秋季北极海冰与欧亚冬季气温在年代际和年际尺度上的不同联系

北极海冰的急剧消融在近年来欧亚大陆频发的低温事件中扮演着关键角色.秋季北极海冰的偏少对应着冬季欧亚大陆的低温天气,然而二者的联系在年代际和年际两种时间尺度上存在显著区别.本文运用1979—2012年哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的2m温度、风场、海平面气压场、高度场等资料,分别研究了年代际和年际时间尺度上前期秋季北极海冰与欧亚冬季气温的联系.结果表明,欧亚和北极地区(0°—160°E,15°N—90°N)的冬季气温具有显著的年代际和年际变化.在年代际尺度上,温度异常分布在21世纪初由北极冷-大陆暖转为北极暖-大陆冷.这一年代际转折与前期秋季整个北极地区的海冰年代际减少联系密切.秋季北极全区海冰年代际偏少对应冬季欧亚大陆中高纬地区的高压异常,有利于北大西洋的暖湿气流北上和北极的冷空气南侵,造成北极暖-大陆冷的温度分布;在年际时间尺度上,温度异常分布主要由第一模态的年际变化部分和第二模态组成,且第一模态包含的年际变率信号也存在显著的年代际变化.年际尺度上全区北极海冰对欧亚冬季气温的影响远不及位于北冰洋西南边缘的巴伦支海、喀拉海和拉普捷夫海西部(30°E—120°E,75°N—85°N)的关键区海冰影响显著.关键区内海冰的偏少会引发冬季的北大西洋涛动负位相,导致北大西洋吹往欧亚大陆的暖湿气流减弱和欧亚大陆中高纬地区的气温偏低.     

北冰洋及其邻近海域极昼期间大气边界层结构特征试验研究

1年7-月中国"雪龙"号破冰船首航北极科学考察期间,利用TMT(系留式气象塔)大气边界层探测系统,对北冰洋及其邻近海域不同下垫面进行较长时间的连续多次观测. 观测到的大气边界层廓线,其中包括比湿廓线的多层、逆湿结构(逆湿强度最强为0.7g/(10m·kg));风向、风速廓线的切变结构(风向切变为1.1°/m,风速切变为0.11(m·s^-1)/m. 特别是持续数日、厚达几百米、其平均逆温强度有时高达1.4℃/10m的逆温结构,这种北冰洋海域特有的大气边界层结构,与地球气候系统中其他圈层的大气边界层结构有明显差别. 据此,提出了对该海域大气-海冰-海洋间动量、感热和潜热等湍流通量垂直交换以及热量平衡等有重要影响的大气逆温的屏障过程. 这为研究北极地区对全球气候影响、模拟北极地区现代气候和未来气候等提供一条新的思路. 此外,文中还给出该海域不同下垫面稳定大气边界层的高度.     

北极大气偶极子异常与冬季北极海冰运动

依据国际北极月平均浮冰观测资料(1979~1998)、美国国家环境预测中心和国家大气研究中心再分析资料(1960~2002), 研究了一个以前被忽略的大气环流异常——北极大气偶极子结构异常及其与冬季海冰运动的关系. 偶极子结构异常是冬季(10月~ 次年3月)70°N以北月平均海平面气压经验正交分析的第二个模态, 它解释了总方差的13%. 偶极子异常中心之一位于加拿大的北极地区, 另外一个中心位于欧亚大陆北部和西伯利亚边缘海区. 由于大气偶极子异常强的经向性, 它成为驱动北冰洋海冰和冷空气进入巴伦支海、北欧诸海以及北部欧洲的重要机制.     

南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

1999年楚科奇海台及其周边海域中层与深层水增暖

根据我国1999年北极科学考察期间的数据, 研究了楚科奇海台及其邻近海域的温度和盐度分布特征. 观测结果表明, 1999年在连绵600多公里的海域中都发现温度超过0.5℃的现象, 测得的最高温度为0.85℃, 表明北冰洋中层水仍然保持增暖状态. 文中指出了两个重要现象. 第一, 中层水增暖现象存在区域差别, 楚科奇海台内部中层水与陆坡区相比温度高、厚度大、深度浅. 这种不均匀性是非常重要的, 意味着中层水增暖对海冰厚度和范围变化、海气热交换变化方面的贡献也将是水平不均匀的. 海台内部温度偏高的原因在于海台的特殊地貌形成绕流使海台内部与外界水体交换不畅, 热量不容易散失. 第二, 指出了深层水增暖的现象. 1999年温度垂向分布与多年平均历史数据的差表明深层水体也在增暖, 增温深度达1200~1400 m, 增温幅度一般在0.2℃左右. 深层水增暖现象揭示了北冰洋增加的热量有复杂的再分配形式, 表明北冰洋中层水增暖现象已经引起北冰洋热力结构的变化, 指示了全球变化对北冰洋的显著影响.     

