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在纽约的中央公园降雪后的早晨。 信誉:奥利维尔古伯特勒/ alamy股票照片
极端天气
2019年1月31日16:56

问答:北极变暖与“极地漩涡”和其他极端天气如何?

罗伯特麦克韦尼

罗伯特麦克韦尼

31.01.2019 |下午4:56
极端天气 问答:北极变暖与“极地漩涡”和其他极端天气如何?

过去的一周看到了一些残酷的天气击中了美国和加拿大。寒冷的北极空气向美国中西部到美国中西部,六个州已经看到了温度低于南极至少八个人已经死了由于极度寒冷。

英国本周也将迎来降雪,但规模不及美国。

寒冷的天气促使总统特朗普到鸣叫:“全球争论到底是怎么回事?[SIC]。“这跟着更早鸣叫它“现在就没有一点老式的全球变暖就不会糟糕!”

特朗普的评论收到广泛的嘲笑来自科学家和媒体,许多文章都指出特朗普是令人困惑短期气候的短期天气事件,那个极端的寒冷天气仍然发生在温暖的世界里

寒冷,雪的天气也伴随着一个慌乱的故事关于“极地涡旋”以及它如何给北半球北美、欧洲和亚洲的中纬度地区带来极端天气。但这并不是北极影响更南部地区的唯一方式。

在过去十年左右,越来越多的研究已经提出了快速北极变暖的方式可以导致寒冷的冬天,夏季热浪甚至洪水以及在中纬度的洪水和干旱。

一些科学家们表示,气候变化和北极海冰损是这些事件的根本原因,但其他人则更加谨慎。

在这个详细的Q&A中,碳简短谈到科学家们关于必威手机官网北极变暖和中期天气之间的潜在联系,这些理论看起来像是如何衡量的。

理论是什么?

北极正在变暖是前者的两倍多比全球平均水平。这种现象被称为“北极扩增”。部分地,这源于海冰盖的快速损失在该区域。随着北极海冰的减少,来自阳光的能量将被明亮的白色冰被反射,而必威体育在线注册是被海洋吸收,导致进一步变暖。(在北极地区的雪覆盖下降效果。)

夏季和初秋初期看到北极海冰覆盖最大的下降。例如,自1979年以来,平均9月海冰范围每十年减少约13%。

线图显示平均9月北极海冰范围从1979年到2018年。黑线显示每年月平均值;蓝线表示趋势。来源:NSIDC.

1979年至2018年9月平均北极海冰范围。黑线表示每年的月平均值;蓝线表示趋势。来源:国家冰雪数据中心

北极扩增也是由温度反馈.随着地球的表面温暖,它会让更多的能量恢复到空间。必威体育在线注册但与北极相比,较少必威体育在线注册的能量辐射回到北纬,这意味着该区域更快地升温。

最近的研究表明,北极的这些快速变化可能会进一步击败南方的影响。虽然温暖的北冰洋进一步抑制海冰生长,但它也会产生更温暖和更潮湿的气团在北极和附近的大陆。变暖的北极也降低了与中纬度的温度差异,这对大气中的循环模式(更稍后再次)具有后果的影响。

该理论认为,这些变化导致了北美、欧洲和亚洲异常和极端天气的增加。

研究倾向于专注于与极其寒冷的冬季的北极连接,例如加倍可能性的加倍欧亚大陆中部的严重冬季和2013-14冬季冬季的延长了很冷的咒语,锯91%伟大的湖泊冻结了。然而,北极变暖的影响也与之相关夏天的热浪,例如俄罗斯2010年,和夏季干旱在美国。

一些科学家进一步提出,北极特定地区的温暖期会影响中纬度地区的特定地区。例如,2015年自然地球科学biwei6868研究发现,低于巴伦海域和东西伯利亚 - 楚科奇海地区的温暖比平均气温分别导致东亚和北美的寒冷冬季。

该理论似乎是违反直观 - 特别是在温暖的气候中更极端寒冷的冬季的想法。但重要的是要注意,虽然一个国家或大陆可能会看到一个短期爆炸的非常寒冷的条件,但整个世界仍在变暖。

下面的地图显示了2019年1月31日的温度与长期平均值相比。

2019年1月31日的全球气温地图,从1979-2000基线中显示为异常。由缅因大学气候变化研究所的气候重叠策,气候变形仪,气候变化研究所的NCEP全球预测系统(GFS)模型。

2019年1月31日的全球气温地图,从1979-2000基线中显示为异常。地图是从中生成的NCEP全球预测系统(GFS)模型,气候重新分析,缅因大学气候变化研究所。

然而,虽然普遍认为,北极和中纬度天气之间存在相关性,但有些科学家们争辩说因果关系尚未得到证实。换句话说,尽管这两者可能有联系,但科学家还不能确定温暖的北极是否直接导致了美国本周经历的那种极端天气。

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理论在哪里起源?

