个重大的科学挑战。本文提出忽略简单的因果路径，并关注在解释大气动力学时注意到诊断上的挑战。基于理解导致北极和中纬度天气和气候联系不确定的多种过程，本文提出一种方法。我们强调区域协调，以促进科学进步和与更广泛的公众的交流。

各种指标表明，从19世纪90年代末起，北极相对于中纬度地区不成比例增暖被称为北极放大（AA）。随着人类活动不断增加的温室气体浓度，这个信号将不断增强。对北极放大对更广泛的半球天气影响潜力评估（简称关系）是复杂且存在争议的。然而，随着北极放大加强，我们认为，问题的关键不是北极的融化会影响中纬度地区未来几十年的天气模式，而是自然和这种影响的与北极因子的联系以及是否限定于特定区域、季节和天气事件的类型。

虽然有研究主张联系通常强调单一的因果路径，但大气动力学的复杂性意味着这种单一的的联系路径是不太可能的。气候系统的非线性在北极和亚北极地区尤为重要。那里的气候变化信号比北半球任何地方都大，而且该地区有多种反馈。北极对流层与冬季平流层极涡之间存在耦合，极涡本身具有高度非线性，在另一种类似强迫的情况下，可能不存在可能导致一系列事件的连锁路径。这可能反映在那些难以找到可靠联系的观测研究中。此外，同一模型的多个运行具有相似但略有不同的初始条件(称为集合成员)，显示了在集合运行的某些子集中的联系，而在另一些子集中则没有。这种未能发现直接联系的情况有时被解释为不利于联系的证据。本文从这一角度讨论了导致关联属性复杂性的四个属性(限制)：路径（每个地区之间似乎随机变化）；间歇性(在类似的外部强迫条件下，大气响应明显不同，如海冰损失情况下) ；多重影响(同时受到各种因素的强迫，如热带、中纬度和北极的海面温度异常)；状态依赖(依赖于大气环流的先验状态的响应，例如北极振荡(AO)大气环流指数的相位或平流层涡旋的强度)。

本文提出了一种系统级方法，它能识别多个同时进行的过程、内部不稳定性和反馈。要想理解北极-中纬度的联系，就需要使用基于案例研究的概率模型预测，以及运动方程和热力学方程的高分辨率、整体解。区域协调的大气动力学模型试验和诊断研究对于解决争议和有利于努力与广大公众交流联系和不确定性的影响至关重要。区域耦合模型实验和大气动力学诊断研究对解决争议和认可其中的联系和不确定性有着至关重要的作用。

北极变暖是明确的、实质性的和持续的

北极气候在过去三十年的变化是巨大的，自1980以来，北极气温的上升至少比北半球的平均气温高出2倍。在60°N以北的陆地上，过去15年中有12年出现了自1900以来最大的年平均气温异常。北极放大还表现为海冰、冰川、雪和永久冻土的消失，一个较长的开放水域季节，以及北极生态系统的变化。海冰在过去的三年中经历了前所未有的下降，体积减少了三分之二。五月份和六月份雪覆盖也出现了类似的下降。北极放大在秋季/冬季最强,在海冰减少最多。夏季气候变暖最严重的地区位于高纬度地区，春季积雪损失率甚至超过海冰损失率。北极变暖现象的扩大有几个原因，所有这些都是基于基本的物理过程。其中包括与反照率有关的反馈，这是由于冰雪和海冰的减少，以及热捕获水蒸气和云层的增加。低层大气温度升高会使中层位势高度升高，导致极低和区域的梯度变化进而改变风型。根据最近的IPCC评估报告中提出的30多个气候模式模拟，北极(60-90°N)未来冬季(11月至3月)的地表温度预计到2040将上升约4℃，标准差为1.6℃，与上个世纪末(1981-2000年)相关联。这大约是预计气温全球增长的两倍，同时也可能伴随着无冰夏季。过去和最近的二氧化碳排放确保了世纪中叶的北极放大和全球变暖。

不确定的气候系统

大尺度大气环流变化与北极放大之间联系的因果机制的和影响，由于干扰系统中信号检测能力差和气候动力学复杂，无论是通过统计分析还是通过有针对性的模型模拟，都会阻碍这一机制的完成。在北极气候系统中，非线性关系很普遍，在这种系统中，反应与强迫的变化不成正比。 此外，在讨论异常天气或气候条件时，因果关系可能有不同的含义。通常，一个因素是必要的，但也可能需要几个补充因素。这会导致混乱，因为只有足够的原因才具有确定性的预测能力。这些因素使关联归因具有挑战性。以前的许多数据和模型分析都是从北极地区的直接变化开始的，例如，海冰减少了，并且至少隐含地假定了准线性的、足够的因果关联。虽然这种方法有助于阐明相关的联系机制，但本文认为，在系统中，多个过程可以掩盖简单的因果关系。