大气变率对北极地区近期海冰变化趋势影响数值模拟研究

为研究近期21年(1989—2009年)北极地区海冰变化原因,本文利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim数据集资料和美国麻省理工学院MITgcm全球海冰-海洋耦合模式开展了不同大气强迫条件下海冰变化的数值模拟研究.研究工作中共设计了6个数值试验,除1个试验全部采用1989—2009年每日4个时次的大气强迫场外,其余5个试验各有一种大气强迫(地表气温、地表大气比湿、向下短波辐射通量、向下长波辐射通量和地表风)采用1989年月平均结果.分析了各模拟试验结果中3月和9月北极地区海冰面积的年际变化特征及最小二乘拟合意义下的线性变化趋势,并以ERA-Interim结果为参照标准对各模拟试验结果进行了对比和检验,以说明不同大气强迫量变率对海冰变化的作用.结果表明:地表气温变率和向下长波辐射通量变率是造成海冰面积减少的主要原因;向下短波辐射通量变率对海冰面积变化影响几乎可以忽略;地表大气比湿变率对海冰面积线性变化趋势影响较小,但对海冰面积年际变化特征有调制作用;地表风变率对海冰季节变化、海冰面积线性变化趋势及年际变化特征均有明显影响,说明提高大气风应力精度是改善海冰数值模拟结果的重要手段.     

挺进北极

2008年7月11日～9月24日,中国进行了第三次北极考察。我作为《中国海洋报》记者有幸参与并见证了北极考察的全过程。这是继1999年第一次和2003年第二次北极考察后,我国政府组织的又一次对北极地区更加深入、全面,科技手段更加先进的综合考察,是国际极地年期间中国履行责任和义务的具体行动。本次考察以进一步研究北极快速变化过程中海洋、海冰和大气系统发生的耦合变化,以及对我国产生的影响等问题为主要科学目标,以海洋、海冰和大气综合观测为主要任务。考察范围主要包括白令海、楚克奇海、加拿大海盆的大面积海域和冰区,涉及到海洋、海冰、生物、大气、地质、地球物理等多个学科。     

耦合模式长期积分中东亚夏季风与ENSO联系的不稳定性

通过对挪威卑尔根全球大气-海洋-海冰耦合模式300a控制积分结果进行交叉子波分析,揭示了东亚夏季风（EASM）与同期Nio3区（90°W～150°W,5°S～5°N）海洋表面温度异常的相关关系在长期变化中是不稳定的,呈现出明显的阶段性特征.气候要素场在二者联系的紧密（HCP）和微弱（LCP）时期差别显著,在HCP时期,西北太平洋对流层低层出现一对耦合的异常气旋和反气旋性环流系统;东南亚地区对流层低层表现为强东风异常,风速的年际变率加大;热带西太平洋对流层温度和位势高度场的年际变率普遍加强.此外,中国夏季降水与同期Nio3区海洋表面温度异常的相关关系在上述两种时期也存在较大差别.     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰厚度变化研究

北极海冰是地球气候系统的重要因子,获取精确的海冰厚度及其变化信息对于开展北极和全球变化研究等有着重要的意义.卫星测高是获取连续、大范围海冰厚度的主要方法之一.冰间水道识别是卫星测高方法估算海冰厚度的关键之一.基于CryoSat-2数据,利用遥感影像对两种主要的冰间水道识别方法进行了对比,发现波形特征法能够更好地识别冰间水道.考虑到雷达信号对海冰表面积雪的不完全穿透,对海冰干舷-厚度转化模型进行了优化,通过选取合适的输入参数,获取了2010年11月至2019年12月北极海冰厚度,并利用IceBridge海冰厚度产品和仰视声呐数据对计算结果进行了验证,结果表明本文海冰厚度解算精度优于0.2m.最后,结合PIOMAS海冰模式数据、北极气温和海表面温度数据对北极海冰厚度变化特征进行了分析,发现2014年北极海冰厚度出现剧烈增长的现象.     

