科学家解析极地变暖与中纬度极端天气事件关联

2009年12月，气象专家处于高度戒备状态。当时，格陵兰上方有一个高压区停滞不前，从而在极地附近的急流路径上形成了一个路障。由于受到阻碍，急流缓慢蜿蜒，向南弯曲形成一个大圈，将寒冷的北极气团转移到美国中部。气象学家非常熟悉这个“格陵兰路障”。这是一种历史上有利于冬季暴风雪形成的气候模式，似乎意味着破纪录的降雪将在未来几个月席卷美国东部。

在过去的几年里，“雪怪”和其他猛烈的冬季暴风雪袭击了美国、欧洲和亚洲，一种不同类型的暴风雪引起了研究北极的科学界的极大关注。这一研究的核心是一系列最新研究，这些研究表明，这种极端天气事件发生在中纬度地区，并与北极地区快速气候变化的影响有关，如海冰通过大气层消失。这一观点震惊了公众，甚至引起了白宫的注意。然而，一些北极研究人员表示，数据并不支持这一观点，或者至少各方仍处于茫然之中。

现在，科学家们开始认真对待这个问题。极地和中纬度地区之间的大气相关性已成为北极相关会议的一个热门话题。仅在去年12月，研究人员就被吸引去参加在西班牙巴塞罗那举行的研讨会，以及在加州旧金山举行的美国地球物理学会年会特别会议。"许多科学家独自工作，追求自己的想法。"麻省理工学院的气候科学家犹大·科恩说。

研究范式的转移

对于气候科学家来说，北极圈将对大气产生区域性甚至半球性影响的观点代表着一种范式转变。"当我还是研究生时，每个人都认为热带是一切."科恩说。毕竟，北冰洋又小又冷，而热带太平洋广阔而温暖。为了在全球范围内影响大气，大量的热和水必须从海洋流向空气。这个热力发动机在太平洋上非常巨大，为厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)提供能量，这是一个由地球主导的年际气候模型。ENSO还有一个有用的供应链:即使热量从东热带太平洋逸散到大气中，从西热带太平洋流入的洋流也能提供新的供应。

然而，一个新的引擎正在北极成形。全球变暖导致的北极海冰的迅速消失创造了一大片吸收太阳能的无冰海面。这种额外的能量输入以及相应的水和热向北极大气的流入有助于促进对全球变暖的强有力的积极反馈，即北极放大效应。结果，北极的表面温度以低纬度地区两倍的速度上升。

然而，海冰的消失不仅会导致局部变暖，还会带来更多的影响吗？2012年，新泽西州罗格斯大学的气候学家詹妮弗·弗朗西斯(Jennifer Francis)和威斯康星大学麦迪逊分校的斯蒂芬·瓦夫鲁斯(Stephen Vavrus)提出，海冰消失导致的北极放大效应可能会减缓急流，从而显著影响中纬度地区的天气。他们提出的机制是北极变暖的速度越来越快，意味着北极和中纬度地区之间的温差越来越小，这反过来又削弱了东西向风力。

结果，喷射流的速度降低，移动更加曲折和缓慢，并形成向北或向南延伸的细长波，即罗斯贝波或行星波。在其他影响中，弗朗西斯和瓦夫鲁斯认为，喷射空气的长波还会导致冬季暴风雪进一步向南移动，然后在某个点停滞，并可能会导致创纪录的降雪。

在争议中前进

一些最新的研究支持这一假说的一个关键部分:喷气气流中罗斯贝波的大振幅在统计上与中纬度地区的极端天气有关。例如，德国波茨坦气候影响研究所的弗拉基米尔·佩图霍夫(Vladimir Petoukhov)和他的同事将欧洲夏季热浪与2013年缓慢移动的高振幅罗斯贝波联系起来。去年，英国埃克塞特大学的气候模型专家詹姆斯·斯坎和澳大利亚墨尔本大学的伊恩·西蒙兹在一篇联合署名的文章中说，罗斯伯格波的缓慢放大与1979年至2012年极端天气事件发生的月份有着密切的统计相关性。他们发现，更多的波动使得美国西部更容易受到热浪的影响，而美国东部更容易受到极端寒冷事件的影响。

