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北极变暖对中纬度急流的影响：能影响吗？有影响吗？将影响吗？
北极低层大气变暖比全球整体变化迅速地多，且伴随着前所未有的海冰融化。如此大的生态环境变化已对北极地区的植物群、动物群和居民造成深远影响。但是，一个有待回答的问题是，这些北极的变化是否对急流有影响并因此影响了更南部的天气模式。这个广泛的问题最近得到了科学界和媒体的许多关注，但结论似乎相互矛盾而非一致。我们认为引起该困惑的原因之一是因为提出的具体问题模糊不清。在这项研究中，我们把我们的调查表述为三个具体问题：北极变暖能影响中纬度急流吗？北极变暖对中纬度急流有显著影响吗？北极变暖将显著影响中纬度急流吗？我们认为把讨论围绕：能影响吗？有影响吗？将影响吗？这三个问题展开不仅有助于洞察关于北极变暖对中纬度急流的影响的已有文献中的共同主题，同时也突出了今后研究北极变暖对中纬度急流的影响要面临的挑战。
引言
近期北极海冰消失及表层变暖影响北半球急流的可能性和因此导致的北半球中纬度区域的极端天气，最近已引起科学上和媒体的广泛关注。2012年超级飓风桑迪登陆造成的灾难1，北美2013/2014年冬天的低温2、2009/2010年冬天的寒冷多雪和2010/2011年欧洲3,4、北美一阵极端的夏季天气5-7，在科学文献和媒体中，这些都与过去十年间北极海冰消失有关。此外，有迹象显示，在未来的数十年中，会继续看到北极前所未有的海冰减少和近表层温度升高，中纬度极端天气可能变得更加普遍7,8。这个假设广为人知，以致于许多非科学家相信未来北极变暖将对他们生存的天气有巨大的影响9。但是，这些观点并不由气候科学界共享，一些科学家认为实际上没有鲁棒的证据显示在北极变暖和中纬度气候间有这样一个联系10。例如，在即将到来的数十年里，寒冷气候的机会实际上可能由于北极变暖而减小2,11-13。
北半球急流压缩了中纬度大尺度大气环流，而且是天气风暴扩大、传播的“河”。考虑到急流同风暴轴强烈联结并且以这种方式与表面天气相关，我们在此限制我们的讨论为北极放大是否是中纬度急流多变的巨大驱动。我们认为，在某种程度上，是由于提出的具体问题和用来回答它的证据的模糊而产生了困惑。具体来说，显示北极能影响中纬度急流的证据可能被错误地解释成北极有显著影响或它在未来会有显著影响的证据。因此，我们选择把讨论架构在三个相关但有区别的问题上：
1、北极变暖能影响中纬度急流吗？
2、北极变暖对中纬度急流有显著影响吗？
3、北极变暖将显著影响中纬度急流吗？
在接下去的内容中，我们简短地讨论了这三个问题每一个的科学定义，并在回答每个问题的过程中表达了一些面临的难题。
我们注意到，科学讨论的一个可能关键是短语“显著影响”的定义。这个短语“显著影响”是否意味着在一个统计学语境中，影响和一些无用的假设相比较？或许它意味着这些影响被普通人注意到？或许它意味着到达一个特殊的社会经济学风险起点？可以确定没有一个单独的答案适用于以上所有例子，而关于这个话题的深入讨论远超过该领域的观点文章。但是，我们希望能清楚地陈述在上面的内容中架构的问题，我们定义“显著影响”意味着可以从中纬度环流的背景内部变率中区别出来。这不是说其他定义是无效的:我们只是不在这里探讨它们。
能影响吗？
判断北极变暖是否能影响中纬度急流，需要从气候变率的其它方面中把北极变暖的影响分离出来，因此，典型地不能仅使用观测资料来决定因果联系。相反，“能影响吗？”这一问题最好用设计好的模式模拟和支撑的理论观点来探讨。
模式作用
全球大气环流模式(AGCM)强制海冰消失或北极变暖的实验已被广泛使用来探讨北极能否影响中纬度环流。几乎所有这些实验都证明了一个清楚的因果关系——北极变暖对中纬度环流的影响14-17。在许多这些研究中，冬季北半球环流被发现表现出一个更微弱和偏赤道方向的急流（经常解释为负的北极涛动/北大西洋涛动），和更温暖更少海冰覆盖的北极响应18-20。这个大尺度响应同北欧和南美东部的更冷更干的冬天相联系。事实上，这个减弱的偏赤道方向的急流转变对极地变暖的响应也能在一个非常简单的模式中模拟，比如在一个强迫表层增温的干动态核心中21(图1)。因此，模式模拟清楚地证明了北极变暖能影响中纬度地区的急流（因而影响表层天气）。但是，我们注意到在大多数模拟中，和内部变率相比，响应很小，下一部分中将讨论更多细节。