北冰洋夏季开阔洋面和浮冰近地层热量平衡参数的观测估算

利用中国北极科学考察队在北冰洋浮冰站和“雪龙号”考察船获得的大气边界层观测资料, 采用涡旋相关法和廓线法对1999年8月19~24日北冰洋浮冰和开阔水面近地层的热量平衡参数进行了估算. 结果表明, 冰面的净辐射仅为开阔海面的8%, 主要消耗于感热输送和融化, 冰面损失的热量超过了吸收的净辐射, 并由冰的深层热传导来补偿, 潜热通量对冰面热平衡的贡献较小. 开阔海面吸收的净辐射主要以潜热和感热向大气输送, 分别占52%和25%, 剩余部分向深层水体传导. 观测事实说明北冰洋夏季开阔海面/大气和冰面/大气之间的热量交换过程有显著差异, 开阔洋面有大量的水汽向大气输送, 这对研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程的影响是十分重要的.     

北太平洋海冰, 一个西北太平洋台风生成频次的预测因子?

研究了北太平洋海冰面积与西北太平洋台风生成频次的关系. 研究表明冬季(前一年12月至1, 2月)和春季(3~5月)北太平洋海冰面积指数与全年的西北太平洋台风活动频次在1965~2004年中有显著的反相关关系, 相关系数分别为-0.42和-0.49(显著性水平达到99%以上). 冬、春季北太平洋海冰面积越大, 西北太平洋台风生成频次减少. 研究表明与春季北太平洋海冰面积正异常相关的热带环流和海温异常将提供不利于西北太平洋台风生成的热力和动力条件. 与春季北太平洋海冰面积的异常相关的北太平洋大气环流, 将通过大气遥相关引起春季热带环流的变化, 由于热带环流在春季到台风生成的盛期(6~10月)有很强的季节持续性, 因此, 与春季北太平洋海冰面积变化相关的热带环流和海温能够影响西北太平洋台风的生成频次.     

大气边界层湍流速度场的层次结构分析

对大气边界层的速度脉动时间序列进行了统计分析,发现在大气边界层湍流场中存在She-Leveque(SL)层次相似律,以及在水平速度场、垂直速度场和不同条件下垂直速度场的层次相似律所满足的情况不同,并给出了对应的可能解释.结果指出大气边界层自组织结构的复杂性以及层次相似律对大气边界层湍流脉动描述的有效性.     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

Hadley环流与北太平洋涛动的显著关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了冬季（11～4月）Hadley环流与北太平洋涛动（NPO）的变化特征以及它们之间的关系.本文选取0°~30°N区域里最大质量流函数来描述北半球Hadley环流强度随时间的演变,利用(20°N, 180°~160°W) 和 (60°N, 180°~160°W) 区域平均的标准化海平面气压差代表NPO强度.结果表明,冬季北半球Hadley环流与NPO的变化形势非常一致,两者都具有显著的年际和年代际变化（70年代前处于负位相,80年代之后处于正位相）,同时还呈现出明显的增强趋势.Hadley环流变化与NPO异常的关系非常密切,在年际和年代际时间尺度上都具有显著的正相关.这种强相关性在大气环流场上可以得到很好的印证.研究还揭示,太平洋地区10°~30°N下沉支和40°~60°N上升支的异常运动可能是这种关系存在的主要内在原因.     

火山活动对北半球平流层气候异常变化的影响

文中利用逐次滤波法滤除北半球平流层70 hPa约15~22 km高空大气温度异常变化中太阳活动的影响之后，进一步分析了火山活动的气候效应，分析结果表明，火山活动能引起平流层较大幅度增温，对于北半球70hPa高空气候异常变化的影响超过了总方差的30%；火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约15~22 km高空，由此高度向上或向下，火山活动的影响都逐渐减小；火山活动引起平流层大气升温的同时还将引起对流层大气降温，其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近；强火山爆发如皮纳图博火山爆发、阿贡火山爆发和堪察加北楮缅奴等火山爆发是引起未来两年左右平流层中下层温度异常变化最重要的因素，其方差贡献率超过百分之五十三！；火山喷发高度越高，引起平流层增温效应的层次也越高；北半球大气温度异常变化对南半球火山活动响应的滞后时间比北半球火山活动长. 平流层高空气候异常变化还具有显著的22年变化周期，分析认为是大气温度场对太阳磁场磁性周期22年异常变化的响应，其方差贡献率超过9%.     