在旋转行星上的热成风系统(即与温度梯度有关）在中纬度地区产生西向东急流。这种流动是动态不稳定的，产生北—南向的弯曲进而产生高低压中心，这会产生极端天气事件除了内部不稳定外，风型的变化是由中纬度大气外部的变化所造成的，这种变化本身可能反映较长时间尺度上的内部变化，例如热带、中纬度和北极无冰地区的海面温度异常。远距离强迫(即中纬度以外的变化，空间上的遥远变化，也许还有时间的变化)可以通过线性和非线性的阿特诺模式(称为遥相关)影响中纬度环流。北极正温度异常的广泛区域可能会增加天气系统的耐受性。此外，对流层-平流层的连接可以触发区域风型的变化。造成缺乏简单可靠联系的因素包括上述四个属性，下面几节将对这些属性进行更详细的讨论。

路径：这是指大气根据风场的不稳定性自发地从一种状态转移到另一种状态，这种状态可以被内部和外部的变化放大，这种状态可以通过非线性机制来实现。图1a，b展示了在不同时间发生的北半球风型(热带-球极涡)的两种结构：图中所示的情况。图1a是2013年11月的一天，在北极有一个相对圆形的流型，而图1b显示两个月后的另一天，呈现出更多的南北波状流动模式。虽然“极地涡旋”通常是指平流层中，但它是讨论对流层高度/风位构型的有用术语，如图1所示。急流从西向东流动，平行于这些位势高度等值线，在等高线最近的地方最强。向和从波浪型移动--历史上被称为指数周期--以及变化的脊纵向位置。在波形之间移动，被称为指数周期，和槽、脊不同的纵向位置是大气环流看似随机的内部变化能力的一部分。一股较强的急流使冷空气从北极向南进入中纬度，脊向北输送暖空气。图1c，d显示了这两天的响应温度异常。对于更多的圆形急流来说，冷异常主要存在于极地地区，而中纬度地区的异常较暖（图1c）。这种特殊的模式在北极周围并不完全对称，因为涡旋的中心被移到西半球。在中纬度地区，较弱的急流有两个暖流和两个冷异常区（图1d），在阿拉斯加和斯堪的纳维亚地区的西部和东部。在过去的十年里，许多与波浪环流模式相关的极端天气事件都发生了。

多项研究表明，描述大气环流变化的物理机制中的流动范式。大气环流在不规则跃迁过程中会在多个状态(称为局部吸引子)之间波动，从而导致月、季、日间时间尺度上的类混沌行为。混沌理论认为，气候系统会破坏稳定，并突然转变为一个新的稳定状态。在年代际的时间尺度上，时间序列中的变化增加是一个可能的预警信号，预示着一种向另一种状态的关键转变。

观测结果是否表明最近大气环流中这些类型的突然变化有所增加？虽然人们可能会预期，随着北极放大急流温度的下降，季节性变率会降低，但最近的观测结果显示，相反的证据表明，在几个环流指标中，存在稳定或较大的环流变化和新的极端现象，例如，AO环流指数的正、负偏移的幅度都有所提高。根据1950年至2014，49年间的数据，在过去的十年中，很明显，从1988/1989年到2014/2015年，中纬度季节内冬季气温的变化有所增加。其他相关的冬季气候指数(如北大西洋涛动(NAO)、格陵兰阻塞指数(GBI)和急流纬度指标)中也出现了相对持续的时期以及年际变化的增加，尽管在未来10年的其他时间，稳定性应该更明显。揭示了越来越多的变率和极端天气是否是气候变化的持续特征，或者环流相关的极端是否被北极放大所削弱。

最先进的气候模型在不同空间尺度上正确模拟产生行程的热力过程和动力过程之间的相互作用的能力是有限的。这方面的一个表现是气候模式继续倾向于不匹配阻塞的频率(对流层风的区域性减缓)。此外，模型中的信噪比可能太低，就像北大西洋公约组织的季节性预测一样。

间歇性:这指的是必要但不充分的因果关系，它暗示着一种不一致的反应，有时明显有时不明显，或者同样的反应来自不同的北极国家。换句话说，这种反应不是强迫的独特功能。如果响应是间歇性的，则需要更长的时间序列和/或更强的信号来检测它们。通常，气候模型和观测数据的相关分析会对气候如何对持续的北极放大和海冰损失作出反应作出不同的估计。例如，在气候系统模型的研究报告中，由于对北极放大的反应，AO和/或NAO的正、负两阶段都发生了变化，或者没有明显的变化。涉及大面积、长时间周期和/或许多集合成员的平均分析可能无法揭示对北极放大的特定大气响应，例如在特定位置出现的增强急流脊和槽。对于联系的一些明确的假设，仍然有不同证明北极变化已经(或没有)已经(或没有)对中纬度的天气产生影响，仅仅是基于观测，因为自从北极放大变得明显以来，这段短时间内就已经发生了变化。

