跳至內容

極地放大效應

維基百科，自由的百科全書
NASA GISS 2000-2009 年溫度趨勢圖，顯示出強烈的北極放大效應。

極地放大效應是一種氣候變化中的現象，即淨輻射平衡發生的任何變化（例如溫室效應增強）往往會在兩極附近產生比行星平均溫度更大的溫度變化。 [1]這一效應通常指極地變暖幅度與熱帶變暖幅度的比率。在具有可以限制向太空發射長波輻射（即具有溫室效應）的大氣層的行星上，地表溫度將比簡單的行星平衡溫度計算所預測的要高。如果一個星球上的大氣或廣闊的海洋能夠向極地輸送熱量，兩極將比當地淨輻射平衡預測的更溫暖，而赤道地區更冷。 [2]當全球平均溫度相對於參考氣候較低時，兩極將經歷最大的變冷幅度；或者，當全球平均溫度較高時，兩極將經歷最大的變暖幅度。 [1]

在極端情況下，金星被認為在其演變歷史中經歷了非常嚴重的溫室效應[3]以至於其兩極已經充分變暖，其行星表面溫度幾乎是等溫（兩極和赤道之間沒有差異）的. [4] [5]在地球上，水蒸氣和微量氣體提供了較弱的溫室效應，而大氣和廣闊的海洋則提供了有效的極地熱傳輸。如下所述，古氣候變化和最近的全球變暖變化都表現出強烈的極地放大效應。

北極放大效應只是地球北極的極地放大效應；南極放大效應是南極的放大效應。

研究歷史

Mikhail Budyko於 1969 年發表了一項與北極放大效應有關的基於觀測的研究， [6]研究結論總結為「海冰損失通過地表反照率反饋影響北極溫度」。 [7] [8]同年， William D. Sellers發表了類似的模型。 [9]這兩項研究都引起了極大的關注，因為它們暗示了全球氣候系統內可能出現失控的正反饋效應。 [10] 1975 年，Manabe 和 Wetherald 發表了第一個有可信度的大氣環流模型，該模型研究了溫室氣體增加的影響。儘管該模型僅限於全球不到三分之一的地區，設置了「沼澤式的」海洋，並且只有高緯度地區存在陸地表面，但它也顯示出北極的變暖速度比熱帶地區更快（所有後續模型都是如此）。 [11]

放大效應

放大效應機制

與海冰和積雪相關的反饋作用被廣泛認為是近期陸地極地放大效應的主要原因之一。 [12] [13] [14]這些反饋在局部極地放大效應中特別值得注意， [15]儘管最近的工作表明，遞減率反饋可能與北極放大效應的冰反照率反饋同樣重要。 [16]支持這一想法的依據是，在沒有冰雪的模型中也觀察到了大規模的放大效應。 [17]它似乎既源於（可能是短暫的）極地熱傳輸的加劇，也更直接源於當地淨輻射平衡的變化。 [17]局部輻射平衡至關重要，因為出射長波輻射的整體減少將導致兩極附近淨輻射的相對增加大於赤道附近淨輻射的增加。 [16]因此，在遞減率反饋和局部輻射平衡的變化之間，極地放大效應可將主要原因歸於出射長波輻射的變化。 [15] [18]對於北極來說極地放大效應尤其明顯，而南極洲的高地地形限制了遞減率反饋的影響。 [16] [19]

氣候系統反饋的一些例子被認為推動了近年來的極地放大效應，包括積雪和海冰的減少、大氣和海洋環流的變化、北極環境中人為煙塵的存在以及雲量和水汽的增加。 [13] CO2的輻射強迫也可以歸因於極性放大。 [20]大多數研究將海冰變化與極地放大效應聯繫起來。 [13]冰的範圍和厚度都會影響極地放大效應。具有較小基線海冰範圍和較薄海冰覆蓋範圍的氣候模型表現出較強的極地放大。 [21]一些冰雪覆蓋率沒有變化的現代氣候模型仍表現出北極放大效應。 [22]

