微专题——北极放大效应及其影响
2022/11/22 18:02:52 爱天涯学地理
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什么是北极放大效应
北极地区是全球变化响应最敏感的区域，北极地区地表气温的增暖速度是全球平均的2-3倍，称之为北极放大效应(Arctic Amplification)。过去30年来北极气温异常值越来越大，到2019年已经升温达3摄氏度以上。为什么北极升温速度比其他地方快？
1.海冰—反射率正反馈
我们都知道，白色冰雪对于太阳辐射是具有反射作用的。全球气候变暖，北极地区海冰消融变成开阔水面，海冰的反射作用消失，而海水吸收和储存了更多的太阳辐射，海水对近地面的加热作用随之增强，导致近地面升温。更暖的气温使得海冰进一步减少, 从而形成了海冰—反照率正反馈，加速了北极的升温速度。
海冰反射率
2.大气温度反馈
根据普朗克定律可知，在同等的外部辐射强迫下，绝对温度越高，为达到向外辐射能量平衡所需要的温度调整便越小，反之亦然。比如在30°C时，为平衡1 W/m2的辐射强迫气温需要升高0.16°C，而在-30°C时, 为平衡同样能量所需的增温则达到0.31°C。由于北极地区的绝对温度明显低于中低纬地区，在同等辐射强迫下，北极地区需要更高的增温来达到新平衡。所以这也会造成北极地区升温比其他地区快。此外，由于北极地区的增温主要在大气的低层，而热带地区主要在中高层，因此大气增温对于北极地表温度升高影响更显著。
不同地区的热辐射强度因温度和吸收能量等而有差异
3.云和水汽反馈
众所周知，水汽是一种重要的温室气体，能够吸收大气中的太阳长波辐射并储存热量，增强大气的保温作用。随着全球气候变暖，北极地区大范围海水蒸发，大气中水汽容量增多，对应的云量也会增多，大气的保温作用增强，造成北极地区升温。大量研究表明, 云和水汽的增多是近年来北极海冰减少和北极增温的重要原因。
大量水汽入侵后对北极气温快速升高
4.除以上三点原因外，大气环流和洋流也能将低纬度的水汽和热量输送到北极。
北极放大效应的驱动机制
针对这一独特现象，气象学者提出了许多关于北极放大效应的物理机制，主要分为四类：一、温室气体增加导致全球气温升高，北极海冰融化后海水吸收了更多的太阳辐射，进而导致海冰进一步减少，从而造成北极气温的进一步升高，形成了恶性循环；二、北极云量和水汽的增加导致更多的长波辐射被反射回地面；三、中纬度波动向北极输送更多的热量和水汽(一种温室气体)；四、海洋变暖后向极地输送更多热量，导致海冰融化；
虽然以上机制可以在一定程度上解释北极变暖，但北极变暖的速度还是超出了预期，说明北极变暖还有许多未解之谜，有待于科学家进一步揭秘。
近年来随着温室气体增加，北极气温迅速升高，比全球其他纬度的增温都要快，这使得北极和中低纬度间的温度梯度减小，大气的正压性增强，有利于极端天气气候事件的发生，在这种背景下北极和邻近区域出现极端天气气候事件，尤其是高温事件的概率也会越来越大。同样，北极变化与中纬度天气气候的联系也存在争议，气象学者正在对它们在何种时间尺度，哪些区域，以何种方式存在联系进行着激烈的争论。
(图片源自AER)
北极升温和海冰较少影响
