冬季北极涛动对西伯利亚高压、东亚冬季风以及海冰范围的可能影响

利用NCEP／NCAR月平均再分析资料（1958－1997），月平均海表面温度资料（1950－1992）以及月的海冰密集度资料（1953－1995），研究了冬季北极涛动与西伯利亚高压、东亚冬季风以及巴伦支海海冰范围之间的联系。研究结果表明，冬季北极涛动不仅影响北极和北大西洋区域气候变化，并且可能影响冬季西伯利亚高压，进而影响东亚冬季风。当冬季北极涛动处于正位相时，冬季西伯利亚高压和东亚冬季风都偏弱，在西伯利亚南部和东亚沿岸，包括中国东部、韩国和日本，从地表面到对流层中部气温偏高0.5-2℃。当冬季北极涛动处于负位相时，结果正相反。研究结果还表明，冬季西伯利亚高压对北极以及北大西洋区域气候变化没有显的影响，与北极涛动的影响相比，西伯利亚的影响强度和范围明显偏弱。研究进一步揭示了冬季北极涛动可能影响西伯利亚高压的可能机理。冬季西伯利亚高压与动力过程以及从地表面到对流层中部的气温变化有密切的关系。西伯利亚高压的西部变化主要依赖于动力过程，而其东部与气温变化更为密切。冬季西伯利亚高压的维持主要依赖于对流层中的下沉气流，这种下沉气流源于北大西洋区域，其变化受到北极涛动的影响。当冬季北极涛动处于正（负）位相时，气流的下沉运动明显减弱（增强），进而影响冬季西伯利亚高压。此处，冬季北极涛动对同时期的巴伦支海海冰范围有显的影响。     

2012/2013年东亚冬季风活动特征及其可能成因分析

东亚冬季风目前处于年代际偏强的气候背景下,2012/2013年东亚冬季风强度指数(EAWM)为0.83,连续第六年强度偏强。2012/2013年冬季,北极涛动(AO)指数维持负位相,导致全国平均气温较常年同期略偏低。季内,西伯利亚高压强度变化显著,与之相对应,我国气温季内阶段性变化大,前冬冷、后冬暖。进一步研究表明,前秋北极海冰的大幅偏少是造成东亚冬季风偏强的重要原因,前期海冰范围的减少有利于冬季欧亚大陆北部的海平面气压出现正异常,致使西伯利亚高压的偏强,有利于冷空气南下我国。而西伯利亚高压和东亚冬季风季内变化主要是受平流层环流异常信号影响,1月中旬前后,北半球高纬地区平流层位势高度出现明显正异常并迅速下传影响对流层中低层,造成西伯利亚高压和冬季风季内阶段性偏弱。     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

秋季区域海冰面积异常与冬季大气环流及东亚区域气候的关系

利用北极海冰面积资料和NCEP／NCAR再分析逐月高度场、风场资料以及中国160站气温资料，探讨秋季区域海冰异常与冬季大气环流及区域气候的关系，结果表明，秋季东西伯利亚海海冰的年际变化与北半球冬季大气环流及东亚冬季风有着密切的关系，秋季该海区海冰偏多（偏少），相应冬季东亚冬季风偏强（偏弱）；进一步分析发现秋季该海区海冰面积偏大（偏小），相应冬季中国大部地区气温明显偏低（偏高）。     

北极海冰的厚度和面积变化对大气环流影响的数值模拟

文中利用中国科学院大气物理研究所设计的两层大气环流模式 ,模拟研究了北极海冰厚度和面积变化对大气环流的影响 ,尤其是对东亚区域气候变化的影响。模式中海冰厚度处理趋于合理分布 ,导致东亚冬、夏季风偏强 ,使冬季西伯利亚高压和冰岛低压的模拟结果更趋合理 ;另一方面 ,海冰厚度变化可以激发出跨越欧亚大陆的行星波传播 ,在低纬度地区 ,该行星波由西太平洋向东太平洋地区传播 ;海冰厚度变化对低纬度地区的对流活动也有影响。冬季北极巴伦支海海冰变化对后期大气环流也有显著的影响。数值模拟结果表明 :冬季巴伦支海海冰偏多 (少 )时 ,春季 (4～ 6月 )北太平洋中部海平面气压升高 (降低 ) ,阿留申低压减弱 (加深 ) ,有利于春季白令海海冰偏少 (多 ) ;而夏季 ,亚洲大陆热低压加深 (减弱 ) ,5 0 0 h Pa西太平洋副热带高压位置偏北 (南 )、强度偏强 (弱 ) ,东亚夏季风易偏强 (弱 )。     

