冰冻研究人员将大大提高北极的天气预测水平
1724字
2019-11-12 19:32
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火星译客

桑德罗·达尔克深吸了一口气,将一只几乎和他一样高的白色气象气球从甲板上放了出去,使其飞向北极上空。氦气球持续向上空聚集,而连接在气球尾部的天气监测器---无线电探空仪受大风的影响剧烈摆动着。我们站在北冰洋的最北端,乘着德国破冰船“极地”号,看到当气球上升时,风立刻把它吹向右舷这这不禁让达尔科担忧起这次实验前景。一般来说,在冰冷外壳下的海洋中几乎不会碰上什么障碍物。但今天,我们被拴在一艘正逼近我们小型号轮船的俄罗斯破冰船“院士号”(Akademik Fedorov)上,他十分担心气球会撞到这艘邻船。

充气船在离船的塔吊几厘米的位置侥幸通过。在德国的阿尔弗雷德韦格纳研究所,大气科学家达尔克等待直升机自由升空后,能够轻松地穿过直升机发射台(也是他的发射台),返回办公室。在办公室内,他会对无线电探空仪捕捉到的数据实行监测,这些数据包括温度、湿度、风向、速度和气压以及气球每秒所上升的高度,直到气球爆炸并跌落海中,导致全部数据突然消失。

达尔克放飞气球只是这次协调有序的组织活动的一部分:除此之外,世界各地还有数百个气球同时被放飞并比较全部的监控数据,以便精确天气预测。但是,达尔克的气球是在北纬85度、东经133度处发射升空的,比其他任何地方距北极更近几百公里。它将为天气预测提供一个原本不存在的关键数据点。此外,他和他的同事们每隔6个小时就会从船上发射一个气球,并在一整年内都持续这样做,进行1400多次航行,这将提供更多关于北极天气的信息。根据以往在北极开展的为数不多的气球释放研究,所检测的数据实际上加强了低纬度地区的预测标准。研究结果还将大大推动气候模型的发展,而且尽管这类联系还未形成定论,但这些模型的确显示北极的变化对地球其他地方产生了显著的涓滴效应。

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北极星

质疑这种联系的主要原因之一是所谓的极地急流,它是一种环绕北极快速流转的的风河,在急流强大时,它通常会把低温封闭在内并将适宜中温革除在外。但是,如果急流变弱——这可能是由于北极和赤道之间的温度梯度变低造成的,因为前者变暖的速度比地球上其他地方快——它就会显现出波纹,显得更加蜿蜒。这就意味着波浪流中向北的山峰和向南的山谷,也就是我们在气象图上看到的高压和低压系统,使得建造过程更加频繁,持续时间更长。这种情况会导致长时间的热浪,热带风暴停滞和无休止的深冻。

“在我看来,北极对天气情况的影响似乎是显而易见的,”大气与环境研究公司(atmospheric and Environmental Research)的大气科学家犹大·科恩(Judah Cohen)说。但是这个论点,他说,是“有争议的。”

这个问题没有得到解决,在很大程度上是因为相比于地球上的其他地方,北极仍然科学研究最少达到的地方之一。“我们不理解北极中央的关键气候过程,这一点在冬季和春季尤为明显,因为当海上冰冻过厚,即使是最好的科研破冰船也无法驶入这一冰区。”探险队队长兼该任务的主要研究机构阿尔弗雷德·韦格纳研究所的大气科学家马库斯·雷克斯说。为了改变这种情况,雷克斯、达尔克、其他一批批科学家,甚至包括我在内的一些幸运的记者上个月去了北极,发现北极已经被北冰洋的海冰所冰封。著名的“北极气候研究多学科漂移观测站”(MOSAiC)作为独特平台为执行该任务并对北极系统进行为期一年的研究,以及收集春冬两季的关键数据提供了机会。达尔克和他的同事们甚至得到了一些附加数据——在我们从挪威向北飞行的过程中,他们向上空发射气象气球。例如,达尔克担心附近的破冰船时,在下午我们靠岸之前正好狂风大作,“院士”号(Akademik Fedorov)扭转航行方向,卸下了仪器、人员和燃料。然后,我们在冰面上漂流了好几个月,冰块随之慢慢地向上移动,直至越过北极。