克服信号干扰问题的一种方法是使用模式模拟。大量的气候模拟已经运行，观测到的海冰损失是唯一的强迫因素，在这样大的组合中，可以确定海冰损失的影响需要多少年的模拟才能在内部气候变化的干扰下被探测到。根据用来检测变化的标准，对强迫的时空平均反应往往超过观测记录的长度，这表明，海冰损失的强迫反应可能需要十年或更长的时间，才能明显地从内部变化的噪音中产生。热力响应可能比动力响应更快地被检测到。区域海冰损失可能会在较短的时间内产生强有力的信号。

北极气候系统对可能从根本上改变气候和生态系统功能的外部力量特别敏感。讨论了北极气候系统对海冰损失的非线性阈值行为。对于北极/亚北极气候系统的耦合有定性的假设，建立线性和非线性动力学模型的新方法有非线性自回归模型。（例如，NARMAX）到目前为止，已被用来识别NARMAX冰川变化的影响，格陵兰岛的冰山数量的海洋和大气状况在过去的一个世纪。新的统计和因果关系识别方法、进化算法和贝叶斯层次模型等人工智能技术的应用可能会带来新的进展。

各种中纬度对北极暖化反应的证据正开始出现。连接机制因季节、区域和系统状态的变化，包括热力和动力过程。图2显示了连接和外部强迫的复杂路径网，其中总结了最近选定的参考文献。虽然这些联系影响了整体的整体情况，但从个别的角度来看，它们会受到间歇性的原因和影响。到目前为止，最稳定的区域联系是由案例研究和模型模拟所支持的，表明巴伦支海和卡拉海(斯堪的纳维亚东北)的海冰减少会导致亚洲大陆的寒冷温度。据报道，欧亚大陆中部地区的严冬能力加倍，区域海冰损失增加。但这种单一的联系机制可能是例外，而不是规则。间歇意味着框架允许多个必要因素可能需要准确地描述在多个地点的联系。

多重影响：虽然在未来的情景中，随着北极放大的加强，可能会出现更一致的联系图，但海冰损失只是影响气候变化的许多因素中的一个因素，例如，北美东部的天气受北太平洋和热带太平洋的海温模式的影响76-79，也许还受到北极太平洋地区海冰的损失。2010年2月袭击北美东部的所谓暴风雪，由于厄尔尼诺带来的潮湿、温暖的空气与源自加拿大的冷空气碰撞而增强，下游对巴伦支海和卡拉海地区的影响以建立与东亚的海冰联系而闻名。在巴伦支海和喀拉海地区下游的影响，启动海冰与东亚指出，已连接到北大西洋西部。

北极也可能受到中纬度地区变化的影响。例如，2016年1月至5月期间，全球平均气温以及1880以来最低记录的海冰范围创下了新纪录。热带上层对流层的广泛北极倾向于相反的反应。。最近的研究表明，北极的影响可能已经开始超过热带的影响来解释亚北极的变化。从长远来看，温室气体浓度的上升的直接变暖效应有利于暖气异常而不是寒冷的异常，从而导致整个半球的暖冬趋势。

状态依赖性:北极热力的影响(例如，由于雪和海冰损失而产生的热通量、水蒸气的增加和云层的变化)可以增强或抵消区域位势高度场的振幅。这种反应可能取决于预先存在的大气-海洋条件和指数周期49的强度(状态依赖性)，并且可以被认为是一种特殊的间歇性。例如，模式模拟表明，北美地区气候脊槽模式的扩大，对北极海冰损失的反应，取决于当时的表层海洋状态(图4)，状态依赖有助于解释为什么特定的因果关系可能仅仅是必要的，而不是充分的因果关系。

冬季北极平流层的变化是另一种状态依赖性的机制。在冬季，行星波在对流层和平流层之间传播门，这种传播的影响对平流层极涡的状态很敏感。虽然强涡的特征是西风和冷心的移动相对较快，但突然的平流层暖指数也会出现，其中气温在几天内就会上升超过40摄氏度。这些事件可以减弱甚至逆转平流层风，最终导致环流特征向下传播到对流层，并有向负位相方向发展的趋势。这一机制在热带上层对流层的广泛北极建立记忆有利于相反的反应。 这一机制在系统中建立了记忆，因为深秋的海冰损失和积雪会通过涉及平流层的波引起的扰动的滞后传输来影响冬季后期的对流层急流。只有具有真实平流圈的模型才能捕捉到这一机制。

前景展望

上述四种方法模糊了北极放大、大尺度中纬度和热带海温波动与大气环流内部变化能力之间的各种联系。这些局限性反映了气候系统动力学的非线性，对联系的研究仍是一个未完成的难题。Handorf和Dethloff报告说，大多数科学状态气候模型还不能重现观测到的大气遥相关模式的变化，因为在捕捉现实自然变化以及最重要的遥相关与温度变化模式之间的关系方面存在缺陷。除非模型能够真实地再现这些关系，否则对变暖世界中亚北极气候变化和天气模式的理解仍将是一个挑战。

连锁问题的复杂性和局限性违背了科学中的简约思想、直接因果关系或寻找简单途径的想法。鉴于联系如图2所示复杂网络，一个适

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