北极海冰融化影响东亚冬季天气和气候的研究进展以及学术争论焦点问题

北极历来是影响东亚冬季天气、气候的关键区域之一。北极表面增暖要比全球平均快2~3倍,即所谓北极的放大效应。随着全球增暖的持续以及北极海冰的持续融化,北极的生态环境正在发生显著的变化,进而可能对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。本文概述了有关北极海冰融化影响冬季东亚天气、气候的主要研究进展,特别是自2000年以来,北极海冰异常偏少影响东亚冬季气候变率以及极端严寒事件的可能途径、存在的科学问题,以及学术界的争论焦点。秋、冬季节是北极海冰快速形成时期,此时北极海冰对大气环流的影响要强于大气对海冰的影响。近二十年来的研究结果表明,北极海冰异常偏少,不仅影响北冰洋局地的气温和降水变化,而且通过复杂的相互作用和反馈过程,对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。北极海冰通过以下两个可能机制来影响东亚冬季的天气、气候:（1）北极海冰的负反馈机制;（2）由海冰异常偏少引起的平流层-对流层相互作用机制。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,特别是,巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少,既可以加强冬季西伯利亚高压（东亚冬季风偏强）,也可以导致冬季风偏弱。导致海冰影响不确定性的部分原因是:（1）夏季北极大气环流状态影响北极海冰异常偏少对冬季大气环流的反馈效果;（2）冬季大气环流对北极海冰异常偏少响应的位置、强度不同造成的。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,在适宜的条件下（例如,前期夏季北极大气环流的热力和动力条件,有利于加强北极海冰偏少对冬季大气的反馈作用）,可以激发出有利于冬季亚洲大陆极端严寒过程的大气环流异常。目前学术界争论焦点主要集中在以下两个方面:（1）关于北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响的争论;（2）关于1980年代后期以来,冬季欧亚大陆表面气温呈现降温趋势的原因。目前,有关北极海冰融化影响冬季欧亚大陆次季节变化以及极端天气、气候事件的过程和机制,我们认知非常有限,亟需开展深入细致的研究。     

冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系

用1948-2000年的北半球海平面气压场月平均资料，计算了北太平洋涛动指数和东亚冬季风指数，并研究了北太平洋涛动与东亚冬季风及我国冬季天气气候的关系。研究表明，北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候关系密切。强涛动年，东亚冬季风偏弱，我国气温普遍偏高，长江中下游地区降水偏少，而华南降水偏多；而弱涛动指数年，东亚冬季风偏强，我国气温普遍偏低，降水偏少。此外，还指出，强(弱)INPO年大气环流具有弱(强)WP型和强(弱)EU遥相关型。     

1981—2018年中国东北地区秋冬季霾日变化及其与北极海冰的关系

利用中国东北地区1981—2018年166个地面气象观测站资料, 定义了中国东北地区秋冬季霾日指数, 分析了年际尺度上该地区霾日数与同期大气环流异常的内在关系。结果表明: 中国东北地区秋冬季霾日指数存在显著的年际变化特征, 欧亚—太平洋遥相关型(Eurasia-Pacific Teleconnection Pattern, EUP)负位相、东亚大槽偏弱等大气环流异常配置导致中国东北地区秋冬季霾的发生频次增加。巴伦支海与喀拉海北部海域是影响中国东北地区秋冬季霾日年际变化的海冰关键区, 该区域海冰面积与霾日数呈显著负相关, 北极海冰通过改变大气环流间接影响中国东北地区秋冬季霾日发生频次, 当北极海冰异常偏少时, 东亚冬季风偏弱, 近地面风速偏低, 环境湿度偏高, 中国东北地区受东北亚异常反气旋西侧的异常偏南风控制, 且受“EUP”负位相模态影响, 东亚大槽减弱, 有利于大气污染物和水汽向中国东北地区输送, 该地区秋冬季霾的发生频次增加。     