導致極地變暖的各個過程對於了解氣候敏感性至關重要。 [23]極地變暖還影響了許多生態系統，包括海洋和陸地生態系統、氣候系統和人口。 [20]極地放大效應的這些影響促進了面對全球變暖的持續研究。

海洋環流

據估計，全球 70% 的風能被轉移到海洋並在南極繞極流(ACC) 內產生。 [24]最終，由於風應力導致的上升流將寒冷的南極海水通過大西洋表面洋流進行輸送，讓它們在赤道上空變暖，此後進入北極區域。這在高緯度地區尤其明顯。 [21]因此，北極變暖取決於全球海洋運輸的效率，並在極地蹺蹺板效應中發揮作用。 [24]

拉尼娜現象期間氧氣減少和 pH 值低是與初級生產減少和更明顯的極向洋流相關聯的過程。 [25]有人提出，ENSO拉尼娜期間北極地表氣溫異常增加的機制可能歸因於熱帶激發的北極變暖機制（TEAM），當時羅斯比波向極地傳播更多，導致波動力學和向下的紅外輻射增加。 [1] [26]

放大係數

極地放大效應是根據極性放大係數量化的，通常定義為極地溫度的一些變化與更廣泛的平均溫度的相應變化的比率：

  ,

是極地溫度的變化，  是全球平均溫度的相應變化。

常見應用[27] [28]將溫度變化直接定義為相對於最近的參考區間（通常為 30 年）的地表氣溫異常。其他研究則使用了較長時間間隔內地表氣溫變化的比率。 [29]

放大階段

西南極洲（左）的溫度趨勢已大大超過全球平均水平；東南極洲則不那麼明顯。

根據觀測，由於軌道輻射強迫效應，北極和南極變暖通常會異相進行，從而導致所謂的極地蹺蹺板效應。 [30]

古氣候極地放大效應

更新世的冰期/間冰期循環為北極和南極的極地放大效應提供了大量古氣候證據。 [28]自20,000年前末次盛冰期以來的溫度上升就是一個典型證據。來自北極（格陵蘭）和南極的推測溫度記錄表明，極地放大係數大致為 2.0。 [28]

近年的北極放大效應

較暗的海洋表面僅反射 6% 的入射太陽輻射，而海冰可以反射 50% 到 70%之多。 [31]

導致觀測到的北極放大效應的機制包括北極海冰減少（開闊水域反射的陽光比海冰少）、從赤道到北極的大氣熱量傳輸、 [32]和遞減率反饋。 [16]

詹妮弗·弗朗西斯在 2017 年接受《科學美國人》雜誌採訪稱，「由於急流的劇烈波動，更多的水蒸氣正向北輸送。這很重要，因為水蒸氣和二氧化碳和甲烷一樣是溫室氣體。水汽在大氣中捕獲熱量，也會凝結成我們稱之為雲的液滴，它們本身會吸收更多的熱量。水蒸氣是放大效應的重要組成部分——這是北極變暖速度比其他任何地方都快的一個重要原因。」 [33]

一些研究將北極爆發性升溫（從而導致冰凍圈消失）與中緯度地區的極端天氣聯繫起來。 [34] [35] [36] [37]也有研究不支持海冰損失與中緯度極端事件之間的聯繫。 [38] [39]其中，一個假說認為，通過改變極地急流將極地放大效應與極端天氣聯繫起來。 [34]然而，2013 年的一項研究指出，與海冰和積雪減少有關的極端事件的觀測時間還不夠長，無法將自然的氣候變率與近期氣候變化相關的影響完全區分開來。 [40]關於海冰減少導致的極地放大效應與緯度極值之間的關係仍然存在爭議。

2017 年和 2018 年發表的研究表明，北半球急流中羅斯比波的駐留模式導致了長期的極端天氣事件，例如2018 年歐洲熱浪、 2003年歐洲熱浪、 2010 年俄羅斯熱浪、 2010 年巴基斯坦洪水等等。這些事件常常在研究中與全球變暖、北極爆發性升溫等效應聯繫起來。 [41] [42]