北极条件和中纬度天气之间存在联系的想法由来已久。詹姆斯教授屏幕,气候科学副教授biwei6868埃克塞特大学说,对该主题的一些最早的研究是由瑞典气象学家出版的Hugo Hildebrand Hildebrandsson教授1914年和俄罗斯海洋学家Wladimir Juljewitsch Wiese.1924年。屏幕向碳简短解释:必威手机官网

“希尔德斯森假设欧洲的冬季条件取决于格陵兰大海的夏季海冰范围;Wiese在东格陵兰岛和挪威海的海冰与北大西洋的天气模式,包括风暴的频率和道路。“

最早的建模研究来调查链接可能是1978年的纸张每月天气预报屏幕说,一对美国宇航局科学家。该研究使用了早期的气候模型,表明海冰变化是“能够在高中和中纬度的某些地区改变当地气候”。

在2005年,犹大博士科恩博士,季节性预测总监大气和环境研究(烧架),与他的同事马修巴洛一起,撰写了一个气候杂志提出了气候变化与北极海冰下降和自然波动的负阶段的关系的论文北极振荡

阴性北极振荡是“基本上与弱极性漩涡同义,并且与欧亚和北美的严重冬季天气强烈相关”,科恩解释了碳简介。必威手机官网(在文章后面的“极性漩涡”上有更多。)

然而,直到本世纪到目前为止出现在利基研究区之外。北极海冰中的戏剧性下降2007年2012年屏幕表示,造成了“兴趣爆炸”。一个2007年气候杂志研究了北极海冰和海面温度变化的气氛如何响应“现代经典”。蒂姆博士Woollings.他是一名自然气候科学讲师biwei6868牛津大学.虽然2009年地球物理研究字母日本科学家的论文调查了“低北极海冰最小值在初秋对欧亚冬季气候的影响”。

就目前关于温暖北极和中纬度极端的环节的讨论而言,第一篇论文可能是2012年地球物理研究快报经过珍妮弗·弗朗西斯教授罗格斯大学斯蒂芬博士Vavrus威斯康星大学 - 麦迪逊Woollings说。

正如弗朗西斯向碳简介解释,她的论文是“第一个提必威手机官网出的北极放大对各种极端天气的影响,这就是它在发表时得到如此多的关注”。

从那时起,已经稳定的论文汇集了北极在中间纬度的极端可以使极端变暖。

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有什么机制?

北极放大的不同理论可能会影响中纬度,广泛地分为三个主要类别:那些专注于“波浪”喷射流,平流层极性涡流和“波共振”的那些。

2014年自然地球科学biwei6868审查文章试图将不同的理论与单个原理图结合起来:

影响北半球中纬度天气的示意图。资料来源:Cohen et al. (2014)

影响北半球中纬度天气的示意图。来源:科恩等。(2014年

波浪射流

第一理论侧重于对流层 - 大部分天气都有大部分天气的最低层。特别是,它涉及极地“急流“ - 在大气中高速流动的空气乐队。

喷射流是中纬度地区天气的全年特征。例如,如果喷射流路径向南移动,则它从北极拉下冷空气。当它摇摆北时,它会从热带地带带来暖气。

喷射物流的强度是由北极对北方的寒冷空气之间的温度差异和南方升级的差异驱动。弗朗西斯和VAVRUS纸(在上一节中提到)提出,因为北极更迅速比中纬度更快,因此温差正在下降,这导致射流较弱。弗朗西斯解释碳简介:必威手机官网

“较弱的射流通过其路径中的障碍物,例如山脉,不同的海面温度模式和从染色热带风暴的能量注射的障碍物,从其大致西部到东部的轨迹更容易地偏离。”必威体育在线注册

这些转移从其路径增加了一个可能性的可能性波浪喷射流模式弗朗西斯说。当喷射流带来较大的南北蜿蜒 - 被称为“罗斯比波” - 暖气可以穿透北方和冷空气可以释放南方。

弗朗西斯说,较大的波浪也意味着从西到东部移动到东部的系统往往往往会慢得多,“有效地使天气条件更加坚持”。

“当一种特定的天气模式长时间停留在同一个地方,它就可能成为一种极端事件——想想干旱、导致洪水的长时间降雨、持续的寒冷期和长期的热浪。”

