1979年以来，北极地表温度的增长速度是全球平均温度的两倍以上。在过去的十年中，北极的剧烈变暖在很大程度上促进了全球持续变暖。北极温度的升高对陆地和海洋上的大气有很大的影响，包括冰川融化和永久冻土，打破了冰盖的质量平衡，减少海冰面积，并通过改变海洋环流和大气来影响全球气候系统。另外，有研究表明北极将在未来几十年增暖更加剧烈。因此对北极温度的变化及其原因进行研究是极为重要的。
近日，我系张峰教授团队在《Climate Dynamics》发表了题为“ Long-term trends in Arctic surface temperature and potential causality over the last 100 years”的研究成果。张峰教授为通讯作者，硕士生肖海霞为第一作者、合作者包括南京信息工程大学的梁湘三教授、刘仁强教授、缪丽娟副教授等人。文章中利用梁湘三教授提出的信息流的方法和刘仁强教授提出的时间序列分段模型对过去近100年的北极温度的变化趋势及其成因进行了研究。
尽管许多研究学者对北极温度的变化趋势进行了研究，然而，在特定时期内北极平均表面温度异常（AMTA）变化的潜在机制仍具有争议。许多研究分析了AMTA变化的原因，例如传统的统计相关性分析，但是观察到的相关性不一定表示因果关系。一般地，Granger因果关系检验是因果推断的常用统计方法，在以前的研究中已将其用于研究外强迫因子全球温度之间的因果关系。这些研究表明，人为强迫会引起温度变化，但结果是二值的（是或否），还有许多重要的定量信息尚待探索。因此，在本文中我们利用时间序列分段模型和信息流的方法，通过定量和定性的方法对北极温度变化的趋势和成因进行探究。研究结果表明，过去近100年北极温度的变化可分为三个部分，其中从1920到1938年为增温阶段，1939到1976年呈下降趋势，最后在1977年之后温度迅速增加（图1）。进一步的利用信息流方法具体研究了人为和自然因素与北极温度变化的因果关系（表1和图2）。结果表明：在第一个变暖阶段（1920-1938年），PDO和气溶胶可能是决定北极温度变化的主要因素。在第二个变暖阶段（1977-2018年）以CO2为主的温室气体可能是造成北极变暖的主要因素。在1939年至1976年，观测到的降温可能与气溶胶，云反射率和土地利用有关。
Haixia Xiao, Feng Zhang*, Lijuan Miao, X. San Liang, Kun Wu & Renqiang Liu (2020). Long-term trends in Arctic surface temperature and potential causality over the last 100 years. Climate Dynamics, 55, 1443–1456(2020).
https://doi.org/10.1007/s00382-020-05330-2.
图1 从1920~2018年的年平均AMTA变化（黑色实线）。其中，红色实线表示相应的线性趋势，（a）-（f）表示基于不同BP模型（0–5个BP）的结果，黑点加蓝色误差线表示BP的位置和标准偏差
表1 各种强迫因子与AMTA变化之间的信息流。单位时间步长为ut = 1年，粗体表示信息流在90％置信区间内并且绝对值大于0.1 nat / ut。 “ +/- errors”代表“+/- 90％置信区间”
Driving forces | Forces→AMTA [nat/year] | AMTA→Forces [nat/year] |
Breakpoints | 0-BP | 2-BPs | 0-BP | 2-BPs |
Year | 1920-2018 | 1920-1938 | 1939-1976 | 1977-2018 | 1920-2018 | 1920-1938 | 1939-1976 | 1977-2018 |
Total forcing | 0.389±0.115 | 0.520±0.173 | 0.065±0.058 | 0.332±0.177 | -0.026±0.063 | 0.000±0.116 | -0.044±0.039 | 0.021±0.140 |
Antropogenic | 0.332±0.110 | 0.419±0.179 | 0.058±0.093 | 0.874±0.225 | -0.006±0.003 | 0.014±0.019 | 0.008±0.009 | 0.003±0.010 |
All-GHGs | 0.246±0.096 | 0.474±0.187 | 0.171±0.138 | 0.744±0.220 | -0.007±0.001 | 0.002±0.004 | 0.003±0.003 | 0.002±0.005 |
Aerosol | 0.074±0.054 | 0.561±0.224 | 0.233±0.151 | 0.019±0.042 | -0.012±0.003 | -0.046±0.112 | -0.007±0.011 | -0.037±0.011 |
CO2 | 0.304±0.106 | 0.470±0.187 | 0.160±0.134 | 0.892±0.224 | -0.006±0.002 | 0.002±0.006 | 0.006±0.005 | -0.003±0.006 |
Land use | 0.106±0.065 | 0.263±0.172 | 0.245±0.150 | 0.194±0.139 | -0.003±0.006 | 0.020±0.038 | 0.018±0.023 | 0.025±0.029 |
Cloud | 0.081±0.057 | 0.445±0.204 | 0.234±0.152 | 0.145±0.117 | -0.008±0.002 | -0.007±0.059 | 0.011±0.008 | -0.038±0.012 |
Solar | 0.018±0.022 | 0.204±0.162 | 0.008±0.041 | -0.000±0.001 | -0.008±0.016 | 0.080±0.098 | 0.010±0.026 | 0.001±0.001 |
Volcanic | 0.005±0.015 | 0.028±0.051 | 0.171±0.106 | 0.060±0.093 | -0.010±0.014 | -0.021±0.033 | -0.061±0.074 | -0.032±0.075 |
AMO | 0.077±0.070 | 0.203±0.183 | 0.128±0.104 | 0.234±0.193 | 0.070±0.069 | 0.095±0.099 | 0.093±0.089 | 0.155±0.207 |
PDO | -0.000±0.002 | 0.533±0.366 | 0.015±0.034 | 0.031±0.045 | -0.002±0.003 | -0.079±0.331 | 0.005±0.032 | 0.063±0.053 |
图2 各种强迫因子的年辐射强迫（W/m2）变化以及AMO和PDO指数的时间序列。（a）总强迫和人为强迫；（b）总的温室气体和二氧化碳；（c）气溶胶直接效应和云反照率效应；（d）土地使用；（e）自然辐射强迫：太阳辐射强迫和火山强迫；（f）AMO和PDO指数
