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北极海冰融化,巴芬湾,格陵兰岛。图片来源:Hemis / Alamy Stock Photo。T8R85X
格陵兰岛巴芬湾的北极海冰正在融化。 图片来源:Hemis / Alamy Stock Photo。
客人的帖子
2022年2月11日10:00

客座文章:为什么北极比地球上其他地方变暖得更快?

马修·亨利博士

马修·亨利博士

11.02.2022 |上午10:00
客人的帖子 客座文章:为什么北极比地球上其他地方变暖得更快?

而地球表面整体变暖了1.2摄氏度左右自工业革命以来,世界各地的气温并没有以相同的速度上升。

一个不同之处在于与海洋相比,陆地地区正在变暖.但也许最大的例外是北极,它正在变暖比全球平均水平快两倍多(pdf)。

这种被称为“北极放大”的现象正在造成北极群落的巨大变化也与中纬度地区的极端天气事件北半球的。

这种快速变暖的原因通常被认为是北极表面“反照率”的变化——那里积雪和海冰的减少意味着入射阳光反射回太空的减少。

但实际情况比这要复杂一些。一篇新论文发表在地球科学前沿biwei6868,我和我的合著者揭示了导致北极快速变化的不同因素。

放大变暖

下图显示了全球(蓝线)和北极(红线)相对于1951- 1980年的年平均地表温度。自1990年左右以来,北极明显比地球上其他地方变暖得更快。

北极(红线)和全球平均(蓝色)1950 - 2020年的年平均地表气温异常。线性趋势线(虚线)也显示在1990年至2020年期间。来源:数据来自GISTEMPv4,图表由Zack Labe绘制
北极(红线)和全球平均(蓝色)1950 - 2020年的年平均地表气温异常。线性趋势线(虚线)也显示在1990年至2020年期间。来源:数据来自GISTEMPv4,图表由扎克拉贝河

北极的这种放大变暖通常仅仅是由于surface-albedo反馈.1896年,瑞典化学家Svante Arrhenius指出“那些通过积雪覆盖的进展或消退来改变反照率的地方……可能会消除低平行点与两极附近地区(二氧化碳增加)的最大影响”。

原因很简单:冰雪是白色的,因此可以反射大量的阳光。在最初的变暖和冰雪融化之后,白色的表面被开阔海洋的深色表面所取代,后者吸收了更多的阳光,从而导致额外的局部变暖。

虽然众所周知,北极变暖加剧的原因比表面反照率反馈要复杂得多,但这种机制的简单性抓住了围绕北极变暖的叙述,尤其是在公众中。

根据计算方法的不同,地表反照率反馈可能占北极变暖总量的30%至60%。然而,下面描述的其他过程触发了地表反照率反馈(水蒸气的作用),并将北极变暖限制在地表(没有对流)。因此,很难准确量化单个过程对北极变暖的影响程度。

对流

虽然我们只能观测一个地球,但我们可以使用气候模型来观察一个没有冰的世界的变暖模式。许多模型已经发现,在没有海冰的情况下当海冰在高排放情况下完全融化时在美国,北极的变暖模式仍在扩大——尽管没有海冰减少时那么严重。

就像生物学家研究细菌、果蝇和老鼠来推断关于人类系统的知识一样,气候科学家使用一个理解复杂地球系统的气候模型层次

例如,下图是来自一个理想的气候模型那里没有冰,没有云,也没有海洋环流。虽然这个基本模型不如综合模型用于模拟冲击未来排放情景,这有助于我们了解气候系统,因为它更容易理解。

这些图表显示了冬季(左)和夏季(右)全球大气中二氧化碳浓度非常高的世界(1200ppm)和工业化前世界(300ppm)之间的大气温度差异。(作为比较,目前全球二氧化碳水平是410 ppm左右)。x轴表示纬度,从左边的南极(北纬-90度)到右边的北极(北纬90度)。

图表中最引人注目的是热带地区全年对流层上层(约200 hPa)的变暖——由北纬-30度至30度的大片红色区域显示。然而,在冬天,你也可以在北极的地球表面(约900 hPa)看到一片红色。即使在这个没有冰和云的假想世界里,北极也在变暖大约1.5倍比地球上其他地方全年都要多。

例子来自一个没有冰、没有云、没有海洋环流的气候模式(Isca气候模式)。北半球冬季(12月、1月、2月)(a)和夏季(6月、7月、8月)(b)大气CO2浓度1200ppm和300ppm之间的差异。来自Henry和Vallis(2021),被《气候杂志》(Journal of Climate)接受。
来自一个没有冰、没有云、没有海洋环流的气候模型的例子(伊斯卡气候模式).1200ppm和300ppm大气CO的差异2北半球冬季(12月、1月、2月)(a)和夏季(6月、7月、8月)(b)集中亨利和瓦利斯(2021)在《气候杂志》上发表。

