北极中央区海冰低密集度现象研究

近年，北极中央密集冰区出现海冰低密集度的异常现象。为了探讨这一现象的成因，本文使用ERA-Interim再分析资料，定义了北极中央区海冰低密集度（LCCA）指数，研究了2009-2016年的6-9月北极中央区发生的海冰低密集度现象。分析表明，研究时段内在北极中央区发生了6次明显的海冰低密集度（LCCA峰值）过程。在这些过程中，局地气温异常并不是导致海冰低密集度现象发生最主要的因素；海冰低密集度区域的形态及冰速场分布均与大气环流场相对应；在LCCA指数峰值发生前均有气旋中心出现在北冰洋70°N以北并伴随向北移动，气旋引起海冰辐散，同时所携带的较低纬度的热量导致海冰迅速融化。在6次过程中，有3次为气旋影响配合北极偶极子（DA）型环流。LCCA指数与84°N平均向北温度平流和北极中央区海冰速度散度呈正相关。在LCCA指数峰值前，温度平流对海冰低密集度区域形成的影响大于海冰辐散的影响。     

ENSO现象与初夏副高位置及山东半岛夏季降水的关系

本文分析了ＥＮＳＯ现象与初夏副高脊线位置与山东岛夏季降水的关系，得出埃尔－尼诺现象次年初夏副高位置正常或偏南，对应山东半岛夏季降水偏少；反埃尔－尼诺现象次年，初夏副高位置偏北，对应山东半岛夏季降水为偏炎趋势。通过相关计算发现，初夏副高脊线位置与赤道东太平洋海温有显著的反相关，而与南方涛动指数有明显的正相关，其相关量佳时段均发生在前一年的秋、冬季。据此可提前１－２个季度预报初夏高位置，进而为山东半岛     

埃尔—尼诺年的翌年冬季太平洋经向环流特征及其与青岛汛期降水

本文分析了1972～1973,1976～1977年赤道东太平洋暖水时海温特征,用NCAR资料计算分析了1976年埃尔-尼诺发生年的翌年冬季太平洋经向环流特征,并与1972年翌年冬季作了对比,发现所谓同一类型的埃尔-尼诺,由于暖水的强度、范围不同,致使冬季西太平洋副局和Hadley环流亦不同,最后提出一个青岛汛期（6月～9月）少雨的可能影响机制。     

北极冬季季节性海冰双模态特征分析

近年来北极海冰快速变化,北极中央区边缘正由以多年冰为主转为季节性海冰为主。通过对北极冬季季节性海冰的EOF分解发现,2002-2012年期间北极季节性海冰变化的前两模态主要体现为2005年和2007年的季节性海冰距平。其中第二模态主要体现了北极海冰在2005年的一种极端变化,而第一模态不仅体现了北极海冰在2007年的变化,还体现了北极季节性海冰的从负位相到正位相的转变。通过比较发现,在研究时段北极季节性海冰最主要的变化发生在北极太平洋扇区,在2007年,冬季季节性海冰距平发生位相转变,2007-2010年一直维持正位相,北极太平洋扇区冬季季节性海冰保持显著正距平。太平洋扇区表面温度最大异常也发生在2007年,从大气环流来看,2007年之后波弗特海区异常高压有利于夏季太平洋扇区海冰的减少,而西风急流的减弱有利于夏季波弗特海区异常高压的维持,结合夏季海冰速度,顺时针的冰速分布有利于海冰离开太平洋扇区,因而会导致冬季太平洋扇区季节性海冰转为正距平并且从2007年一直维持到2010年。     

埃尔—尼诺发生前的冬季,西北太平洋副热带高压的特征

本文对1951～1990年西北太平洋副热带高压特征量资料进行了普查分析,找出了在埃尔-尼诺发生前的冬季副热带高压偏弱,其面积指数、强度指数偏低,脊线位置及588线北界位置偏南的特征。文中对副热带高压强度指数进行了较详细的分析,通过对1～3月份副热带高压强度指数距平和逐年进行累加后发现,低谷处为埃尔-尼诺发生年。     

影响浙江的热带气旋与赤道东太平洋海温异常的关系

本文主要通过对海温异常的埃尔-尼诺年反埃尔-尼诺年,西北太平洋热带气旋活动特征的分析,发现在反埃尔-尼诺年,热带气旋发生频次高,生成位置比常年分布范围大,位置偏北,影响或登陆浙江的热带气旋比常年多。在埃尔-尼诺年,热带气旋发生的频次低,发生区位置比常年偏东、偏南,影响或登陆浙江的热带气旋比常年少。     