冬季北半球大气对秋冬季巴伦支海海冰异常的敏感性研究

基于ERA-Interim再分析资料,借助大气模式CAM4,分析了北半球冬季不同月份的平均大气对巴伦支海不同振幅及不同季节海冰扰动的敏感性,并考察了中高纬度典型大气模态的分布变化情况。结果表明,冬季巴伦支海海冰的减少,会导致湍流热通量异常向上、局地异常变暖及水汽含量的异常升高,且相关异常的强度和范围随着海冰减少幅度的减小而减弱。这种局地响应会通过大气环流调整扩散开来,产生远程影响。具体地,冬季大气环流与欧亚地面温度异常对于不同幅度海冰异常的响应是非线性的,且在不同月份也呈现出不同特征。秋季巴伦支海海冰减少虽未引起局地显著的温度异常,但欧亚大陆温度及环流场异常响应的强度更强、范围更广,这表明秋季海冰可以独立地对冬季中纬度大气产生影响。此外,冬季不同月份西伯利亚高压强度、位置对巴伦支海海冰减少的响应是不同的,北大西洋涛动位相的倾向变化对不同季节、不同振幅海冰减少的响应也不相同。冬季海冰减少时,12月和1月,西伯利亚高压强度更易偏强、位置易偏东,2月则与之相反。与冬季相比,秋季海冰偏少时,西伯利亚高压更易稳定维持在欧亚大陆,晚冬时发生北大西洋涛动负位相的概率增大,但出现极端负位相概率降低。这为了解巴伦支海海冰异常对北半球天气、气候的影响提供了参考。      

2017/2018年冬季北半球大气环流特征及对我国天气气候的影响

2017/2018年冬季,东亚冬季风强度较常年同期偏强,西伯利亚高压偏强,季内冬季风强弱转换阶段性特征显著。欧亚中高纬以经向环流为主,乌拉尔山高压脊持续发展,东亚槽位置偏西。冬季冷空气过程频繁,受其影响,冬季东北地区气温显著偏低,而高原和西南地区西部异常偏暖。对2017/2018年冬季东亚冬季风偏强的可能原因分析表明,受北太平洋年代际涛动暖位相的调制作用,2017年秋季开始的La Ni〖AKn~D〗a事件对东亚冬季风的影响相对较弱。而冬季北半球极涡持续偏弱,北大西洋海温持续偏暖,中高纬环流系统异常和海温外强迫的共同作用,是东亚冬季风偏强的重要原因。     

北极海冰及其与气象要素年际关系的年代际变化

利用Hadley海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系的年代际变化。结果表明,北极海冰存在显著的年代际变化,且有较强的区域性。东西伯利亚海和波弗特海海冰融冰量的平均值变大且方差增大,格陵兰岛以东洋面海冰融冰量的量值和变率均在减弱。对3个不同气候时段内北极海冰融冰量进行EOF分解,前两个模态均在3个气候时段发生显著的年代际变化,东西伯利亚海海冰融冰量的增加与EOF第一模态年代际变化相关,而EOF第二模态则明显造成了波弗特海海冰的年代际消融。并且,与之相应的大气环流也出现了明显的年代际变化,它们与AO/NAO的年际关系也存在年代际转折,融冰量第二模态与AO的年际关系更为紧密,1960—1990年第二模态与AO的相关系数仅为0.186,而1980—2010年相关系数已升高至0.367。整个北冰洋的海冰融冰量与AO的年际关系也出现了年代际增强,尤其是东西伯利亚地区海冰融冰量与AO的年际关系发生了年代际增强,1980—2010年两者相关达到了0.4以上。而波弗特海融冰量与AO相关系数变化较大,1960—1990年其的相关系数高达-0.488,1980年后却减少至0.161。然而AO却未发生明显的年代际变化。造成北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系发生年代际变化的主要因子之一是波弗特高压,其年代际减弱使得极区向东西伯利亚海和波弗特海的海冰输送减弱,导致这两个区域海冰减少,使得AO与北极海冰的年际关系发生了年代际转折。     