首先，北极陆地和海洋生态系统发生变化。在陆地上，积雪快速融化，植被覆盖增加，树线北移；在海洋里，温度和光照的增加促进了浮游植物的生长，鱼类等随之北上，渔业资源也北移。极地是全球生态安全的屏障，作为地球上的生态脆弱带，这些变化可能给寒冷生态系统的微妙平衡带来重大破坏。
其次，二氧化碳等温室气体的循环过程发生极大改变。北极是目前地球上碳源汇格局变化最剧烈的地区。
碳源和碳汇分别指二氧化碳的释放源和吸收体。一方面，地表大量营养盐物质在冰层融化后被冲刷入海，开阔海域面积和持续时间增加，都有利于海洋植物的生长，加强了碳从海洋表层向深层的转移和埋藏，这一将碳“抽”入海底的过程也被形象地称为“海洋生物泵”；另一方面，冻土层加速融化加剧了土壤中甲烷和二氧化碳的释放，海域的扩张也加大了浮游生物对二甲基硫等温室气体的排放。可见，碳源和碳汇在北极都有所增加。总体来说，北冰洋是大气二氧化碳的“汇”，但这个“汇”涉及上述陆地与海洋物质交换的多种过程，未来究竟会如何变化，目前尚不得而知。
最后，北极地区发生的海—冰—气相互作用过程也对北半球的气候和极端天气产生了影响。北极海冰面积减少会导致北半球冬季大气环流场的变化，造成中纬度气压降低和高纬度气压升高，给北半球国家带来频繁的寒潮与暴雪，甚至影响雾霾的扩散。此外，冰层的融化也会导致海平面的升高。据估算，如果格陵兰岛的冰川全部融化，全球海平面将上升约7米。即便较小的海平面上升，加上台风、风暴潮等极端天气的共同作用，也将给沿海地区带来巨大灾难。
北极的快速变化也能带来新的经济机遇：北极航道通航能力增强，油气、渔业等资源开采的条件将大为改善。然而，对于北极，我们已知的还很少，未知的还太多。未来，对北极变化情况及其生态效应影响还需开展更多的科学研究。在此基础上，各国也应立足长远，为应对气候变化、规范北极治理积极展开磋商和合作。
1982-2007，北冰洋较厚冰层逐渐减少
(图片：wikipedia@National Snow and Ice Data Center)▼
冰盖融化导致极地冷涡南移
在正常年份，北极的海冰面积在3月份时到达最大值16000000平方千米，9月份时经过一整个夏季的融化，到达最小值7000000平方千米。因为海冰的反照率远远大于海水，所以冬季时可以反射而不是吸收更多的太阳能，夏季则相反。数百万平方千米的冰盖与海水之间的切换，对全球气候都能起到影响，对北半球中高纬度的影响尤其明显。
夏季和冬季差异很大，这是一个巨大的调节系统
(参考：NOAA)▼
冰盖减少会造成大气环流的异常，重要表现包括向极温度梯度减弱(因为北极自己的气温上升了)，大陆上空纬向西风减弱，西伯利亚高压增强等等，而后者对中国冬季气候来说至关重要。
此外，极地涡旋是影响气候的重要因素，它是大气高层的紧密旋转气流。漩涡可以将极地温度极低且密度较大的空气，一直通向上空的平流层，就像无形的弹力绳“束缚”着冷空气，把冷空气限制在北极地区。
它的形成源于地球高低纬度之间的气压差(也就受到温度差的影响)。北极与赤道的温差越大，极地涡旋也就越稳定，越能将冷空气锁定在极地。
其实极地涡旋南北极都有，但是南极大陆更冷，周边陆地更少，涡旋更强更稳定，目前还没有发生什么变化。而在陆地占比比较大的北半球，气流交换的干扰作用更加明显，所以北极极地涡旋的受干扰因素更多。
一旦极地涡旋偏弱，留出的空间就会被较为温暖的气团北上占据，挤压极地涡旋原本的空间。受到挤压的极地涡旋影响范围就变得不再稳定、规则，北极气团就可能被“挤”到更靠南的地方。