2009 年的一項研究表明，大西洋多年代際振盪(AMO) 與北極溫度的變化高度相關，這表明大西洋溫鹽環流與北極在多年代際時間尺度上的溫度變化有關。 [43] 2014 年的一項研究得出結論，北極放大效應顯著降低了近幾十年來北半球寒冷季節的氣溫變化。來自北極的寒流如今可以在秋冬季節更迅速地侵入較溫暖的低緯度地區，預計這種趨勢將在未來除了夏季之外繼續存在，這令人擔憂冬季是否會出現更多的嚴寒事件。 [44]據 2015 年的一項研究顯示，基於大氣中氣溶膠的計算機模型，1980 年至 2005 年間北極地區觀測到的高達 0.5 攝氏度的升溫是歐洲的氣溶膠減少所致。 [45] [46]

參見

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Sukyoung Lee. A theory for polar amplification from a general circulation perspective (PDF). Asia-Pacific Journal of the Atmospheric Sciences. January 2014, 50 (1): 31–43 [2022-02-23]. Bibcode:2014APJAS..50...31L. doi:10.1007/s13143-014-0024-7. （原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04）. 
  2. ^ Pierrehumbert, R. T. Principles of Planetary Climate. Cambridge University Press. 2010. ISBN 978-0521865562. 
  3. ^ Kasting, J. F. Runaway and moist greenhouse atmospheres and the evolution of Earth and Venus. Icarus. 1988, 74 (3): 472–94 [2022-02-23]. Bibcode:1988Icar...74..472K. PMID 11538226. doi:10.1016/0019-1035(88)90116-9. （原始內容存檔於2019-12-07）. 
  4. ^ Williams, David R. Venus Fact Sheet. NASA. 15 April 2005 [2007-10-12]. （原始內容存檔於2016-03-08）. 
  5. ^ Withers, Paul G. Titan, Mars and Earth: Entropy Production by Latitudinal Heat Transport (PDF). Ames Research Center, University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory. 2001 [2007-08-21]. （原始內容 (PDF)存檔於2018-10-03）. 
  6. ^ Budyko, M.I. The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth. Tellus. 1969, 21 (5): 611–9. Bibcode:1969Tell...21..611B. doi:10.3402/tellusa.v21i5.10109. 
  7. ^ Cvijanovic, Ivana; Caldeira, Ken. Atmospheric impacts of sea ice decline in CO2 induced global warming (PDF). Climate Dynamics. 2015, 44 (5–6): 1173–86 [2022-02-23]. Bibcode:2015ClDy...44.1173C. doi:10.1007/s00382-015-2489-1. （原始內容 (PDF)存檔於2018-10-30）. 
  8. ^ Ice in Action: Sea ice at the North Pole has something to say about climate change. YaleScientific. 2016 [2022-02-23]. （原始內容存檔於2021-11-27）. 
  9. ^ William D. Sellers. A Global Climatic Model Based on the Energy Balance of the Earth-Atmosphere System. Journal of Applied Meteorology. 1969, 8 (3): 392–400. Bibcode:1969JApMe...8..392S. doi:10.1175/1520-0450(1969)008<0392:AGCMBO>2.0.CO;2. 
  10. ^ Jonathan D. Oldfield. Mikhail Budyko's (1920–2001) contributions to Global Climate Science: from heat balances to climate change and global ecology. Advanced Review. 2016, 7 (5): 682–692. doi:10.1002/wcc.412. 
  11. ^ Syukoro Manabe; Wetherald, Richard T. The Effects of Doubling the CO2 Concentration on the Climate of a General Circulation Model. Journal of the Atmospheric Sciences. 1975, 32 (1): 3–15. Bibcode:1975JAtS...32....3M. doi:10.1175/1520-0469(1975)032<0003:TEODTC>2.0.CO;2. 
  12. ^ Hansen J., Sato M., Ruedy R. Radiative forcing and climate response. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1997, 102 (D6): 6831–64. Bibcode:1997JGR...102.6831H. doi:10.1029/96jd03436. 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 IPCC AR5 – Near-term Climate Change: Projections and Predictability (Chapter 11 / page 983 ) (PDF). 2013 [2022-02-23]. （原始內容 (PDF)存檔於2019-12-20）. 