下面的视频,由阿斯彭全球变革研究所,提供了这个过程的整齐插图。

另一个相关机制侧重于“风暴路径”。这些是在陆地和海洋上相对狭窄的路径,通过这些路径,风暴天气系统往往被盛行风推动。

在北半球,风暴路径的位置受到一种自然波动的影响北大西洋涛动(nao)。这描述了坐落在葡萄牙西部的高压与葡萄牙西部的气压之间的差异,以及冰岛的低压。

显示北大西洋振荡正负相位的两个地球仪的插图

北大西洋振荡的正面(左)和负(右)阶段的例证。信用:遇见办公室

当NaO是“正面” - 而且压力差比通常 - 风暴轨道转向杆子,将富裕的空气带到北美和欧亚冬天,让北极非常冷。当它是“消极的” - 并且压力差弱 - 风暴轨道转向赤道,欧亚北部北部的冬季美国东部往往更严重,而北极相对温和。

这通常被称为“温暖的北极 - 冷大陆“(wacc)模式。

虽然NAO自然是高度可变的,一些研究研究表明,在过去20年里,由于北极海冰覆盖面积的减少——这意味着寒冷的冬天更加常见——北极海冰面积变得越来越小。

如下图所示,它显示了1990年至2013年冬季气温的趋势。红色的阴影表示北极地区的显著变暖,与欧亚大陆和美国的寒冷蓝色形成鲜明对比。

1990-2013年北半球冬季(12月、1月和2月)地表温度趋势图。阴影显示增加(红色)和减少(蓝色)。左边的图表显示了不同纬度的趋势(每十年的C度)。资料来源:Cohen et al. (2014)

1990-2013年北半球冬季(12月、1月和2月)地表温度趋势图。阴影显示增加(红色)和减少(蓝色)。左边的图表显示了不同纬度的趋势(每十年的C度)。来源:科恩等。(2014年

极地涡旋

第二种机制是平流层的特征 - 对流层上方的大气层。这层层是“Stratospheric Polar漩涡”的所在地,这是大部分的焦点最近的新闻报道关于美国的极端寒冷天气。

平流层极性漩涡是一个低压天气系统,坐落在北极上方约50km。(南极相当于一个相同的一个。)其主要特征是围绕北极的强大的西到东风。这些风称为“极夜喷射“因为他们只出现在黑暗的北极冬天。

与对流层中的喷射流一样,极性夜间射流在非常冷的北极空气和中纬度地区的温暖空气之间形成边界。但是,如果某些东西破坏了它的平流层极性漩涡,它可以削弱,相反的方向甚至分成两个。这可以触发a突然平流层加热(SSW)发生在北极上空的空气塌陷事件,导致平流层温度急剧上升在几天内多达50℃

如下图所示,这允许冷空气在遵循的几周内储存极性涡旋才能溢出到中纬度。这是带来的“东方野兽“2018年到英国,是目前冬季击中美国的戏剧性天气的根本原因。(也值得注意的是,较少戏剧性的平坦障碍物也可以对中纬度的敲击效应,但在不太极端的方式。)

极地涡旋biwei6868背后的科学。学分:NOAA

极地涡旋biwei6868背后的科学。信用:Noaa.

NASA下面的动画显示了过去一周南方的冷北极空气在美国的南部。

SSWS不是一种新的现象。它们通常每隔一年都发生,虽然它们的频率从十年到下一个波动.去年发布的研究大气化学与物理学在21世纪,建议在21世纪中有“未来的主要流水墙突然变化的稳健性。

SSW事件的触发通常是对流层的自然天气模式或扰动。例如,这些干扰的一个共同来源是由El Nino-Southern振荡(ENSO)。

2014年自然通信由韩国科学家们领导的研究表明,北极的低秋天的低海冰覆盖可能会使这些干扰更有可能 - 在北半球冬天发挥作用。

和2018学习, 由...领着玛琳·克雷奇默博士波茨坦气候影响研究所研究所(PIK),发现在过去37年中,1月和2月在1月和2月的弱极漩涡的时期增加。本文在此期间,在此时间内,在此时间中,在此时间内大约60%的冷极端在此期间可以解释“弱平流层极性涡旋的频率增加”。

Kretschmer告诉了这一点华盛顿邮报当该研究发表时,调查结果与“明暗的假设具有效果并且气候变化 - 导致海冰减少 - 在这种情况下对大规模循环产生影响,在这种情况下是平流层”。

