近些年關於北極海冰消融對中緯度天氣和氣候的潛在影響的爭議主要表現在觀測和數值模擬結論不一致，和不同模式模擬結果的不一致。大量研究中的不同結論對北極海冰減小與中緯度冬季天氣和氣候之間聯系的缺乏清晰理解。不同於過去研究主要關註北極海冰減少對中緯度大氣環流影響，我們重點評估北極海冰減少對極鋒急流（Polar Front Jet, PJF）減弱趨勢的貢獻。PFJ位於中高緯度對流層上部相對溫暖潮濕的Ferrell環流和寒冷幹燥的極地環流之間🦶，可以用出現在極地鋒面上方的巨大壓力梯度來解釋🤱🏿。北極和北半球中緯度之間的溫差是PFJ變化的基本驅動力，根據熱成風原理👩🦼➡️，在極鋒附近溫度經向梯度較大，西風分量隨高度增加🕌，在對流層頂達到最大。PFJ能夠顯著影響中緯度天氣氣候，風暴路徑被認為是PFJ在地面的體現🪗。冬季風暴常沿著PFJ的路徑南傳至歐亞和北美大陸中低緯度，而夏季PFJ在高緯度的北半球大陸上起著波導作用👜🚴🏿♂️。理論上，即使沒有大氣動力過程的參與，北極海冰減少的熱力強迫作用首先導致北極融冰區上空對流層大氣增暖，降低北極和北半球中緯度之間經向溫度梯度，根據熱成風原理，將減弱極PJF或者高緯度緯向西風風速，再進一步引起北半球中緯度大氣環流變異⛔️。
我系吳其岡教授課題組發表在Climate Dynamics的論文（Kang, Wu et al. 2023）中單個模式及多模式集合平均模擬結果均表明北極海冰減少對東半球冬季北極對流層中低層大氣有顯著增溫作用👈🏼，減少歐洲和北極經向溫度梯度🌊，對1979-2014年東半球極鋒急流北側高緯度風速減弱有顯著貢獻🤶🏼。但北極海冰減少對東半球夏季北極增暖和極鋒急流增強的貢獻很弱。我們2023年發表在Climate Dynamics (Wu et al. 2023)進一步展示觀測分析和數值模擬一致及多模式之間一致結果，證明了夏季北極海冰減少引起北極對流層顯著增溫🤲🏽，減弱極地和西半球中緯度之間的經向溫差梯度，對西半球夏季PJF，高緯度大氣斜壓性🍁，對流層西風垂直風切變，和North Atlantic Oscillation (NAO)等減弱趨勢均有顯著貢獻。同時我們比較了北極海冰減少和和夏季負位相NAO的相對作用🧔🏿，NAO和北極海冰減少分別解釋50%和21%的觀測PJF減弱趨勢🍨，說明自然變率的作用可能在西半球夏季PJF減弱中占主導地位。
盡管AMIP數值模式很可能低估北極海冰的氣候效應，但我們論文提供觀測和模擬一致結果和多模式之間一致結果☂️🖐🏻，揭示了北極海冰減少對東半球冬季和西半球夏季極鋒急流減弱趨勢的顯著影響，表明極鋒減弱機製是北極海冰減少影響北半球中高緯大氣環流的最基本的機製之一。在全球增暖背景下🥲，隨著未來越來越多的北極海冰融化🧑🏼🤝🧑🏼🏵，預期對PJF的減弱作用將會持續增強。
Wu, Q., C. Kang, Y. Chen and Y. Yao. (2023). Significant Weakening Effects of Arctic Sea Ice loss on the Summer Western Hemisphere Polar Jet Stream and Troposphere Vertical Wind Shear. Climate Dynamics. 61, 4491–4513.
Kang, C., Q, Wu*, Y. Yao, Y. Chen, X. Chen, and S. R. Schroeder (2023): Has Arctic sea ice loss contributed to weakening winter and strengthening summer polar front jets over the Eastern Hemisphere? Climate Dynamics. 60, 2819–2846.
Figure 1. Observed and simulated Western Hemisphere summer (JJA) 500 hPa zonal wind (U500) and baroclinicity (defined as the difference in zonal wind speed between 500 and 925 hPa) over the period 1979–2014 in (a-b) ERA5 reanalysis, attributed to (c-d) observed SST and sea ice forcing, (e-f) observed SST forcing only, (g-h) sea ice forcing.
Figure 2. Vertical profiles of areal-averaged zonal wind trends over the domain 55°N–75°N, 180°W-0 over the period 1979–2014 in a ERA5 reanalysis, b AMIP_full and c AMIP_noSIC experiments, d attributed to sea ice forcing, AMIP_SIC, and e linearly congruent with the NAO index. Red and blue colors represent positive and negative trends, respectively. Asterisks denote significant, a, e observed or b, c forced trends, and d significantly different forced trends between the AMIP_full and AMIP_noSIC experiments, at the 10% (*) or 5% (**) significance level.