严重时，极地涡旋本身也会发生分裂。正常情况下，北极涡旋会分裂为两个，分别分布在加拿大的巴芬岛和西伯利亚东北部，它们分别控制着西北半球和东北半球的高纬度气流，这种情况也还算稳定。
全球变暖越来越显著，这导致海冰减少，反射减弱，吸收更多太阳热力，海冰进一步减少的恶性循环，所以出现了非常反常识的现象——北极升温幅度接近其他地区平均升温幅度的三倍。
北极比赤道暖化更快也就意味着两者之间的温差正在减弱，大气环流也因此受到影响。继而，它减弱了极地涡旋和西风急流，使西风急流较为波动，有利于北极冷空气南侵。
所以在过去四十年，极地涡旋的偏弱的趋势在逐渐明显，在近年来终于愈发明显地出现分裂。在最严重时分裂为杂乱无章的数个，并南下到北半球中高纬地区，这也就解释了为什么在2010年代，美国东北部的冬季变得更加严酷。
除了极地涡旋减弱的大环境，发生于赤道中东太平洋的拉尼娜事件，对这个尤其寒冷的冬季也起到了推波助澜的作用。
拉尼娜现象源自东南信风吹走了太平洋东部被晒热了的表层海水，导致底部寒冷的海水上翻，赤道太平洋中部和东部海洋表面温度的大尺度降温，并影响热带大气环流，进而影响风和降雨量。它对天气和气候的影响通常与厄尔尼诺现象相反，对中国来说，增加冷冬出现的概率。
训练题
2017年2月8日，格陵兰岛北端的气温升至0℃以上，引发世人关注。近30年来，北极地区不仅在变暖，而且变暖速度是全球平均速度的2倍，这种加速变暖现象被称为“北极放大效应”。据此完成1，2题。
1.“北极放大效应”现象的形成机制是 ( )
A.受高气压带控制，晴朗天气多
B.极昼时间长，海水热量收入多
C.海冰消融，海面的反射率下降
D.周边国家的温室气体排放剧增
2.受“北极放大效应”的影响，下列北极地区的现象中，首现日期推迟的是
A.苔原植物的花期
B.北极鸭的北迁日期
C.入海河流的汛期
D.沿海港口的封冻期
1.C 2.D
1、根据题干信息“近30年来，北极地区的变暖速度是全球平均速度的2倍，这种加速变暖现象是北极放大效应”，从中可以提取隐性信息：全球都在变暖，但北极地区变暖速度比其它地区速度要快，所以解题关键是”要和其它地区比较，或者是北极地区30年前后比较“。回到选项中，北极地区并不全是受高气压带控制，且北极地区受风带与气压带控制不会是在短短的30年内出现变化，同样的气压带或风带控制，不会出现30年前后不同的变暖速度，A不符合；极昼时间长，海水热量收入多也不会导致30年前后的变暖速度不同，且纬度较低的一些海区其海水热量收入要比北极地区收入还要高，B不符合；周边国家的温室气体排放不会只往北极地区方向流动，且北极地区的风带为极地东风带，所以D也不符合；而由于全球气候变暖，两极地区海冰融化，北极海冰减少后，对太阳辐射的反射率下降，海水吸收的太阳辐射量会增加，会导致北极地区变暖加速，故C正确。
2、“北极放大效应”其实就是北极变暖的现象，区域变暖，平均气温上升，植物的花期就提前，不会推迟，A错；变暖后冷的时间减少了，冷的程度降低了，北极鸭北迁返回原地的时间只能提前而不会推迟，B错；变暖周边陆地上的冰原或积雪融期提前、融速加快，入海河流的汛期也不会推迟，C错；北极区域变暖了，平均寒冷期就会减少，所以沿海港口的封冻初始期只会往后推迟，解冻期提前，所以D正确，故本题选D。