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这些数据帮助科学家们更好地了解北极地区的一些小规模细节。这些知识是至关重要的,因为数值天气和气候模型的分辨率一点也不低——分别接近几公里和100公里。然而许多事件一般都发生在更小的空间内。例如,在我们撞向一块3.5公里宽的浮冰中心的几天后——这一举动很有可能将我们困在浮冰里一年之久——一条裂缝从地平线上向船头裂开。它绕着左舷,绕过船尾。在一个小时内,它使得冰面逐渐打开到5米的位置后开始重新冻结,最后形成了一层薄薄的黑色床单,看起来像是一条漆黑的河流流过白色的海面。我在船上的时候发现,冰面的其他位置也出现了裂缝——每条裂缝都是通过释放海水底层相对温暖的热量以影响大气状况。

尽管这些局部变化叠加在北冰洋上时,会改变大气状况,但这些变动永远不会影响气候模型。相反,科学家们建立了“参数化”模式,以便在更大的范围内将这些影响平均化——就像图片中的单个像素只反映一种颜色一样。但这些参数化方法往往是建立在中纬度地区的监测之上的,很难真实地表现冰冷而常常趋于黑暗的高北极地区。除此之外,它们也运用于北极地区,但在经历夏季的某次活动后,利用这些方法已经不能捕捉其他季节的数据。“这就是我们在这里作进一步探测的原因,”达尔克说。

举一个例子:科学家们想仔细观察一种被称为“逆温”的北极现象。在中纬度地区,大气温度随高度增加而降低。但在北极,实际上大气温度会升高——至少在冬天是这样。冰雪使冰冻的海面降温,有时温度过低,几分钟内就会冻伤。任何形式的热量都可以辐射到太空中,特别是当云层稀薄或稀少的时候,这种情况会使得高层大气比地面温度更高。温度反转——或缺乏温度反转——对于在北极释放热量或聚集热量中起着至关重要的作用。然而,阿尔弗雷德韦格纳研究所(Alfred Wegener Institute)的大气科学家马里恩·马图里利(Marion Maturilli)说,大多数气候模型都不能很好地重现这些逆反现象。

他们面临的主要挑战之一是,气温倒转最常发生在冬季,然而关于冬季的现存数据很少。猛烈风暴和冰块内部的裂缝同样会破坏逆温,使其减弱或消失。达尔克和他的同事们将利用气象气球来确定一天内四次时刻不同的反演强度,气球将前所未有捕捉到更多信息,并将其输入气候模型。伍兹霍尔研究中心(Woods Hole Research Center)的气候科学家珍妮弗•弗朗西斯(Jennifer Francis)表示:“这就是北极气候研究多学科漂移观测站带来巨大改变的地方。”弗朗西斯负责研究的是北极和中纬度天气之间的关系但这次他没有上船。如果气候模型能更好地反映温度反演,它们就能更好地预测气候变暖的地球的未来天气。

研究人员还将把这些数据输入到大气中温度层的大型地图中,用来追踪急流波的形状,从而使得预报员对于其可能向南或向北的移动距离做出准确预测。弗朗西斯说,关于北极最低层的数据已经丢失。她解释说:“当我们没有数据支持时,模型必须根据最近的测量结果并使这些扩展区域达到平均水平。”“有时这意味着气温或大气图上的显著变化被忽略了。”

达尔克和他的同事们将继续每六个小时准时发射一台无线电探空仪。但是恶劣的天气会影响他们的工作。尽管该团队已经在飞船上释放了这些设备,但他们还将从冰上发射一个系绳气球,使其漂浮在一公里的高空,并在空中停留几个小时。10月4日,我们一到达浮冰,达尔克和他的同事们就行动起来努力为该系绳气球建立完美的落地点。在释放气球之前,他们用铲子把雪铲平,在帐篷上加了一个木头地基,等待容纳落下的气球,把电力从船上输送到现场,把设备拉到冰上。但由于强风,他们还没有释放系绳气球。10月下旬(在我乘坐“院士号”(Akademik Fedorov)返回挪威的几天后),他们碰上又一难题“有一只北极熊像购物袋一样拎着我们300公斤重的帐篷,”达尔克在WhatsApp上搜寻后(船上最好的通讯工具)告诉我。幸运的是,这只动物并未对钻井平台造成明显损坏,但这一事件深刻地警醒我们,尽管钻井平台至关重要,但北极的实地考察从来就不是一件容易的事情。

关于作者

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宣农·霍尔

宣农·霍尔是一名获奖的科学自由职业记者,现在在落基山脉工作。她专门写天文学、地质学和环境方面的文章。

资料来源:尼克·希金斯

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