即使是这样经过仔细设计的模式研究也并不总能支持大气对相同北极变化的响应。近期的工作证明，两个最新型的相同强迫海冰消失的AGCM模式实验提供了显著不同的环流响应22：一个模式没有产生显著的北极涛动响应，然而另一个提供了一个正的北极涛动响应。因此，不仅模式同环流变化不一致，模式所表现出的负北极涛动响应也和在其它模式实验中辨认出的不一致。其它研究证明相同的模式能对北极表层变化产生相当不同的响应，这取决于海冰和强迫的海表温度异常的准确细节23。因此，尽管模式实验始终表现出中纬度急流对北极表层变化的响应，响应的性质远非鲁棒性的且非常可能是非线性的。
一个不同的模式方法是当北极状况已知时考虑后向预报（可追溯的预报）的改进，或者不改进。然而预报仅基于已知的初始条件作预测，后向预报能有选择地合并观测的天气演变的一些方面（即，实际发生了什么）来看这些方面的知识是否在其它方式上影响了后向预报。研究证明在合并已知北极状况演变的后向预报作出了对中纬度冬季天气更现实的描述（例如，表层温度和中对流层环流）24,25。在模拟中纬度环流中的这种改进似乎是强迫一个更真实的北极状况并因此构成北极对中纬度影响证据的另一部分的结果。
图1∣在一个简化GCM中对极地表层加热的环流响应。（a）在GFDL干动态核心中应用的热强迫（K/day）。（b）总涡旋动量通量响应（阴影）（m2/s2）和纬向平均的纬向风响应（等值线）（m/s）。粗黑实线代表对对流层的控制。模式模拟是在永久的赤道状态下进行的。
综合
模式证据有力地证明了近表层北极变暖和海冰减少能改变中纬度急流。但是，当我们问及环流是如何响应北极变暖时，难题产生了。影响究竟是如何从高纬度传播到低纬度的？它是如何体现在中纬度的远没有理解。许多机制和可能的途径已经被讨论过了（见Box1），但是，没有一个单独的主导途径出现，部分归因于模式本身对响应的不一致。最后，北极变暖能影响中纬度环流的事实并不意味着它有显著的影响，也不意味着它将在未来有显著的影响。我们将在接下来的部分中解决这另外两个问题。
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BOX 1 北极变暖影响中纬度天气的可能途径 降低的经向温度梯度 如果北极表层变暖比低纬快，热带和极地低对流层温度差异将减少。降低的梯度可能导致斜压性降低，因此减弱了风暴活动。此外，经向温度梯度减少预计会使中纬度温度变化更小。如果是这样，我们可以预计极端天气会比单独由气候朝更暖的温度移动所导致的极端天气更少11,12。 一个更蜿蜒的急流 通过一个广泛争议的机制，北极变暖能影响中纬度极端天气，这个机制在急流波动中始终变化。如果经向温度梯度减少（见上），一个假设是，中纬度地面风、风暴轴和对流层高度保持不变，由于温度和风的关系即热成风平衡（其中表明降低的经向温度梯度与降低的风的垂直梯度有动态联系），急流预计可能减缓。Francis和Vavrus8假设，减缓的急流可能导致更加扩大的罗斯贝波，这增加了大气阻塞的频率，因此导致中纬度持续的极端天气。但在近期的文献中，这个假设遭到质疑26-28,42,48，它导致了更极端的温度变化，而我们注意到上一部分中所描述的途径会导致更小的温度变化。 被困的大气波 Coumou et al.7提出了一个相似但不同的机制，一个更弱的经向温度梯度促进了急流分离的发生。当急流分离成两个不同的细丝，双急流结构出现，通常一个伴随偏向北的路径，另一个伴随偏向南的路径，这种急流模式在夏天比冬天更常见。这些双急流作为障碍困住了中纬度低层大气流动。在这种情况下，称为“准共振”5,7，环流模式往往停滞，导致一阵持续的夏季极端天气。 改变的风暴轴 在更大的区域尺度中，由于新开放海洋比周围海冰表面暖，海冰的变化能改变当地温度梯度。这导致当地新开放水上层的大气变暖，能引起顺流作用的异常行星波活动30,39-41。