近些年关于北极海冰消融对中纬度天气和气候的潜在影响的争议主要表现在观测和数值模拟结论不一致，和不同模式模拟结果的不一致。大量研究中的不同结论对北极海冰减小与中纬度冬季天气和气候之间联系的缺乏清晰理解。不同于过去研究主要关注北极海冰减少对中纬度大气环流影响，我们重点评估北极海冰减少对极锋急流（Polar Front Jet, PJF）减弱趋势的贡献。PFJ位于中高纬度对流层上部相对温暖潮湿的Ferrell环流和寒冷干燥的极地环流之间，可以用出现在极地锋面上方的巨大压力梯度来解释。北极和北半球中纬度之间的温差是PFJ变化的基本驱动力，根据热成风原理，在极锋附近温度经向梯度较大，西风分量随高度增加，在对流层顶达到最大。PFJ能够显著影响中纬度天气气候，风暴路径被认为是PFJ在地面的体现。冬季风暴常沿着PFJ的路径南传至欧亚和北美大陆中低纬度，而夏季PFJ在高纬度的北半球大陆上起着波导作用。理论上，即使没有大气动力过程的参与，北极海冰减少的热力强迫作用首先导致北极融冰区上空对流层大气增暖，降低北极和北半球中纬度之间经向温度梯度，根据热成风原理，将减弱极PJF或者高纬度纬向西风风速，再进一步引起北半球中纬度大气环流变异。
我系吴其冈教授课题组发表在Climate Dynamics的论文（Kang, Wu et al. 2023）中单个模式及多模式集合平均模拟结果均表明北极海冰减少对东半球冬季北极对流层中低层大气有显著增温作用，减少欧洲和北极经向温度梯度，对1979-2014年东半球极锋急流北侧高纬度风速减弱有显著贡献。但北极海冰减少对东半球夏季北极增暖和极锋急流增强的贡献很弱。我们2023年发表在Climate Dynamics (Wu et al. 2023)进一步展示观测分析和数值模拟一致及多模式之间一致结果，证明了夏季北极海冰减少引起北极对流层显著增温，减弱极地和西半球中纬度之间的经向温差梯度，对西半球夏季PJF，高纬度大气斜压性，对流层西风垂直风切变，和North Atlantic Oscillation (NAO)等减弱趋势均有显著贡献。同时我们比较了北极海冰减少和和夏季负位相NAO的相对作用，NAO和北极海冰减少分别解释50%和21%的观测PJF减弱趋势，说明自然变率的作用可能在西半球夏季PJF减弱中占主导地位。
尽管AMIP数值模式很可能低估北极海冰的气候效应，但我们论文提供观测和模拟一致结果和多模式之间一致结果，揭示了北极海冰减少对东半球冬季和西半球夏季极锋急流减弱趋势的显著影响，表明极锋减弱机制是北极海冰减少影响北半球中高纬大气环流的最基本的机制之一。在全球增暖背景下，随着未来越来越多的北极海冰融化，预期对PJF的减弱作用将会持续增强。
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.