北极海冰年际变化对东亚中纬度夏季陆面热力异常的指示作用及其可能原因

本文分析了夏季东亚中纬度近地面温度和春、夏北极海冰时空变化特征,探讨了格陵兰海、巴伦支海海冰异常变化与夏季东亚中纬度陆面热力异常在年际上的可能联系。结果表明:(1)1950—2014年,东亚中纬度夏季近地面温度明显增暖,并伴有明显的年际变化,年际变率最大值的区域主要位于40°N以北至贝加尔湖地区;春、夏格陵兰海和巴伦支海的海冰也呈现明显的减少趋势,同时表现出较强的年际变化特征。(2)春、夏格陵兰海、巴伦支海海冰异常对东亚中纬度夏季陆面热力异常具有一定的指示作用:春、夏格陵兰海、巴伦支海海冰异常偏多,通常对应夏季东亚中纬度近地面的东亚中纬度夏季增暖现象;反之亦然。(3)春、季格陵兰海、巴伦支海北极海冰指数(Arctic Sea Ice Index,ASII)高值年(海冰异常偏多年份),贝加尔湖及西南的蒙古高原地区通常为大范围的异常高压控制,有利于近地面温度升高;同时由于乌拉尔山阻塞高压减弱,极地南下的冷空气减弱,有利于东亚中纬度区域的温度升高。而ASII低值年的情形则相反,贝加尔湖以南地区受异常低压控制,乌拉尔山阻塞高压增强,冷空气易向南侵袭,不利于东亚中纬度近地面升温。     

Projections of the East Asian Winter Monsoon under the IPCC AR5 Scenarios Using a Coupled Model: IAP-FGOALS

Responses of the East Asian winter monsoon(EAWM) in future projections were studied based on two core future projections of CMIP5 in coordinated experiments with the IAP-coupled model FGOALS2-s.The projected changes of EAWM in climatology,seasonality,and interannual variability are reported here;the projections indicated strong warming in winter season.Warming increased with latitude,ranging from 1 C to 3 C in the Representative Concentration Pathways simulation RCP4.5 projection(an experiment that results in additional radiative forcing of ～4.5 W m 2 in 2100) and from 4 C to 9 C in the RCP8.5 projection(an experiment that results in additional radiative forcing of ～8.5 W m 2 in 2100).The northerly wind along the East Asian coastal region became stronger in both scenarios,indicating a stronger EAWM.Accordingly,interannual variability(described by the standard deviation of temperature) increased around the South China Sea and lower latitudes and decreased over eastern China,especially in North China.The two EAWM basic modes,defined by the temperature EOF analysis over East Asia,were associated with the Arctic Oscillation(AO) and stratospheric polar vortex.The future projections revealed more total variance attributable to the secondary mode,suggesting additional influences from the stratosphere.The correlation between AO and the leading mode decreased,while the correlation between AO and the secondary mode increased,implying increased complexity regarding the predictability of EAWM interannual variations in future projections.     

冬季北极海冰与中国同期气温的关系

采用Hadley中心的海冰密集度资料和中国160站气温资料,对冬季北极海冰变化的主要模态进行了分析,定义了5个关键海区,重点讨论了冬季北极海冰异常与中国冬季气温的关系。结果表明,冬季北极海冰变化主要表现为第一模态,即太平洋、大西洋的海冰反位相分布。海冰变化的关键区域为区域Ⅰ巴伦支海、区域Ⅱ格陵兰海、区域Ⅲ戴维斯海峡、区域Ⅳ白令海以及区域Ⅴ鄂霍次克海。中国冬季平均气温、冬季最低气温、冬季最高气温均与北极关键海区的海冰异常有显著相关,但是与其对应的海区有所不同。     

冬季北极海冰与中国同期气温的关系

采用Hadley中心的海冰密集度资料和中国160站气温资料,对冬季北极海冰变化的主要模态进行了分析,定义了5个关键海区,重点讨论了冬季北极海冰异常与中国冬季气温的关系.结果表明,冬季北极海冰变化主要表现为第一模态,即太平洋、大西洋的海冰反位相分布.海冰变化的关键区域为区域Ⅰ巴伦支海、区域Ⅱ格陵兰海、区域Ⅲ戴维斯海峡、区...     