气象工作者研究出一种符合北极地区自然景象的四季划分标准，把冬季以后五天平均气温稳定大于10°C，海冰开始融化时作为春季的开始。研究表明,近三十年北极地区夏季升温幅度小于冬季,北极海冰面积呈减少趋势。海冰的减少促使中国开辟到欧洲、北美洲的北极航线成为现实。下图是北极地区2002~2011年不同季节海冰面积变化图。据此完成下面小题。
3.北极地区海冰面积最大的月份是( )A.1月B.2月C.3月D.4月4.北极地区夏季的升温幅度小于冬季,其原因是( )A.夏季海冰融化释放的热量多B.海水的比热容大导致升温较慢C.冬季海水结冰吸收的热量多D.冬季冰面对太阳辐射的反射强5.与中国至欧美的传统航线相比,船舶在北极航线航行过程中( )A.航行速度较快B.航行速度稳定C.航行方向多变D.单位距离能耗低
【答案】3.C 4.B 5.C【分析】3.由材料可知，春季(4-6月)海冰开始融化，因此海冰面积最大的月份应是北极地区的冬季末，即3月份。故C正确，ABD错误。故选C。4.夏季海冰融化是吸热过程，有利于近海面大气降温，A错误。夏季时，由于海水的比热容大，导致升温较慢，是近海面大气的“冷源”，不利于近海面大气的升温，所以夏季的升温幅度小，B正确。冬季海水结冰是放热过程，有利于近海面大气升温，所以冬季升温幅度大，C错误。冬季冰面对太阳辐射的反射强，不会导致冬季升温幅度大，D错误。故选B。5.北极航线附近多冰山、浮冰，为避开冰山、浮冰需保持较低的航行速度，单位距离能耗高；且航行速度、航行方向会根据具体情况实时调整，所以与中国至欧美的传统航线相比，航行方向多变，C正确。ABD错误。故选C。
北极冰融是近年来最引人注目的气候变化现象之一,白色冰面融化变成颜色相对较暗的海冰,被称为“北极变暗”现象。21世纪以来,北极的气温变化是全球平均水平的2倍,被称为“北极放大”现象。读下图完成下面小题。
6.“北极放大”现象的原因,最可能是海冰的减少导致北极地区( )A.海洋对太阳辐射的吸收增强B.海洋对太阳辐射的反射增强C.大气对太阳辐射的吸收增强D.大气对地面辐射的吸收减弱7.图示期间( )A.北极年海冰面积逐年减少B.北极年海冰面积减少速度不断加快C.北极年海冰面积与年平均二氧化碳浓度大体呈负相关D.北极年海冰面积与年平均二氧化碳浓度大体呈正相关【答案】6.A 7.C【分析】6.北极的气温变化是全球平均水平的2倍，被称为“北极放大”现象,主要原因是海冰减少，可能导致北极地区海洋对太阳辐射的吸收增强，并且由于海冰减少，冰面反射减少，整个海洋对太阳辐射的反射减弱，到达下垫面的太阳辐射增强，故海洋对太阳辐射的吸收增强，故A正确，B错误；海冰的减少导致下垫面的性质变化，从而改变了太阳辐射，导致气温变化。与大气关系不大。故CD错误；故选A。7.从图中可以看出,图示期间北极年海冰面积以减少趋势为主，但是波动减少的，不是逐年减少，而且有时会上升的，故AB错误;一定要认真，左边的纵坐标与右边的纵坐标递变方向不同，北极年海冰面积与年平均二氧化碳浓度大体成负相关,故C正确，D错误。故选C。
8.阅读图文资料，完成下列要求。(16 分)2021年2月，美国遭遇破纪录的极寒天气，美国大陆地区超过73%的土地被雪覆盖，至少有 20 个城市打破了历史最低气温纪录，这次北美降温和极地涡旋有关。极地涡旋是指地球极地上空的气旋，极地涡漩将温度极低、密度较大的空气，一直通向平流层，就像无形的弹力绳“束缚”着冷空气，把冷空气限制在北极地区。两极和赤道之间的温差越大，极地涡旋越强，越稳定；而极地涡漩变弱时，会被暖气团挤占，被挤往极地之外。近几年来，极地涡旋多次被挤南下。
