北極的暖化--Nature 之北極暖化的垂直結構(下)

第一篇，介紹一些研究背景。

第二篇，研究結果
Nature 這篇文章作者分析ECMWF的資料後發現，北極地區暖化現象，並不限於地表附近 -- 應該說他們發現這樣的現象只發生於春季，在其他季節，反而有的發生在中對流層(夏季)或分布於整個對流層(秋季)(註4)。另一項冬天平均溫度的變異分析也顯示了北極地區自1970年之後暖化的情況(註5)。各位都知道，北極的冬天是永夜，也就是沒有太陽光，沒有太陽光就沒有什麼長短波輻射，也就沒有反照率，如果冰與海反照率的變化真是影響北極暖化的主因，那在沒有反照率的情況下理論上暖化情況應該變少，或是至少趨緩，可是實際情況卻沒有。

Wang and Key 在2003年3月於Science Magazine(註6)，與2005年7月於Journal of Climate各上發表了一篇文章(註7)，指出大尺度環流、北極上空總雲量、AO index與北極地面溫度改變之間的強烈的關聯性。因此研究人員推測造成北極地區暖化的能量應該也可能經由大氣環流將熱量與水氣從低緯度傳送過來，影響北極地區上空的雲量，改變輻射量以及地面反照率，因而衝擊北極地表溫度的改變。

有了這樣的推測，他們做了500 hpa 溫度場與通過北緯60度的北傳大氣能量(Atmospheric Northward Energy Transport, ANET)的線性迴歸分析發現了當ANET通過北緯 60 ，再經過5天，北極上空 500 hpa 的溫度變化有很大的關聯性(註8)。接著做了其他各層，也得到同樣的結果。最近數十年裡，除了一月與二月，ANET在其他時間裡都是增加的，研究人員想知道ANET什麼時候，對於哪一層影響最為劇烈 -- 也就是引起的暖化最大。經過分析夏季半年(四月到十月)的 700 hpa 的溫度上升最為明顯(註9)。

雖然發現了這樣重大的變化，研究群仍很謹慎地，不敢把北極上空暖化的情況全部推給ANET的傳送，所以根據Wang and Key 兩篇論文，他們推測另外可能影響的兩個原因:

一個是雲量的改變。經過衛星的觀測發現北極地區上空春、夏季的雲量明顯增多(見[註6][註7]論文)，雲量增多，可能導致吸收熱能而加熱周圍的大氣。一是大氣輻射介質的改變(radiative properties)，這有可能造成過多暖濕水氣的傳輸。水氣也是溫室氣體的頭號成員，水氣變多，便會吸收更多的長波輻射，因而使得高空溫度增加(見[註6]與[註7]論文)。

一般認為長波輻射來自雲底與溫室效應氣體是導致北極地區暖化的主因，那直接來自太陽的短波輻射呢?

近來的觀測顯示北極地區海冰減少最為劇烈的地區是在北緯70 - 80度間，東經160 - 西經 160 度之間的區域，也就是圖上左上角的位置(註10)。2007年10月，Perovich et al. 在Geophysical Research Letters 發了一篇論文(註11)。這篇文章分析了自有海冰衛星資料以來1979年到2005年的海冰與每年地表吸收太陽短波入射總量的關係，尤其是在裸露海面與海冰面積之間變化的關係。研究的結果顯示了每年的地表吸收的太陽短波輻射總量跟上述區域海冰面積改變的趨勢是相互吻合的(註12)。由前一篇文所述，海冰與海水反照率不同，當融冰越嚴重，裸露海水(open water)越嚴重，吸收的太陽熱量總量也就越大。由此可知，北極地區暖化的原因，已經不只是單一的溫室氣體引發的長波輻射所造成，來自太陽的短波能量對於原本暖化後的北極無疑地更是雪上加霜。


Nature 這篇文章重要性在於確認了大尺度環流對於北極地區暖化的所扮演的角色，也證實北極對流層中低層對地表暖化的影響。這使得未來的研究重心擺在北極中低層的高空，而不是只關注在近地面。如此一來可以改進北極地區甚至全球氣候模式的模擬，以提供給我們更準確的全球氣候預報。


(註4)見Nature論文圖1b., 1c.以及1d.
(註5)見Nature論文圖2.
(註6)見論文
Wang, X., and J. R. Key, 2003, Recent trends in Arctic surface, cloud, and radiation properties from space, Science, 299, 1725-1728
(註7)見論文
Wang, X., and R. Key, 2005, Arctic surface, cloud, and radiation properties based on the AVHRR polar pathfinder dataset. Part II: Recent trends, J. Climate, 18, 2575-2593
(註8)見論文圖3.
(註9)見論文圖4.
(註10)Figure source:
NASA Earth Observatory:
http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/shownh.php3?img_id=14571
或見以下論文圖1
Rigor, I. G., and J. M. Wallace, 2004, Variarions in the age of Arctic sea-ice and summer sea-ice extent, Geophys. Res. Lett. 31, L09401, doi:10.1029/2004GL019492

(註11)見論文
Perovich, D. K., B. Light, H. Eicken, K. F. Jones, K. Runciman, and S. V. Nghiem, 2007, Incearsing solar heating of the Arctic Ocean and adjacent seas, 1979-2005: Attribution and role in the ice-albedo feedback, Geophys. Res. Lett., 34, L19505, doi:10.1029/2007GL031480.
(註12)見(註11)論文之圖3