北极海冰变化的时间和空间型

利用 4 4a(195 1～ 1994年 )北极海冰密度逐月资料 ,分析提出了一种与北极冰自然季节变化相吻合的分季法 ,并根据这种分季法 ,使用EOF分解 ,揭示了北极各季海冰面积异常的特征空间型及其对应的时间变化尺度。结果表明 :(1)北极冰面积异常变化的关键区 ,冬季 (2～ 4月 )主要位于北大西洋一侧的格陵兰海、巴伦支海和戴维斯海峡以及北太平洋一侧的鄂霍次克海和白令海 ,夏季 (8～ 10月 )则主要限于从喀拉海、东西伯利亚海、楚科奇海到波佛特海的纬向带状区域内 ,格陵兰海和巴伦支海是北极海冰面积异常变化的最重要区域 ;(2 )春 (5～ 7月 )、秋 (11月～次年 1月 )季各主要海区海冰面积异常基本呈同相变化 ,夏季东西伯利亚海、楚科奇海、波佛特海一带海冰面积异常和喀拉海呈反相变化 ,而冬季巴伦支海、格陵兰海海冰面积异常和戴维斯海峡、拉布拉多海、白令海、鄂霍次克海的海冰变化呈反相变化 ;(3)北极冰总面积过去 4 4a来确实经历了一种趋势性的减少 ,并且叠加在这种趋势变化之上的是年代尺度变化 ,其中春季 (5～ 7月 )海冰面积异常变化对年平均北极冰总面积异常变化作出了主要贡献 ;(4)位于北太平洋一侧极冰面积异常型基本具有半年的持续性 ,而位于北大西洋一侧极冰面积异常型具有半年至一年的持续性     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化的外强迫因子分析

使用NCEP/NCAR、英国气象局哈德莱中心(Met Office Hadley Center)Had ISST以及NOAA提供的再分析资料分析了海温、海冰及雪盖异常对20世纪90年代末我国冬季气温和东亚冬季风(EAWM)年代际跃变的外部强迫作用,同时也对比分析了20世纪90年代EAWM年代际跃变与20世纪80年代EAWM年代际跃变特征和成因的一些差异。结果表明:20世纪80年代中期EAWM的年代际变化特征主要表现为全国一致偏冷型,同时中国近海的海温也偏低;该年代际变化的主要原因来自大气内部动力过程,而海温和海冰的作用不显著。20世纪90年代末EAWM年代际变化的特征表现为东亚北方气温显著偏冷而南方偏暖的南北反相变化分布;EAWM在20世纪90年代末的年代际变化受北大西洋海温和热带太平洋海温的共同影响。北大西洋显著的异常暖海温,激发一个向下游传播的波列,使得西伯利亚高压加强,EAWM加强,从而导致我国北方气温下降;同时,秋冬季北极海冰异常偏少和秋季欧亚雪盖偏多对东亚冬季风的增强也有一定的作用。此外,热带西太平洋的暖海温异常会导致在海洋性大陆地区有异常的辐合和对流增强,引起大气环流的Gill型响应,对流西侧的异常气旋在孟加拉湾至我国西南地区出现南风异常,使得东亚南部地区温度偏高。因此,20世纪90年代末之后东亚温度呈现南暖北冷的分布特征。     

Impacts of the Autumn Arctic Sea Ice on the Intraseasonal Reversal of the Winter Siberian High

During 1979–2015, the intensity of the Siberian high(SH) in November and December–January(DJ) is frequently shown to have an out-of-phase relationship, which is accompanied by opposite surface air temperature and circulation anomalies.Further analyses indicate that the autumn Arctic sea ice is important for the phase reversal of the SH. There is a significantly positive(negative) correlation between the November(DJ) SH and the September sea ice area(SIA) anomalies. It is suggested that the reduction of autumn SIA induces anomalous upward surface turbulent heat flux(SHF), which can persist into November, especially over the Barents Sea. Consequently, the enhanced eddy energy and wave activity flux are transported to mid and high latitudes. This will then benefit the development of the storm track in northeastern Europe. Conversely, when downward SHF anomalies prevail in DJ, the decreased heat flux and suppressed eddy energy hinder the growth of the storm track during DJ over the Barents Sea and Europe. Through the eddy–mean flow interaction, the strengthened(weakened)storm track activities induce decreased(increased) Ural blockings and accelerated(decelerated) westerlies, which makes the cold air from the Arctic inhibited(transported) over the Siberian area. Therefore, a weaker(stronger) SH in November(DJ) occurs downstream. Moreover, anomalously large snowfall may intensify the SH in DJ rather than in November. The ensemble-mean results from the CMIP5 historical simulations further confirm these connections. The different responses to Arctic sea ice anomalies in early and middle winter set this study apart from earlier ones.