(1)描述极地涡旋影响美国境内大部分地区的过程。(6分)
【答案】赤道和极地之间的温差变小,极地涡旋变弱(2分)；暖(亚热带)气团北上,挤占极地涡旋的空间,使之向南移动(2分)；美国东西部海拔高,中部低,冷空气迅速向南扩展(2分)。(2)极地涡旋南北极都有。比较南北极极地漩涡的稳定性，并解释其原因。(6分)【答案】南极更稳定(或北极更不稳定)(2分) 南极大陆更冷,与赤道的温差较大(2分)；南极大陆附近海洋占比较大,性质单一,干扰因素较少(2分),涡旋更强更稳定。(或北极温度较高,与赤道的温差较小(2分)；北极附近陆地占比较大,干扰因素较多(2分),涡流相对较弱且不稳定)(3)从极地涡漩稳定性角度，分析近年来北半球的北欧、俄罗斯、加拿大、美国多次出现极寒天气的成因。(4 分)【答案】全球变暖越来越显著,导致北极海冰融化(2分)；冰层反射减弱,海水吸收了更多太阳辐射,海冰进一步减少,进而形成了恶性循环,北极升温幅度高于其它地区(2分),北极与赤道地区的温差减小,极地涡漩变弱且更不稳定,涡旋被暖气团挤压,冷空气南下影响附近各国。
9.阅读图文资料，完成下列要求。巴伦支海(下图)是北冰洋的边橼海，94%的面积位于大陆架上，其北侧、东侧岛屿林立，内部一座岛礁也没有，海面十分宽广。北冰洋绝大部分终年被海冰覆盖，但巴伦支海的水温常年在4℃～12℃，被誉为北冰洋的“暖池”。斯瓦尔巴群岛位于北冰洋永冻层南缘，巴支海的北部边缘，岛上居民2300人，而北极熊的数量却高达3000只，有“北极熊王国”之称。北极熊依赖海冰漫步、繁殖，以浮冰作为平台捕食，海豹是它的主食。北极熊主要生活在群岛东岸，居民大多住在群岛西岸。近年来，北极熊经常闯入人类的聚居区觅食，据研究北极熊的专家说，这是由于北极熊的生存环境变化造成的。
(1)试分析巴伦支海被誉为北冰洋“暖池”的原因。
(2)简析北极熊主要集中在斯瓦尔巴群岛东部的原因。
(3)推测北极熊的生存威胁可能来自哪些方面。
【答案】(1)北大西洋暖流给巴伦支海来大量温暖的海水；巴伦支海北侧、东侧岛屿林立，像天然的屏障，使得海冰难以逾越；巴伦支海绝大部分位于大陆架上，海水浅。(2)斯瓦尔巴群岛东部沿海多浮冰，利于北极熊捕猎海豹；巴伦支海及其附近海域为北大西洋暖流和北冰洋冷海水交汇处，浮游生物紧盛，鱼虾成群，海豹数量多，食物充足。(3)全球变导致海冰融化，浮冰减少，影响北极熊的觅食和繁殖；人类大肆捕杀海豹和北极熊；生产和生话排放的废弃物致使海水污染严重影响北极的生存环境。【详解】(1)附近有北大西洋暖流流经，北大西洋暖流给巴伦支海来大量温暖的海水，增温增湿作用明显，因此温度较高；从图中可以看出，巴伦支海北侧、东侧岛屿林立，像天然的屏障，使得海冰难以逾越；巴伦支海94%的面积位于大陆架上，绝大部分位于大陆架上，海水浅。(2)北极熊依赖海冰漫步、繁殖，以浮冰作为平台捕食，北冰洋绝大部分终年被海冰覆盖，斯瓦尔巴群岛东部靠近格陵兰岛，沿海多浮冰，利于北极熊捕猎海豹；海豹是它的主食，巴伦支海及其附近海域为北大西洋暖流和北冰洋冷海水交汇处，浮游生物紧盛，鱼类资源丰富，食物充足，海豹数量多，为北极熊提供了充足的食物。(3)北极熊以海冰为平台捕捉海豹和鱼类，气候变暖结冰期变短，北极熊的捕食时间缩短，导致食物匮乏，海冰减少，北极熊的栖息地和捕食平台减少，影响北极熊的觅食和繁殖；人类大肆捕杀海豹和北极熊是威胁北极熊生存根本原因；岛上居民2300人，人口增多，生产和生活排放的废弃物，致使海水污染严重影响北极的生存环境。