在海冰-海水边界处的巨大温度梯度充当中尺度风暴系统成长的热点。随着平均海冰边缘迁移到一个变暖的气候中，气旋区也一样，这能通过改变风暴轴来影响更大尺度环流38,49。 减弱的平流层极涡 另一个可能途径包含对流层和其上的平流层间的双向作用。行星尺度的罗斯贝波从对流层传播到平流层。这些波动到达平流层时破碎（类似沙滩上的海浪），这种平流层波浪破碎影响了极涡强度。在早冬，增强的垂直波动传播往往减弱并使极涡升温。早冬平流层的异常在中-晚冬下降到对流层。具体来说，减弱的平流层极涡常优于北极涛动或北大西洋涛动的负位相，这往往和地面寒冷的中纬度冬季相联系。尤其是在巴伦支海和卡拉海，减少的秋季海冰被认为引发异常的垂直波动传播进入平流层。这个过程减弱了极涡，使北极涛动转变成负位相，最后，促进北美和欧亚大陆寒冷的冬季状况15,50。 |
有影响吗？
过去的三十年，北极海冰展现出前所未有的衰减。同时，近表层北极空气温度大幅增暖，超过全球平均水平。许多人问的问题是，“北极的快速变化对我生活地区的天气有显著影响吗？”即使不是不可能，因果关系也很难仅由观测资料明确决定。此外，在这一领域的科学家甚至对中纬度急流是否被检测到显著的变化没有达成共识，更不用说北极变暖是否对其有影响。
观测证据
过去几年中，多次研究报导了近地面北极变暖改变了中纬度急流的观测证据。尤其是Francis和Vavrus8（Box 1中提及）所做的一个研究，获得了大量关注。这个研究表明，在除春季外所有季节的急流中，北极变暖导致了环流模式移动更慢以及急流位置的南-北偏差更大。但是，这项工作收到了来自大气科学团体的众多批评15-17。具体来说，就是观测资料不支持这个假设的机制26-28，而且结论对方法的选择非常敏感26,27。
其他研究试图寻找大气环流和北极状况（海冰和温度）在历史上的相关性，借此解决“北极变暖对中纬度急流有显著影响吗？”这个问题4,6,29-31。这个方法有重大缺点，因为因果关系很难单独用观测资料证明，而且没有一个稳固基于大气动力学的假设，几乎不可能确定北极变暖有与中纬度急流变化的因果关系。下面我们列举了处理这类问题的观测研究中遇到的三种主要障碍。
从内部大气变率去耦合
单独使用观测资料的主要问题之一是，中纬度环流的内部变率很大。例如，急流位置年际变率可以达到10个纬度（图2）。即使在年代际的时间尺度上，急流和相关风暴轴在强度和位置（图2）波动均表现出了增强32。因此，仅有30年可靠的卫星时代大气（和海冰）数据，几乎不可能从背景变率中辨别出一个强迫信号17。为更进一步支撑急流内部变率是起主导作用这一观点，Screen et al.22在分析了一个模式模拟集合里中纬度环流变化，这些模拟中海冰密集度以观测的速率减少。该研究的结论是：如果只是北极海冰发生变化，将花费50年或更长的时间来从内部变率中分辨出大尺度风强迫信号。
图2∣急流的内部变率。（a）冬天时间序列（12-1-2）表示急流纬度，和（b）来自20世纪再分析数据的急流速度（黑色），整体范围内有plusmn;2的标准偏差（阴影）。粗线显示有平滑的7点二项式滤波，这强烈抑制了短于5年的时间尺度。红线表示来自近几十年的NCEP–NCAR再分析数据。
箭头所指的是哪一个方向
相关性与因果关系问题困扰着所有科学，中纬度天气与北极关联话题也不例外。例如，尽管还不清楚北极状况在驱动中纬度急流变化中多么重要（这篇文章的题目），但中纬度环流是北极气候的重要驱动在科学界中是广泛接受的。33-35在这样一个强耦合的系统中，仅使用观测资料诊断原因和影响是一个几乎不能解决的问题。由于这个原因，近期的工作转向了使用“模式归因”方法来研究这个问题，多个研究暗示北极外围海表温度的波动是过去二十年间北极变暖的重要驱动因素10,34-37。因此，如果近期北极变暖部分由极地冰帽外的过程驱动34,35(图3)，在高纬变暖和低纬环流模式间的任何显著相关都能反映中纬度强迫北极的角色，而不是后者对前者的驱动。
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