西风作为全球尺度大气环流的主要组成部分,对动量、热能和水汽的搬运和分布具有重要作用,极大地影响着全球气候。尤其是在中纬度地区,西风激流的位置和强度在重塑降雨模式方面发挥了巨大的作用。然而,目前对中纬度西风的演化历史及其对该地区气候变化的驱动机制仍缺乏深刻的理解。

大气阻塞的研究一直以来是气象领域的热点问题,阻塞即对应着大气环流的异常状态,通常也会伴随着天气气候的大范围变化和调整。尤其是阻塞可以引起一些极端事件的发生。

中国海洋大学教授陈显尧和美国华盛顿大学学者合作发现,现阶段北大西洋经向翻转环流的减缓并不会导致全球变冷;相反,可能会更有利于全球变暖。该成果日前发表于《自然》杂志。

最近,中国科学院地球环境研究所宋友桂研究员带领的中亚黄土研究组在受西风气候主导的中亚东部地区,利用两个末次冰期以来的黄土剖面重建了过去7万年北半球西风南北迁移历史,并将其记录同地中海石笋、格陵兰冰芯、北大西洋经向翻转流以及北大西洋海冰等记录对比,结合模式模拟,详细地调查了千年和轨道尺度西风变化的物理机制。与之前研究不同的是,该研究组考虑将粒度的变化作为西风纬度位置变化的指标,粒度的增大指示西风的北移,同时与北大西洋涛动的正异常模式有关。基于可靠的光释光测年结果,发现在千年尺度上黄土粒度变粗的阶段很好地对应了六次北大西洋海因里希事件
H1-H6,AMOC的减弱和地中海与中亚地区西风的向北迁移。粒度指标也很好地记录了格陵兰冰芯中的Dangsgaard–Oschger暖事件。在轨道尺度上,发现中亚和地中海地区的西风变化与地球的岁差轨道周期相吻合,西风的向北迁移对应了较大的岁差指数。

近来,关于北极海冰减少的研究颇多,海冰的减少对极地地区的环境和天气气候影响重大,同时也能影响中纬度的气候变化。中国科学院大气物理研究所东亚中心研究员罗德海课题组通过对1979-2013年的海冰变化进行分析,发现冬季北极地区海冰减少主要有两个关键区域:一个是北美高纬度地区(巴芬湾、哈德逊海峡及拉布拉多海);一个是巴伦支海-喀拉海附近。如果以整个北极海冰为单位建立冬季的海冰变化时间序列,其回归到位势高度距平场上对应的环流结构为北极涛动的负位相。但是如果将两个关键区域的海冰分开来建立时间变化序列,分别做回归分析,那么其对应的环流结构是完全不同的。北美高纬度地区的海冰减少对应的是北大西洋涛动负位相,同时欧亚地区北部对应温度负距平;巴伦支海-喀拉海海冰减少对应乌拉尔阻塞环流,同时上游北大西洋地区伴随着NAO+发生,这种环流配置对应着北极地区的增温和欧亚地区中纬度的异常低温结构(Warm
Arctic–cold Eurasian: WACE)。

据了解,AMOC是大洋热盐环流传送带的重要组成部分。AMOC将北大西洋低纬度的高温、高盐水向北输送至高纬度地区。以往大家关心较多的是表层过程,即AMOC向北输送暖水,为欧洲带来温暖湿润的天气。不过,随着全球气候变暖,北极海冰和格陵兰冰盖融化形成淡水并注入北大西洋,减少了北大西洋深层水的形成并且使AMOC减缓,从而使向北的热输送变少,导致欧洲以及北半球变冷。

为了更进一步研究千年与轨道时间尺度上中纬度西风变化的驱动机制,研究组运用TraCE-21ka
瞬态模拟淡水强迫模拟实验,分析了千年尺度冷事件H1和暖事件B?lling–Aller?d
时期中纬度西风对AMOC的响应。模拟结果显示AMOC的减弱引起了北大西洋海表温度的降低和春冬季海冰向南的扩张,导致了北大西洋高纬地区温度显著降低,经向温度梯度的增加以及中纬度高压异常与极区的低压异常。这样的结果最终导致了500
hPa西风的向北移动。在轨道尺度上,通过LOVECLIM和
CCSM3模型设置两组不同岁差状态下的敏感实验,研究组发现岁差引起的冬季太阳辐射变化导致了中高纬度温度梯度的改变,较大的温度梯度造成了较大的气压梯度,从而使得西风北移。因此,地质记录与模式模拟结果表明了AMOC和岁差引起的太阳辐射的变化通过改变径向温度和压力梯度分别对千年和轨道尺度上的西风纬度位置移动起到重要影响。

通过将1979-2013阶段划分为1979-99和2000-13两个阶段,发现由于P2阶段极地的增温和欧亚大陆温度的降低,经向温度梯度会减弱,引起欧亚大陆西风减弱,从而导致P2阶段的乌拉尔阻塞事件具有较长的持续性。持续的乌拉尔阻塞伴随着NAO+事件的频繁发生,使得WACE温度结构继续加强,同时也加速了海冰的融化。因此,可以认为如果巴伦支海-喀拉海地区的海冰持续减少,欧亚大陆中纬度地区的冷事件发生频率将会增加。

然而,最新研究发现,AMOC的另一个作用是在来自低纬度的高温高盐水下沉至300米深的中深层海洋的过程中,把海洋表层的热量输送至中深层海洋。而当AMOC有所减缓时,这些热量就停留在了海洋表面,加热大气,导致气候变暖加剧。

该研究首次阐明了中亚中纬度西风变化在不同时间尺度上的驱动因素及其与全球气候的关系,这不仅有助于准确预估中亚地区未来气候变化趋势,而且在揭示东亚与北大西洋气候遥相关机制、西风与季风相互作用等方面具有重要的科学意义。

同时,以2008年1月份中国南方暴雪天气的个例分析为出发点,进一步对乌拉尔阻塞事件进行了细致划分,以分析乌拉尔阻塞对准两周WACE温度结构的影响。通过对乌拉尔阻塞按照地理位置分布划分为偏北、偏南、偏东和偏西的事件,发现其引起的欧亚大陆准两周的WACE温度分布是不同的。同时,北大西洋急流强度对NAO+和乌拉尔阻塞的结构及分布具有显著的调控作用。

陈显尧介绍说,关于AMOC的直接观测主要集中在最近十几年,即2004年以来英国和美国实施的RAPID计划。该计划在北大西洋26N断面的连续观测显示,AMOC自2004年开始呈现减缓趋势。但是,研究AMOC的气候效应需要更长的时间序列。为此,科学家尝试利用海表面温度、海面高度、海水盐度等长期观测数据,重建了1950年以来AMOC的变化过程。

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