10.阅读图文材料，完成下列要求。北极熊是一种能在恶劣环境下生存的肉食动物，其活动范围主要在北冰洋附近有浮冰的海域(如图所示)。食物主要为北冰洋海域的各种动物。一般在每年的3~5月后辗转奔波于浮冰区觅食，过着水陆两栖的生活；严冬时节，北极熊几乎可以长时间不吃东西，进入冬眠状态：近年来，加拿大的北极熊专家通过对秋季抓到的北极熊熊掌上长满长毛这一想象，推测北极熊也可能出现局部夏眠。
(1)说明3~5月为北极熊主要觅食活动期的理由。
(2)分析导致北极熊觅食活动期出现局部夏眠的原因。
(3)说明针对北极熊觅食活动期出现异常应采取的保护措施。
【答案】(1) 3-5月北极地区气温回升，部分冰川融化，洋面浮冰区面积扩大；动植物开始活跃、生长、繁殖，食物充足(2)全球气候变暖，北极地区气温上升，北极冰层加速融化，北极冰盖退缩，浮冰数量减少；北极航道开通，北极油气开发，漏油、船舶垃圾和废弃物的随意排放造成一定的水污染，食物来源减少；北极熊的栖息地遭到一定程度的破坏 (3)保护措施：控制碳排放，减缓全球气候变暖；开展了国际合作和交流，制定国际公约，保护北极熊的栖息地；建立海洋保护法规，提高公众环保意识；建立北极熊自然保护区，投放适量食物【解析】(1) 3-5月太阳直射点北移，北极地区气温回升，部分冰川融化，洋面浮冰区面积扩大，北极熊活动范围扩大，捕食范围扩大；动植物开始活跃、生长、繁殖，北极熊的食物充足。(2)夏眠的理由与气候变化对北极熊的生活空间、食物来源的影响有关；全球气候变暖，北极地区气温上升，北极冰层加速融化，北极冰盖退缩，浮冰数量减少，北极熊栖息的空间范围变小；北极航道开通，北极油气开发，漏油、船舶垃圾和废弃物的随意排放造成一定的水污染，食物来源减少；北极熊的栖息地遭到一定程度的破坏。(3) 北极熊活动范围主要在北冰洋附近有浮冰的海域，气候变暖，其活动空间变小，进而影响北极熊种群数量，保护措施要先保护大气环境，要保护北极熊的栖息生活环境及其食物链：控制碳排放，减缓全球气候变暖；开展了国际合作和交流，制定国际公约，保护北极熊的栖息地；建立海洋保护法规，提高公众环保意识；建立北极熊自然保护区，投放适量食物。本题主要考查地理环境对生物的影响。3-5月太阳直射点北移，北极地区气温回升，部分冰川融化，洋面浮冰区面积扩大，北极熊活动范围扩大，捕食范围扩大；动植物开始活跃、生长、繁殖，北极熊的食物充足。夏眠的理由与气候变化对北极熊的生活空间、食物来源的影响有关；全球气候变暖，北极冰层加速融化，北极熊栖息的空间范围变小；北极航道开通，北极油气开发，造成一定的水污染，食物来源减少；北极熊的栖息地遭到一定程度的破坏。北极熊活动范围主要在北冰洋附近有浮冰的海域，气候变暖，其活动空间变小，进而影响北极熊种群数量，保护措施要先保护大气环境，要保护北极熊的栖息生活环境及其食物链。
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