  14. ^ Pistone, Kristina; Eisenman, Ian; Ramanathan, Veerabhadran. Radiative Heating of an Ice-Free Arctic Ocean. Geophysical Research Letters. 2019, 46 (13): 7474–7480 [2022-02-23]. Bibcode:2019GeoRL..46.7474P. doi:10.1029/2019GL082914. （原始內容存檔於2022-01-02） （英語）. 
  15. ^ 15.0 15.1 Roman V. Bekryaev; Polyakov, Igor V.; Alexeev, Vladimir A. Role of Polar Amplification in Long-Term Surface Air Temperature Variations and Modern Arctic Warming. Journal of Climate. 2010-07-15, 23 (14): 3888–3906. Bibcode:2010JCli...23.3888B. ISSN 0894-8755. doi:10.1175/2010JCLI3297.1 （英語）. 
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 16.3 Hugues Goosse; Kay, Jennifer E.; Armour, Kyle C.; Bodas-Salcedo, Alejandro; Chepfer, Helene; Docquier, David; Jonko, Alexandra; Kushner, Paul J.; Lecomte, Olivier. Quantifying climate feedbacks in polar regions. Nature Communications. December 2018, 9 (1): 1919. Bibcode:2018NatCo...9.1919G. PMC 5953926 可免費查閱. PMID 29765038. doi:10.1038/s41467-018-04173-0. 
  17. ^ 17.0 17.1 Alexeev V. A., Langen P. L., Bates J. R. Polar amplification of surface warming on an aquaplanet in "ghost forcing" experiments without sea ice feedbacks. Climate Dynamics. 2005, 24 (7–8): 655–666. Bibcode:2005ClDy...24..655A. doi:10.1007/s00382-005-0018-3. 
  18. ^ Ashley E. Payne; Jansen, Malte F.; Cronin, Timothy W. Conceptual model analysis of the influence of temperature feedbacks on polar amplification. Geophysical Research Letters. 2015, 42 (21): 9561–9570. Bibcode:2015GeoRL..42.9561P. ISSN 1944-8007. doi:10.1002/2015GL065889 （英語）. 
  19. ^ Hahn, L. C.; Armour, K. C.; Battisti, D. S.; Donohoe, A.; Pauling, A. G.; Bitz, C. M. Antarctic Elevation Drives Hemispheric Asymmetry in Polar Lapse Rate Climatology and Feedback. Geophysical Research Letters. 28 August 2020, 47 (16). Bibcode:2020GeoRL..4788965H. doi:10.1029/2020GL088965. [失效連結]
  20. ^ 20.0 20.1 Stuecker, Malte F.; Bitz, Cecilia M.; Armour, Kyle C.; Proistosescu, Cristian; Kang, Sarah M.; Xie, Shang-Ping; Kim, Doyeon; McGregor, Shayne; Zhang, Wenjun. Polar amplification dominated by local forcing and feedbacks. Nature Climate Change. December 2018, 8 (12): 1076–1081 [2022-02-23]. Bibcode:2018NatCC...8.1076S. ISSN 1758-6798. doi:10.1038/s41558-018-0339-y. （原始內容存檔於2022-06-17） （英語）. 
  21. ^ 21.0 21.1 Holland, M. M.; Bitz, C. M. Polar amplification of climate change in coupled models. Climate Dynamics. 2003-09-01, 21 (3): 221–232. Bibcode:2003ClDy...21..221H. ISSN 1432-0894. doi:10.1007/s00382-003-0332-6 （英語）. 
  22. ^ Pithan, Felix; Mauritsen, Thorsten. Arctic amplification dominated by temperature feedbacks in contemporary climate models. Nature Geoscience. February 2, 2014, 7 (3): 181–4. Bibcode:2014NatGe...7..181P. doi:10.1038/ngeo2071. 