高纬度地区出现更多变暖的关键原因之一——即使在没有海冰的情况下——是高纬度地区缺乏对流。

当靠近地面的空气被温暖的地球表面加热时,就会发生对流。暖空气比上面的冷空气轻,因此开始上升。在热带地区,地面和地面上方的空气总是受到太阳的加热,因此有很多对流,大气与大量上升的空气“很好地混合在一起”。

然而,在高纬度地区,阳光与地表之间的夹角意味着入射阳光在地表上的集中程度较低。结果,大气主要被来自热带地区的暖湿空气加热,这意味着垂直混合要少得多。

人类排放的二氧化碳和其他温室气体所增加的温度通常会使大气升温最接近地球表面的地方.在对流存在的情况下,这种升温在垂直方向上混合。然而,在高纬度地区,比如北极,由于缺乏对流,导致温室气体在地表附近的升温幅度更大。

地球表面对流的简化图。资料来源:Matthew Henry
地球表面对流的简化图。资料来源:Matthew Henry。

水蒸气

北极变暖加剧的另一个关键原因是从赤道到两极的水汽输送增加。

来自热带的暖湿空气被大气环流输送到两极,使赤道和两极之间的温差相对较小。

作为一个温暖的大气能保持更多水分,我们预计随着全球气温上升,热带大气中会有更多的水蒸气。这些额外的水分被输送到两极,在那里凝结并释放热量。

此外,北极大气中额外的水蒸气导致温室效应增加,并影响云的形成,这两者都可能导致北极表面进一步变暖。

从赤道到两极的水蒸汽运输的简化图。资料来源:Matthew Henry
从赤道到两极的水蒸汽运输的简化图。资料来源:Matthew Henry。

季节性差异

北极放大的另一个重要特征是它主要发生在冬季。

这主要是由于北极海冰的减少。液态水有很大的“热容量”——它需要很长时间来加热和冷却。因此,当夏季和初秋海冰融化时,北冰洋吸收的阳光就会增加。

这些储存的热量在冬天被释放出来,那时没有阳光,大气比下面的北冰洋还要冷。

下面的地图突出显示了1960-2020年和2010-20年北半球冬季(左上)和夏季(左下)平均地表温度的差异。最深的红色阴影表示温度上升幅度最大。

右边的图表显示了地球上每个纬度点的平均温度变化——从左边的南极(北纬-90度)到右边的北极(北纬90度)。这再次表明北极的放大主要是冬季(红线)现象。

对流和水蒸气的缺乏也会影响南极洲,导致南极变暖加剧。但由于南极大陆海拔较高,地表反照率反馈较小,相对于北极较弱。此外,由于南大洋环流,从深海带来冷水,使表面冷却,它被推迟了。

2010-20年北极地表温度相对于1960-2020年的季节异常和各季节的地带性地表温度异常。DJF和JJA(左侧地图)分别对应北半球的冬季和夏季。MAM和SON(右图)分别对应北半球的春季和秋季。该图显示了每个季节的温度异常——冬季(红色)、春季(蓝色)、夏季(绿色)和秋季(紫色)。资料来源:GISTEMP。图来自Taylor et al (2022)
2010-20年北极地表温度相对于1960-2020年的季节异常和各季节的地带性地表温度异常。DJF和JJA(左侧地图)分别对应北半球的冬季和夏季。MAM和SON(右图)分别对应北半球的春季和秋季。该图显示了每个季节的温度异常——冬季(红色)、春季(蓝色)、夏季(绿色)和秋季(紫色)。来源:数据来自GISTEMP.图来自Taylor等人(2022).

代理数据

冰反照率反馈的简单性抓住了围绕北极放大的叙述。然而,这种变暖模式现在被认为是高纬度地区几乎没有对流的潮湿大气的基本特征。

地球保存着过去气候的记录今天的科学家可以分析各种“代理”——如贝壳、钟乳石、花粉和海豹皮——来推断全球气候可以追溯到数百万年前

对遥远过去气候的研究表明,无论气候是寒冷还是温暖,人类的寿命都在延长北极的地表温度变化仍在扩大

即使全球气温上升到所有北极海冰都融化了——这不是任何人都希望看到的前景——我们仍然预计北极变暖的速度会更快。

Taylor, P. C.等人(2022)过程驱动因素,模式间传播,和前进的道路:放大的北极变暖的回顾,地球科学前沿,biwei6868doi: 10.3389 / feart.2021.758361

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