北極的暖化--Nature 之北極暖化的垂直結構(上)

之前那篇新聞稿寫不到重點，受waitingchen之邀，我看過之後的將這篇文章重新詮釋出來分享給大家，希望對大家對北極地區暖化現象有更進一步的了解。

要轉載請便，但請不要自行增刪，請附上本文網址，謝謝。


這系列文主要討論文章:
Graversen, R. G., T. Mauritsen, M. Tjernstrom, E. Kallen, and G. Svensson (2008): Vertical structure of recent Arctic warming, Nature 451(7174), 53-56

第一篇，介紹一些研究背景。
北極地區由於溫度較熱帶地區為低，大氣間垂直向的對流不明顯，不像熱帶地區可以藉著垂直方向的深對流(deep convective)扮演上下層能量交換角色。因此當地表吸收了溫室氣體增加後，增加了所反射回來的長波幅射，地表溫度因而增加，進而溶解地表的冰雪區。眾所皆知，北極地區主要是海冰覆蓋。當海冰融化後，地表就變成海水。海水跟海冰有什麼不同? 他們可不只是液體跟固體的不同，主要是在於反射輻射能力不一樣。當你看著白色的冰雪，是不是比湛藍或墨綠色的海水來得亮很多? 假設入射的光能都一樣(同時來自太陽)，當一個物體反射的光能輻射越多，就表示他吸收的光能越少。這樣反射與入射一個物體表面光能的比率就稱為反照率(albedo)。因為人眼所見僅為可見光範圍，所以反照率也就僅與可見光的波段為主(波長介於 400 ~ 700 nm之間)。一般而言海冰的反照率介於0.7 ~ 0.9，海水的反照率是多少? 答案:0.07(註1)。可見冰雪能反射大部分的輻射，而海水則能吸收絕大部分的輻射。

回到極地的暖化，當北極日漸變暖後，海冰溶解，裸露海水，反照率變小，吸收更多熱能，溶解更多海冰...如此週而復始，這樣的因為大氣暖化而引發的連環效應就是一般所稱的反饋作用(feedback)。這樣的因為融冰而使得溶解更多的冰的反饋，也就稱為正向反饋 (positive feedback)。如上所述，北極地區的大氣很冷，因此垂直向的對流無法有效發揮它的作用，因此當這樣的一種正向反饋產生時，所有的暖化現象都將會被限制在對流層的底部，甚至接近地表(surface)的地方。所以現行的研究，也都偏向以地表或趨近於地表為主: 海冰(sea ice coever, sea ice extent)、地面溫度(surface air temperature)、海溫(sea surface temperature)、地面風場(surface wind field)、海平面氣壓(sea leval perssure)、地表輻射通量(surface radiation fluxes)、海水鹽度(salinity)、溫鹽環流(thermohaline)、甚至海洋邊界層(ocean boundary layer)等等。


另一個讓北極地區變暖的原因，也有可能是近地面大氣環流所造成。一般講到北極地區近地面的大氣環流，首推北極震盪(Arctic Oscillation, AO)。主要就是冬天時北極地區高壓與副熱帶高壓強度的差異稱為北極震盪指標(AO index)。當北極指標為正的時候稱為冷指標(cold index)；為負，冷指標(warm index)。顧名思義，冷指標時就是北極變冷，暖指標時北極高壓勢力強而南伸，將中緯度邊緣的風暴雨暖濕水氣帶進北極地區，北極變暖(註2) 。本來可以用這個指標來判斷北極暖化或冷化的作用，卻因為近30年來北極地區溫度持續增暖的關係，改變了大氣環流結構，因而已經很難再用它來判斷北極地區的近年來的暖化現象。(註3)

第二篇，這篇文章的研究結果 (待續)。

(註1)見論文
Pegau, W. S., and C. A. Paulson (2001), The albedo of Arctic leads in summer, Ann. Glaciaol., 33, 221-224
(註2)有興趣的人請自行 google 查詢 Arctic Oscillation
(註3)AO 圖片來自: http://nsidc.org/arcticmet/patterns/arctic_oscillation.html