  23. ^ Taylor, Patrick C., Ming Cai, Aixue Hu, Jerry Meehl, Warren Washington, Guang J. Zhang. A Decomposition of Feedback Contributions to Polar Warming Amplification. Journal of Climate. September 23, 2013, 23 (18): 7023–43. Bibcode:2013JCli...26.7023T. doi:10.1175/JCLI-D-12-00696.1. 
  24. ^ 24.0 24.1 Petr Chylek, Chris K. Folland, Glen Lesins, and Manvendra K. Dubey. Twentieth century bipolar seesaw of the Arctic and Antarctic surface air temperatures (PDF). Geophysical Research Letters. February 3, 2010, 12 (8): 4015–22 [May 1, 2014]. Bibcode:2010GeoRL..37.8703C. doi:10.1029/2010GL042793. （原始內容 (PDF)存檔於February 20, 2014）. 
  25. ^ Sung Hyun Nam, Hey-Jin Kim and Uwe Send. Amplification of hypoxic and acidic events by La Niña conditions on the continental shelf off California. Geophysical Research Letters. November 23, 2011, 83 (22): L22602. Bibcode:2011GeoRL..3822602N. doi:10.1029/2011GL049549. 
  26. ^ Sukyoung Lee. Testing of the Tropically Excited Arctic Warming Mechanism (TEAM) with Traditional El Niño and La Niña. Journal of Climate. June 2012, 25 (12): 4015–22. Bibcode:2012JCli...25.4015L. doi:10.1175/JCLI-D-12-00055.1. 
  27. ^ Masson-Delmotte, V., M. Kageyama, P. Braconnot, S. Charbit, G. Krinner, C. Ritz, E. Guilyardi; et al. Past and future polar amplification of climate change: climate model intercomparisons and ice-core constraints. Climate Dynamics. 2006, 26 (5): 513–529. Bibcode:2006ClDy...26..513M. doi:10.1007/s00382-005-0081-9. 
  28. ^ 28.0 28.1 28.2 James Hansen, Makiko Sato, Gary Russell and Pushker Kharecha. Climate sensitivity, sea level and atmospheric carbon dioxide. Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. September 2013, 371 (2001): 20120294. Bibcode:2013RSPTA.37120294H. PMC 3785813 可免費查閱. PMID 24043864. arXiv:1211.4846 可免費查閱. doi:10.1098/rsta.2012.0294. （原始內容存檔於2013-09-17）. 
  29. ^ Kobashi, T., Shindell, D. T., Kodera, K., Box, J. E., Nakaegawa, T., & Kawamura, K. On the origin of multidecadal to centennial Greenland temperature anomalies over the past 800 yr. Climate of the Past. 2013, 9 (2): 583–596. Bibcode:2013CliPa...9..583K. doi:10.5194/cp-9-583-2013. 
  30. ^ Kyoung-nam Jo, Kyung Sik Woo, Sangheon Yi, Dong Yoon Yang, Hyoun Soo Lim, Yongjin Wang, Hai Cheng & R. Lawrence Edwards. Mid-latitude interhemispheric hydrologic seesaw over the past 550,000 years. Nature. March 30, 2014, 508 (7496): 378–382. Bibcode:2014Natur.508..378J. PMID 24695222. doi:10.1038/nature13076. 
  31. ^ Thermodynamics: Albedo. NSIDC. [2022-02-23]. （原始內容存檔於2020-06-12）. 
  32. ^ Arctic amplification. NASA. 2013 [2022-02-23]. （原始內容存檔於2018-07-31）. 
  33. ^ Fischetti, Mark. The Arctic Is Getting Crazy. Scientific American. 2017 [2022-02-23]. （原始內容存檔於2022-04-22）. 
  34. ^ 34.0 34.1 J. A. Francis; Vavrus, S. J. Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes. Geophysical Research Letters. 2012, 39 (6): L06801. Bibcode:2012GeoRL..39.6801F. doi:10.1029/2012GL051000. 