然而，假说的其他部分仍有争议，尤其是将这些变化与北极放大效应联系起来的那部分。一些证据支持弗朗西斯和瓦夫鲁斯的观点，即中纬度地区和北极之间的温差越来越小，可能会降低喷流速度，使其更加不稳定。然而，科罗拉多州立大学的气候学家伊丽莎白·巴恩斯(Elizabeth Barnes)在2013年报告说，她在过去几十年里没有发现罗斯伯格的更大的例子，这是极端海冰退缩和北极变暖的阶段。在2013年的一项研究中，Screen和西蒙兹没有发现1979年至2011年间这些波长有任何统计上的显著变化，尽管南北温差在减小。

一些理论家提出了另一种机制，即正在消退的海冰将在中纬度地区形成天气:通过迫使大气环流多年来发生变化，称为北极涛动。当北极涛动处于正相时，喷流强烈且波动较小，冷空气将停留在北极。负相时，射流微弱且波动较大，冷空气向南流动。一些分析表明，在过去几十年中，北极涛动越来越处于负面阶段，这不仅会增加中纬度地区的雪暴，还会导致更长时间的寒冷。

然而，很少有证据表明海冰的消失会影响北极涛动。美国国家海洋和大气管理局太平洋海洋环境实验室的海洋学家詹姆斯·奥弗兰德说:“北极对急流的任何影响都隐藏在大量随机的气候变化中，相关记录非常短。”目前，完全不可能证明这种联系。

弗朗西斯承认，北极的变化如何时不时地将极端天气推向南方，存在很大的不确定性。然而，她认为，随着这个谜吸引了更多的研究人员，他们已经有了一些线索。去年，日本东京大学的气候科学家森正和他的同事模拟了俄罗斯北部巴伦支海和卡拉海海冰的消失如何加剧了欧亚大陆的“路障事件”以及随后的严冬。韩国极地研究所的贝克-金玟和他的同事在一个模型中展示了巴伦支海和卡拉海海冰消失的变化如何引发一系列事件，从而产生北极振荡的负相。

日本海洋地球科学技术研究所的佐藤一雄和他的同事去年发表的另一篇论文显示，巴伦支海海冰的消失和欧亚大陆的寒冷冬天实际上是另一个更大的气候模型的一部分，该模型来自北大西洋的墨西哥湾流。最近的观察表明，环流正把温暖的海水推向北方。佐藤和他的同事发现，这种转变会产生行星波，使巴伦支海变暖，引发异常寒冷的欧亚大陆。

回到基本问题

然而，许多研究人员表示，现在说北极的影响是否真实还为时过早。Screen说，去年12月在西班牙巴塞罗那举行的研讨会上，“大多数人都在中间”事实上，有些人处于完全不同的阵营:他们将中纬度地区的极端天气归咎于欧亚大陆积雪的变化，而不是北极海冰的消失。

“我们拥有的海冰记录只能追溯到30年前，而大规模的海冰消退只发生在过去10年左右。”Screen表示，统计分析这一短暂的观察阶段不太可能解决争议。相反，科学家需要寻找其他知识来源，如模型和理论，“以更好地理解我们在观察中可能看到的问题。”

据巴恩斯说，研究人员需要做的是对他们已经知道的进行分类。"我认为关注极端天气有点本末倒置。"她建议学术界回到最基本的问题，探索北极变暖如何影响喷气动力。

"我们只是进入了人们开始对这个话题感兴趣的阶段。"巴恩斯说，“如果你看看过去10年的文献，你会发现很多注意力都集中在热带变暖如何影响急流上，而关于北极变暖如何影响急流的文献却很少。作为这个学术界的一员，我们以前的目光一直盯着南方，但现在我们开始向北看。对我来说，这是一个激动人心的地方。”