北极变暖对极端天气和气候的影响

北极变暖对极端天气和气候的影响

Theodore G. Shepherd

近年来在中北纬北部地区，包括美国东部，出现了一系列极冷寒冬，常常暴雪纷飞。一些气象科学家认为这些极冷天气可能与近几十年来观察到的北极圈迅速升温有关。北极圈升温可以通过20世纪90年代初以来迅速融化的北极海上浮冰得到证明。另外有人称极寒天气仅仅反映了气候系统的混乱变化，而在这种天气下气候变化发生的几率并不大。那么为什么不同的科学家面对相同的数据会产生截然不同的看法呢？

依据基本热动力学理论和长期的观测，气候变化应当会提升冬天陆地的地表温度，北极变暖会加剧。同理可得，这不仅会降低极冷事件，并且会因为减少纬度温度的梯度进而减少地表温度的变化幅度，尽管潮湿的大气可能会带来的更多的暴雪。因此，对于越来越频繁的极冷事件的争论取决于大气动力学的变化，然而人们对这方面的科学了解非常少。人们提出了多种机制，但是相对于预测理论来说更偏向于假设。

冬天中纬度到高纬度地区的热传输主要依靠于气象系统。部分年份，强对流层极地涡旋抑制了北极和中纬度之间的气体交换，而其他年份，较弱、波动更大的对流层极地涡旋加强了气体交换，导致了中纬度的寒冷以及北极变暖。尽管北美和欧亚大陆的气候互相独立变化，但后者的上升趋势会导致出现大陆变冷、北极变热的趋势。与过去的50a相比，美国东部尤其是亚洲中部的变冷趋势以及北极加速变暖的趋势在最近几十年更加明显。

鉴于气候变化动力学的不确定性，1个合理的零假设为：气候变化是由其自身的热力学方面所主导，而近几十年人们发现的这些异常现象反映出自然自身的变化；另一面相反的假设则为：北极的加速变暖实质上是气候变化的1种表征，通过改变对流层极地涡旋改变了中纬度地区的天气模式。这样的假设存在一定的合理性：一般而言气候变化的动态响应类似于内部变异的模式。可惜的是，难以在各种假设争论中对其进行辨别，因为几种观点的空间作用原理较为类似。

这场辩论的另一聚焦点是观察到的现象与特定假设之间的关联性是否具有统计学意义。这点非常重要，因为统计意义的定义是任意的，缺少统计意义并不意味着关联性不存在，有正相关证据也不意味与气候变化一定存在因果关系。从有限的观察记录中精确地识别真相仍是1个巨大挑战。任何类似分析模式中更困难的是相关性并不等于因果关系。Kretschmer 等最近利用了因果效应网络的概念来规避此局限性。他们发现，巴伦支海和喀拉海的浮冰（能导致当地变暖）损失确实能够被认为是对流层极地漩涡弱化的其中1个因素。

辩论的另一聚焦点是使用何种数字模型来预测。许多研究通常通过海冰的减少程度来模拟中纬度循环对于北极变暖的响应，所得的大部分结论不具有代表性，仅能反映研究结论对模型的设置很敏感。这些研究唯一1个经常出现的结论为：巴伦支海和喀拉海的浮冰损失导致了亚洲中部的温度降低。该结果可以通过大气循坏对当地气候变暖的响应来解释，与观察出的因果关系相契合，并且可以解释观察到的亚洲中部极端严寒天气增多归因于大气循环变化。

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综合气候模型没有提供任何北半球中纬度地区的冬季寒冷气候变暖对气候变化有响应的迹象，这表明北极变暖（如果存在的话）衍生的任何迹象也可能由其他因素所导致。然而，目前还不清楚这些模型是否是足够准确可以反映物理过程、可以得出准确结果的的工具。北极变暖模型可以反映出北欧地表压强增加的趋势，这些结果与Kretschmer等和Mori等得出的结论大致相符。

不排除目前的模型预测以及近几十年来观测到的现象是由于自然变化引起的，零假设在科学辩论中尚且有一定的合理性。然而多种证据表明亚洲中部存在北极-中纬度的联系关系假设，尽管发生地并不是美国东部。此外，气候变化和自然变化强制反应之间的二分法也过于简单。举例来说，如果漩涡较弱，那么对流层的极涡旋很可能是由来自太平洋海面系统的远距产生的曲流造成的。因此很大可能是气候的易变性和对气候变化的强制性反应共同产生了极端气候。

现在的问题不在于是否北极变化会影响中纬度地区，而是以何种方式、何种程度产生影响。以这种方式进行框架研究将会避免两极分化和援助进展。近期对立阵营的科学家们开展相互合作是1件值得让人欢欣雀跃的事情，这种建设性的交流合作将会推动科学进步，并推进话题讨论的进一步深入。

李月寒　孟程程　译自 Effects of a warming Arctic. 《Science》, 2016, 353: 989.

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