杨修群教授课题组研究揭示北极放大效应与中高纬向极热量和水汽输送的正负反馈机制


发布时间:2022-05-05浏览次数:15


我院杨修群教授课题组近期发表于Climate Dynamics的研究工作揭示了北极放大效应导致冬季中高纬大气向极热量和水汽输送的变化特征及其成因,并探讨了这些热量和水汽输送变化对北极变暖的反馈作用。

北极是全球气候变化的敏感区和关键区。近几十年来,北极的增暖速率是全球平均的两倍以上,这一现象被称为“北极放大效应”(Arctic amplification)。北极放大效应可能对中纬度大尺度环流以及极端天气等产生重要影响,但它与中纬度气候变化的联系目前还存在很大的争议。此外,冬季中纬度波流系统的变化会引起怎样的向极热量和水汽输送反馈仍不清楚。因此,研究北极放大效应对中高纬大气向极输送的影响及其反馈作用,有利于弄清北极对中纬度天气气候的影响,并且完善对北极放大效应形成机制的认识。

本研究使用了五套不同分辨率的再分析资料。一方面考虑到北极观测相对较少,再分析资料不确定性较大;另一方面,研究组前期工作指出,高分辨预报模式得到的再分析资料能更准确地分辨出中纬度瞬变波活动以及瞬变波和平均流的相互作用过程。

结果表明,伴随北极放大性变暖,北极对流层显著增温、增湿。中高纬定常波,特别是定常一波向极的热量和水汽输送增加,有利于北极进一步增温和增湿,因此定常波输送对北极放大效应可能起到正反馈作用。同时,北极放大性变暖会减弱大气经向温度梯度,导致大气斜压性减弱,从而引起瞬变波活动减弱。因此,瞬变波向极热量和水汽输送相应减少,不利于北极增温、增湿,对北极放大效应可能起到负反馈作用(图1)。由于相反的定常波和瞬变波向极热量输送相互抵消,导致总的向极热量输送变化较小,对北极温度和水汽贡献也较小(图2)。而对向极水汽输送而言,增强的定常波作用占主导,造成总的向极水汽输送在中高纬明显增加(图3)。

这些变化特征在年代际和年际时间尺度上均成立。四套高分辨率再分析资料中向极输送变化结果较为一致,而与相对低分辨率的NCEP2再分析资料差异较大。我们的研究区分出了北极放大对中高纬不同尺度波动的热量和水汽输送的影响,强调了水汽输送的正反馈作用及其对冬季北极放大性增暖的重要性。

上述研究成果于2022年发表在大气科学领域国际一流期刊《Climate Dynamics》,论文第一作者为我院博士生桑小卓,通讯作者为杨修群教授。研究受到国家重点研发计划项目(2018YFC1505902)、国家自然科学基金(41621005、41875086)以及江苏省气候变化协同创新中心的资助。


文章链接:

Sang, X., Yang, X.-Q.*, Tao, L., Fang, J., & Sun, X. (2022). Decadal changes of wintertime poleward heat and moisture transport associated with the amplified Arctic warming. Climate Dynamics, 58, 137-159, https://doi.org/10.1007/s00382-021-05894-7.

Sang, X., Yang, X.-Q.*, Tao, L., Fang, J., & Sun, X. (2022). Evaluation of synoptic eddy activities and their feedback onto the midlatitude jet in five atmospheric reanalyses with coarse versus fine model resolutions. Climate Dynamics, 58, 1363-1381, https://doi.org/10.1007/s00382-021-05965-9.


图1 北极增幅性增暖对中高纬度定常波和瞬变波热量和水汽输送的影响及其可能的反馈的示意图。


图2 冬季纬向平均总扰动向极热量输送(左列)、定常波向极热量输送(中间列)和瞬变波向极热量输送(右列)在1999~2016年与1981~1998年的差值的高度-纬度剖面图(单位:K m/s)。从上至下分别为NCEP2、ERA-Interim、JRA-55、MERRA-2和CFSR再分析资料。打叉区域表示通过90%的显著性t检验。


图3 同图2,但为冬季向极水汽输送(单位:10-4 kg/kg m/s)。



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