2013 03 北極海冰前哨站

根據美國國家冰雪中心(National Snow & Ice Data Center; NSIDC)最新一期的北極海冰監測報告顯示，上個月(2013年三月)，這個每年海冰最多的月份裡，北極的海冰範圍(Sea Ice Extent; SIE; 圖一)大約有一千五百零四萬平方公里(15.05*10^6 km^2)，也是有衛星觀測以來第五低(註圖二)。

Figure 1: 2013 三月北極海冰分布圖
Image courtesy of the National Snow and Ice Data Center,
University of Colorado, Boulder.

雖不似2012年九月北極的海冰範圍緊縮到了只有三百四十一萬平方公里(3.14*10^6 km^2)的歷史新低(http://nsidc.org/arcticseaicenews/2012/09/)，根據初步判斷的結果顯示，是因為整個冬季極區都處於負相位的北極振盪(Artic Oscillation; AO)影響，而減少了整體海冰的流失。儘管如此，夏天時在太平洋側的極區海域，海冰的型態仍然以碎冰為主，顯示在這個區域的海冰，受地球整體暖化的影響已大於北極振盪對於保存海冰的能力。

Figure 2: 1979-2013 三月平均海冰範圍
Image courtesy of the National Snow and Ice Data Center,
University of Colorado, Boulder.

 另一個比較有趣的是對新舊海冰覆蓋率的初步分析。圖三上顯示2013年三月北極雖然為海冰所覆蓋，可是小於一年的新生海冰(也就是較薄)卻占了大多數地區，一般而言存在大於一年的海冰覆蓋率大約站整體面積的 60%，如今大概只剩 30%。圖三下圖則是每一年新舊海冰覆蓋率隨時間變化的情形。小於兩年的新生海冰從2007年的最高覆蓋率到2011的反彈，再到今年的升高；基本上仍占整體北極海域 75%的面積，值得持續觀察未來的變化。
更多詳細資訊請參考 Arctic Sea Ice News & Analysis @ NSIDC

Figure 3 新舊海冰涵蓋比例隨時間的變化
Image courtesy of J. Maslanik and M. Tschudi and
the National Snow and Ice Data Center,
University of Colorado, Boulder.

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北極的暖化--Nature文章之北極暖化的垂直結構 (1)

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。
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)
Image Source: National Snow and Ice Data Center (NSIDC)

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

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註:
原文轉載於Ecophilia板@ptt.cc 于 Mon Jan 7 23:43:24 2008

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北極的暖化--Nature 之北極暖化的垂直結構 (2)

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


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註:
原文轉載於Ecophilia板@ptt.cc 于 Tue Jan 8 22:03:28 2008

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[心得] The day after tomorrow 觀後 (1)

終於，有機會可以去看看這部傳說中的電影了。影片中的場景到底會不會發生，或是跟現實有什麼樣的差異等等...我在這裡就不多說了，想看的人可以看看我在上面轉載第162與163篇，專家們的評論。

這部電影用了許多我們大氣領域的專有名詞與作業技術，儘管大家看龍捲風、海嘯與結凍人看得很過癮...在這裡沒有中文字幕，可能有些東西大家看起來會比較吃力，我想可以提供我所知道的東西給大家，看過的人對劇情會有多一些瞭解與連貫。不敢說我講得一定都對，也希望知道我說錯的人不吝給予指教。最後，我是就我的覺得比較特別的東東提出來給大家，如果還有其方面他的疑問我沒提出來，也歡迎大家一起討論喔！

咳~
那就先從第一幕南極開始....

1. ice core(冰核):
冰棚(ice shelf)因為全球暖化而開始融解，崩裂。科學家為什麼要拼了命跳過去，又跳過來，拿那幾支"冰棒"呢？
因為冰核一個觀測地球氣候變化得很重要的一個proxy。從地表往地底鑽幾公尺深的冰柱，不同的積雪層理，分析每年的積雪量，進而瞭解當地氣候的變化。冰核除了可以看積雪量之外，裡面的沈澱物質還可以分析當時大氣裡化學得成分與組成，加上一些積存在氣泡內的氣體，也可以推斷當時當地的大氣的溫度...所以，對科學家而言，這是一樣很重要的資料，他才會冒死衝過去搶救。

冰核(ice core)的資訊請參考以下網頁，可以得到更詳細的資訊：

NOAA的 National Snow and Ice Data Center:
http://nsidc.org/noaa/index.html

Ice core detail:

Image: Flickr user ¤ Planet Ø Tyler ¤, a Creative Commons license.


待續...

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人生繁擾一場夢
但求浮雲一片白

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※ 發信站: 批踢踢參(ptt3.cc)
◆ From: 168.95.4.249

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註:
原文轉載於UMD板@ptt3.cc, mph所著之[心得] The day after tomorrow 觀後系列文(1)
于 Mon May 31 01:27:13 2004

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