波共振

第三种机构,称为“波共振”还涉及对流层中的喷射流,但仅在夏季发生。建议在这方面发挥了作用2003年欧洲热浪, 这2010巴基斯坦洪水2011年德克萨斯州热浪

PIK的一组科学家在2013年的一项研究中首次提出美国国家科学院院刊biwei6868(PNA),该理论表明,弱化喷射流增加了其分成两个不同喷射的可能性。然后一架喷气机移动北部和另一个南方,潜在地诱捕之间的天气系统。这种“准谐振”导致持续存在 - 并且通常极端的夏季天气。

在几个中进一步分析了“准共振扩增”(QRA)的理论最近的报纸.2017年研究科学报告例如,确定了有利于QRA事件的条件的“指纹”。研究人员说,使用气候模型表示,他们可以表明人类导致的气候变化使得这些条件更有可能是“在多个观察表面温度数据集中镜像”。

和一个biwei6868科学的进步去年发表的论文发现,在高排放场景下,QRA事件可能会变得50%。

下面的视频剪辑,PIK研究助理Kai Kornhuber博士解释QRA理论更深入。

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对理论的批评是什么?

随着所提出的理论表明的数量,这是一个复杂的图片,没有明确的答案。这种不确定性意味着一些科学家对所提出的链接的力量有疑虑。

围绕这一联系的许多怀疑都与北极放大和中纬度极端事件之间缺乏“因果关系”有关。蒂姆·沃林斯告诉《碳简报》:必威手机官网

“很多情况下,事情之间并没有真正的因果联系,所以这是一个真正的危险。当我们讨论的是非常短的时期时,尤其如此。”

因果关系证明了几种原因,解释了屏幕:

“报告的一些环流趋势对所分析的时间段非常敏感。尽管海冰持续减少和北极变暖,但将早期年份——或者实际上是其中一些论文发表后的年份——包括在内,会导致趋势减弱或消失。”

这表明一些最近的趋势只是正常气候变化的一部分,屏幕,补充说:“事实上,为了我的知识,没有人证明,例如,射流的变化在外面已经看到了什么在过去。”

为了表现出因果关系,科学家需要复制气候模型中发生的事情,屏幕运行模拟,没有北极放大和人类导致的气候变化,看看他们拥有的影响。(这是什么归因研究做。)。

然而,气候模型Screen说,北极变暖与中纬度极端天气之间的联系往往弱得多,或不一致。尽管他指出,这可能是由于模型的局限性,而不是北极放大理论。Judah Cohen也提出了类似的观点:

“气候科学家分歧的主要原因是因为观察结果强烈暗示了因果关系,模型表明没有链接。如果模型通过分析观察验证或确认了提出的论据,则会更加达成共识。“

例如,2016年的研究地球物理研究字母使用多种模型来评估“温暖的北极寒冷的大陆”(WACC)模式被北极海冰下降和人为导致的气候变化更广泛。作者认为,“作者认为”既不是海冰损失也没有人为迫使整体产量趋势走向寒冷的大陆温度“。

研究人员得出结论,WACC模式是自然变异的结果。他们确实确定了海冰在高纬度天气上衰落的影响 - 尽管这是缺乏变化和较少的冷极端的趋势。

同样的,一个2016自然地球科学biwei6868建模研究在过去的25年中调查了北极海冰丧失和中部冬季气温之间的联系。结果表明:“没有影响欧亚表面温度的北极海冰损失的证据”。作者还将他们的集体手指指向自然的变化作为原因。

然而,正如詹妮弗·弗朗西斯在2017年的文章中所指出的美国气象学会的公告,对于找不到强大连接的每项研究,还有另一个。她说这提出了这个问题:“这两组研究怎样才能出现这种不同的结论?”

她认为,这可能是由于模型低估了全球气候的一些特征,比如大气环流变化和北极放大的全面程度。虽然在中纬度地区观测到的极端现象可能是由于自然变化造成的,但弗朗西斯认为,“在过去几十年里,在不影响大规模环流的情况下,北极失去一半的夏季海冰范围似乎是不可能的”。

这使得科学家们在捕获-22的某些情况下:他们不能明确地证明在没有气候模型的北极放大和中纬极端之间的致病联系,但如果模型没有完全代表所涉及的气候过程,则不会模拟强大的链接.

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为什么这个理论会有不确定性?