  35. ^ Petoukhov Vladimir; Semenov, Vladimir A. A link between reduced Barents-Kara sea ice and cold winter extremes over northern continents (PDF). Journal of Geophysical Research: Atmospheres. November 2010, 115 (21): D21111 [2022-02-23]. Bibcode:2010JGRD..11521111P. doi:10.1029/2009JD013568. （原始內容 (PDF)存檔於2017-08-09）. 
  36. ^ J A Screen. Influence of Arctic sea ice on European summer precipitation. Environmental Research Letters. November 2013, 8 (4): 044015. Bibcode:2013ERL.....8d4015S. doi:10.1088/1748-9326/8/4/044015. 
  37. ^ Qiuhong Tang; Xuejun Zhang; Francis, J. A. Extreme summer weather in northern mid-latitudes linked to a vanishing cryosphere. Nature Climate Change. December 2013, 4 (1): 45–50. Bibcode:2014NatCC...4...45T. doi:10.1038/nclimate2065. 
  38. ^ Blackport, Russell; Screen, James A.; van der Wiel, Karin; Bintanja, Richard. Minimal influence of reduced Arctic sea ice on coincident cold winters in mid-latitudes. Nature Climate Change. September 2019, 9 (9): 697–704. Bibcode:2019NatCC...9..697B. doi:10.1038/s41558-019-0551-4. 
  39. ^ Russell Blackport; Screen, James A. Insignificant effect of Arctic amplification on the amplitude of midlatitude atmospheric waves. Science Advances. February 2020, 6 (8): eaay2880. Bibcode:2020SciA....6.2880B. PMC 7030927 可免費查閱. PMID 32128402. doi:10.1126/sciadv.aay2880. 
  40. ^ James E. Overland. Atmospheric science: Long-range linkage. Nature Climate Change. December 8, 2013, 4 (1): 11–12. Bibcode:2014NatCC...4...11O. doi:10.1038/nclimate2079. 
  41. ^ Mann, Michael E.; Rahmstorf, Stefan. Influence of Anthropogenic Climate Change on Planetary Wave Resonance and Extreme Weather Events. Scientific Reports. 27 March 2017, 7: 45242. Bibcode:2017NatSR...745242M. PMC 5366916 可免費查閱. PMID 28345645. doi:10.1038/srep45242. 
  42. ^ Extreme global weather is 'the face of climate change' says leading scientist. The Guardian. 2018 [2022-02-23]. （原始內容存檔於2019-04-13）. 
  43. ^ Petr Chylek; Folland, Chris K.; Lesins, Glen; Dubey, Manvendra K.; Wang, Muyin. Arctic air temperature change amplification and the Atlantic Multidecadal Oscillation. Geophysical Research Letters. 16 July 2009, 36 (14): L14801. doi:10.1029/2009GL038777. 
  44. ^ Screen, James A. Arctic amplification decreases temperature variance in northern mid- to high-latitudes. Nature Climate Change. 15 June 2014, 4 (7): 577–582 [2022-02-23]. Bibcode:2014NatCC...4..577S. doi:10.1038/nclimate2268. （原始內容存檔於2022-02-23）. 
  45. ^ Harvey, C. How cleaner air could actually make global warming worse. Washington Post. 14 March 2016 [2022-02-23]. （原始內容存檔於2020-01-21）. 
  46. ^ Acosta Navarro, J.C.; Varma, V.; Riipinen, I.; Seland, Ø.; Kirkevåg, A.; Struthers, H.; Iversen, T.; Hansson, H.-C.; Ekman, A.M.L. Amplification of Arctic warming by past air pollution reductions in Europe. Nature Geoscience. 2016, 9 (4): 277–281. Bibcode:2016NatGe...9..277A. doi:10.1038/ngeo2673. 

外部連結

取自 "https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=极地放大效应&oldid=78651222"