中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10~8m~(-3)m·s~(-1),85~90km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91km处达到了1.40×10~8m~(-3)/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.     

海口中层大气温度变化特性的Rayleigh激光雷达观测研究

中层大气温度变化的探测与研究是当前气候变化研究课题的一个组成部分,本文基于海南激光雷达2010—2020年间的长期观测,通过对中层大气Rayleigh散射信号的反演,探讨了海口(19.9°N,110.3°E)上空中层大气(32～64 km)温度变化特性.研究结果显示,中层大气温度呈周期性变化趋势,年、半年、季节变化幅度最大值分别为6.0、3.8、1.7 K,平流层顶位于42～51 km高度,日平均温度最高为～262 K.平流层温度主要表现为年变化趋势,半年和季节变化不明显;平流层顶和低中间层温度变化趋势具有年和半年变化特征,季节变化不明显.在太阳活动性发生明显变化的周期里,平流层顶温度的年际变化趋势对辐射通量F_10.7指数变化有较明显的响应;而在太阳活动平静的年份里,温度变化趋势与太阳辐射通量变化的相关性不明显.     

高纬地区低层大气行星波的无线电探空仪观测研究

本文通过分析美国阿拉斯加地区三个站点(Nome,64.50°N,165.43°W;McGrath,62.97°N,155.62°W;Fairbanks,64.82°N,147.87°W)无线电探空仪1998～2006年观测数据,研究了北半球高纬地区低层大气行星波特性.通过分析发现行星波主要存在于两个区域,一个在对流层顶附近,一个在冬季极夜急流附近,两个区域的行星波都具有明显的间断性,持续时间一般不超过2个月;三个分量中,温度扰动量的振幅最小,经向风扰动量的振幅最大.对流层顶附近的行星波没有明显的季节变化且谱成分较为复杂,5天波的振幅最小,10天波的振幅略强于16天波.极夜急流附近的行星波主要出现在冬季,波振幅比对流层顶附近小,主要为10天波和16天波,且16天波的振幅强于10天波.由折射指数可以看出,夏季在对流层上方有明显反射层,冬季则较弱甚至消失,很好地解释了平流层行星波主要在冬季出现的原因.对2003/2004年冬季三个站点行星波的细致分析发现对流层区域和极夜急流区域出现明显的准10天波和准16天波,准10天在垂直方向为驻波,温度分量垂直波长约为12km,经向风分量垂直波长大于26km,波自东向西传,纬向...     

夏季北极平流层大气基本结构特征

北极地区(60°N～90°N)平流层纬向风和气压场有明显的季节变化,不同高度层季节变化的时间有差异.北极平流层从冬至夏,季节转换从上向下推进,从夏至冬,季节转换从下向上推进.以20 hPa为例,平均而言,4月上旬以前,北极被极涡控制;4月中旬北极地区高压的势力开始超过低压,5月上旬,北极高压正式建立;7月份达到最强,8...     

基于临边大气长波红外辐射信号的平流层增温效应研究

本文利用热层-电离层-中间层能量和动力学卫星TIMED中宽带发射辐射计SABER观测的临边大气长波红外背景辐射数据来研究平流层增温效应,基于2012/2013年1—3月在20~100 km高度内的临边大气长波红外背景辐射数据,采用微扰方法,得到辐射扰动的时空分布.结果显示：大气长波红外背景辐射扰动数据能够更精细的展示平流层增温事件的发生,2013年平流层爆发性增温效应下最大辐射扰动幅度出现在40 km处可达160%,而利用温度扰动数据表征此事件的发生时最大温度扰动幅度出现在40 km处只有21%.针对2012年弱平流层增温效应,温度扰动幅度最大值出现在40 km处为16.4%,而辐射扰动幅度的最大值在40 km处可达91%.大气长波红外背景辐射的纬度分布体现出此事件发生于高纬度地区;其经度分布在20~50 km范围内呈现"w"形状;而50 km和80 km处大气长波红外背景辐射的极值区域范围随着事件的发生在高纬度地区都是先扩大随后缩小的过程.这表明高层大气临边红外辐射信号可用于研究平流层增温效应,尤其是对于温度弱起伏的小扰动事件.这对于掌握临近空间环境辐射形成机理及其变化特性亦具有重要意义.