北极地区的北极放大如何影响北极放大影响了这么多的理论表明“这真的并不明显的是发生了什么”,说明了Tim Woollings。他指出,“我们显然没有足够的数据可以讲述这些理论,如果有的话,是正确的。

人类导致的北极数据中的人为升温的“信号”只出现了过去几十年过去几年的自然变异性的“噪音”。这提供了相对较短的时间分析。由于天气中固有的巨大变异性,因此科学家们难以识别强大的统计链路。

气候模型可以“为更严格的统计测试提供更长的数据记录”,笔记Cohen,“和原因和效果可以更加干净地显示”。然而,这回到了Catch-22问题上,注意:

“大多数模型实验并不建议快速的北极变暖导致极地漩涡的扰乱,虽然是北半球的北半球普遍的严重冬季天气,但少数实验。”

科恩建议当前模型中的缺点意味着它们“在北极地位”中,它们不会正确地模拟表面和大气的耦合“。

一种自然气候变化本月早些时候发布的研究旨在调整观测和模型模拟之间的差异,以评估在欧亚中部的巴伦 - 卡拉海洋和严重冬季海冰损失之间的联系。来自日本的研究人员看了七种型号,发现他们倾向于低估了融化海冰的更广泛的影响。研究纠正了这种差异,研究发现,“1995 - 2014年的欧亚冷却趋势中的〜44%可归因于巴伦 - 卡拉海的海冰损失”。研究得出结论:

“我们的结果强烈表明,人为强制通过增强欧亚群岛的严重冬季发生的概率,通过增强的欧洲的熔化,可以增强莫雷斯 - 卡拉海冰。“

无论北极放大在中纬度极端天气中发挥多大作用,它也被其他影响天气的过程所笼罩。

例如,2013年的一项研究地球物理研究字母建议链接可能是另一种方式。这涉及中纬度中大规模循环模式的事件将大量温暖的潮湿空气传输到北极,导致高冬季温度。

研究人员在1990年至2010年期间确定了这些事件的近300个,其中占所有水分的28%被转移到高北极。

还有一种理论认为,北极变暖实际上可能导致中纬度地区的极端天气较少的可能是詹姆斯屏幕,谁发表了论文自然气候变化地球物理评论信就此主题而言。推理是,由于北极迅速变暖,冷极端 - 这倾向于涉及从北极拉下来的空气 - 实际上会变得不那么严重。屏幕详细说明:

“这个论点基本上说,如果动态 - 循环模式没有变化 - 循环模式,喷射流等 - 并且只有温度的变化,那么我们将期望更少或更严重,而不是更严重,冷极冷的。”

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一个明确的链接将来出现?

作为2015年电线舆论论文伊丽莎白博士巴恩斯博士科罗拉多州立大学詹姆斯屏幕结束了,“陪审团仍然脱落”,是否迅速变暖的北极是对下纬度的有变形的影响“。

虽然北极越来越多的共识可以这篇论文说,影响中纬度地区的天气,这“既没有暗示它。过去,也不是在未来”。

近四年,屏幕说他“看不到迅速的共识,但正在取得进展”:

“一种major step forward would be if we could reconcile the observations and models, either by demonstrating weaknesses in the models – that could be corrected for – or confirming the models are doing a reasonable job and ‘discrepancy’ lies in how we interpret the observations.”

屏幕嫌疑人将成为后者,“模型正在告诉我们一些有用的东西,观察到的趋势/相关性主要是由北极海冰造成的偶然偶然的。

Tim Woollings也有希望共识,但认为它可能需要“五到十年”:

“我们总是获得更多的数据,更好的模型,也是更多的机会来看待事物。我们受到资金非常有限,因此,我们可以致力于这样的事情的人数。“

然而,其他人则更为乐观。詹妮弗·弗朗西斯认为共识“已经形成”:

“You’d be hard-pressed to find a scientist who doesn’t think Arctic warming is affecting mid-latitude weather patterns, but some – especially some members of the tropical research community – are still not convinced that it’s one of the key contributors related to climate change.”

弗朗西斯仍在继续,“支持各种联系的最近论文几乎消除了有关联系的存在的争议。”但是,气候变化的角色的程度仍然需要钉住,她补充说:

“仍然存在不确定性的是,对于任何给定的极端事件,它在多大程度上可以归因于北极变暖的影响、其他因素,或只是随机事件。”

很明显,这场辩论将继续在未来几年的科学期刊页面上发挥作用。与此同时,当极端天气事件罢工和总统通过发表评论时,这个话题很可能会继续饲养它的头部推特

更新:

这篇文章是在19年1月2日修改的,修正了北极上空极涡的高度(从8km到50km)。

本文于04/02/19修订,澄清,比海冰衰退是北极放大的主要贡献者,而不是主要贡献者。在温度反馈中添加了一个额外的句子。

来自这个故事的Sharelines
  • 问答:北极变暖与“极地漩涡”和其他极端天气如何?
  • 问答:北极变暖导致中期纬度的极端天气吗?

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