北极放大征象的物理机制

　　随着温室气体浓度增长，在最近的观测与模式研究中都出现了北极地区（北纬67度以北）剧烈增暖征象（北极放大，AA）。很多机制被提出来诠释AA征象，比如海冰削减的作用，极地稳固的垂直温度廓线所导致削减的大气向外长波辐射，增长的云水导致的增长的向下长波辐射，增长的向极的能量输运等。然而他们的相对紧张性仍待讨论，而且这些机制并不能诠释为什么AA征象发生在冷季以及海冰敏捷削减的区域。此外，不同于AA征象形成的冰盖-反照率正反馈机制，太阳能量在北极海水中的季节性的储存与释放也是AA形成的紧张过程，在全球温室气体增长情况下，新开放的海水有利于更多热量在暖季的储存以及在冬季的释放。然而海冰削减是否是AA的需要条件？在增长的温室气体浓度下，若没有显明的海冰削减，加热以及辐射过程是否能够造成AA？这些题目仍亟待解决。

　　美国纽约州立大学Albany分校Aiguo Dai教授，中国科学院大气物理研究所罗德海研究员，宋米荣博士，以及纽约州立大学Albany分校Jiping Liu教授研究了北极地区因为海冰融化导致的海表热量的储存与释放的转变过程对AA征象的影响。基于ERA-Interim观测资料以及CMIP 5中38个耦合模式荟萃, Aiguo Dai教授，罗德海研究员等分析了1979-2016年期间AA，海冰覆盖（SIC），辐射以及热量通量的历史趋势的季节性转变，发现强的AA效应只发生在冷季，并且只发生在海冰明显削减的地区。详细来讲，暖季期间（5-9月）海冰的溶解，导致有更多的海水接受太阳短波(SW)辐射，能量被储存在北极海水上层，在冷季（10-4月）以向外的长波(LW)辐射，感热以及潜热过程释放，加热大气造成AA征象。并且冬季海冰浓度(SIC)，外观湍流热通量，海表气温(TAS)之间存在明显的空间相干。

　　在历史以及RCP(典型浓度路径)8.5情景下，行使CMIP5 9个模式分析三个历史时期SIC，北极TAS以及辐射与热通量的百年转变趋势，发现当北极海冰完全溶解时，AA效应消散。通过38个模式间比较，效果注解一个模式模仿的AA量级与相对于当前天气态的海冰削减存在较为明显的相干。此外，本研究应用CESM1模仿在CO2逐年增长1%情况下，研究固定北极海冰覆盖与自由耦合两种情况下北极温度转变情况。研究注解当SIC不变时，AA征象也会消散。因此，北极海冰快速融化是导致AA的关键因素，更快速的海冰融化会导致更强的AA征象，而其他物理过程只能通过融化海冰间接影响AA。

　　该研究最近发表于Nature Communications

　　该研究受中国科学院战略性先导科技专项“地球大数据工程专项”（XDA19070403），中国国家天然科学基金（41430533），美国国家天然科学基金（AGS-1353740），（OISE-1743738），美国能源部科学办公室（DE-SC0012602），美国国家海洋和大气管理局（NA15OAR4310086），中国国家重点研发项目（2018YFA0605901），国家海洋和大气管理局天气项目办公室（NA15OAR4310163）的资助。

　　论文信息: Dai A., D. Luo, M. Song and J. Liu. Arctic amplification is caused by sea-ice loss under increasing CO2. Nature Communications. 2019. doi: 10.1038/s41467-018-07954-9.

　　论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-018-07954-9

　　图 1.（左）CMIP5 38个耦合模式荟萃平均的季节性的历史趋势（1979-2017年）。灰色条形图（代表海冰覆盖），红线（净的短波辐射，向下为正），紫线（向外的长波辐射，上为正），蓝线（向外的潜热+感热，上为正）。（右）以上模式效果的1979-2017线性趋势的空间分布。11-12月平均的外观气温（红线），海冰浓度（填色）以及湍流通量（黄线，上为正）。

　　图 2. 9个CMIP5模式荟萃平均的不同月份的百年转变（2270–2299减2170–2199，海冰即将融化完全），彩线的意义与图1雷同。

　　图3. CESM1模仿的每年增长1%的CO2浓度情况下全球平均的外观温度，北极平均的外观温度，以及两者之差，海冰浓度的20年差异的时间序列（左：自由耦合实验；右：海冰浓度固定实验）。