基于合成孔径雷达遥感的北极海冰总形变率分析

基于RADARSAT地球物理处理器系统(RGPS)的北极海冰运动散度、旋度和剪切产品,本文计算了北极海冰总形变率,给出了所有RGPS产品时空覆盖范围的总形变率空间分布和时间平均总形变率大于0.01d-1的概率分布。结果表明:对整个RGPS数据库而言(时间跨度从1996年11月至2008年4月),平均总形变率为0.020 4d-1,总形变率大于0.01d-1的数据样本为总样本的45.89%。总形变率高值主要分布在近岸海域,靠近北极点附近的总形变率相对较小。北极海冰总形变率随季节变化,夏季平均总形变率及总形变率大于0.01d-1发生概率要比冬季大,其中,夏季总形变率大于0.01d-1发生概率为59%,而冬季要比夏季低18%。其可能机制主要是,夏季北极地区温度升高,形成海冰融化-破碎-更易融化-更易破碎的放大效果,导致北极海冰总形变率变大。     

1979-2012年北极海冰运动学特征初步分析

利用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰速度和范围数据,本文分析了1979—2012年间北极海冰的运动学特征,以及北极海冰运动与分布范围演变之间的关系。结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的2007和2012年高分辨率的气压场、风场数据,探讨了北极风场和气压场与海冰运动、辐散辐合和海冰面积的关系。结果表明,在1979-2012年间北极海冰平均运动速度呈显著增强的趋势,冬季海冰平均运动速度增加趋势明显强于夏季;北极、波弗特-楚科奇海域和弗拉姆海峡的冬、夏季海冰平均运动速度的增加率分别为2.1%/a和1.7%/a、2.0%/a和1.6%/a以及4.9%/a和2.2%/a。1979-2012年北极海冰平均运动速度和范围的相关性为-0.77,二者存在显著的负相关关系。北极冬季和夏季风场的长期变化趋势与海冰平均运动速度的变化趋势一致,冬季和夏季的相关系数分别为0.50和0.48。风场和气压场对海冰的运动、辐散及重新分布发挥着重要作用。2007年夏季,第234~273天波弗特海域一直被高压系统控制,波弗特涡旋加强,使得波弗特海域海冰聚集在北极中央区;顺时针的风场促使海冰向格陵兰岛和加拿大北极群岛以北聚合。2012年,白令海峡和楚科奇海域处于低压和高压系统的交界处,盛行偏北风,海冰从北极东部往西部输运,加拿大海盆的多年海冰因离岸运动而辐散,向楚科奇海域的海冰输运增加,受太平洋入流暖水影响,移入此区域的海冰加速融化,从而加剧海冰的减少。     

埃尔—尼诺年与反埃尔—尼诺年夏季热带平均环流的特征

本文计算和对比分析了1987年埃尔-尼诺年和1988年反埃尔-尼诺年夏季（7～9月）热带地区对流层高、低层平均经向风距平和纬向风距平场、经向风垂直剖面和经向环流圈,揭示了它们与多年平均情况以及它们之间在越赤道气流强弱、赤道东风和西风的位置以及Hadley环流位置移动等方面的重要差别。     

基于卫星观测的2003-2013年北极海冰体积变化估算

北极海冰正处于快速减退时期，北极海冰体积变化是全球气候变化的重要指示因子。本文利用两种卫星高度计数据（ICESat和CryoSat-2）反演得到的海冰厚度数据，结合星载辐射计提取的海冰密集度数据以及海冰年龄数据，估算了近期的北极海冰体积以及一年冰和多年冰体积变化。CryoSat-2观测时段（2011-2013年）与ICESat观测时段（2003-2008年）相比，北极海冰体积在秋季（10-11月）和冬季（2-3月）分别减少了1 426 km3和412 km3。其中，秋季和冬季的一年冰的体积增加了702 km3和2 975 km3。相反，多年冰分别减少了2 108 km3和3 206 km3。多年冰的大量流失是造成北极海冰净储量下降的主要原因。     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰体积估算方法

近30年来,北极海冰正发生着剧烈的变化。海冰体积是量化海冰变化的重要指标之一。本文以2015年CryoSat-2卫星测高数据和OSI SAF海冰类型产品为基础。提取了浮冰出水高度、积雪深度、海冰密集度、海冰类型等属性信息,通过数据内插、投影变换、栅格转换、空间重采样等工作将海冰属性信息统一为25 km×25 km分辨率的栅格数据集。根据流体静力学平衡原理,逐个估算栅格像元对应的海冰厚度值,将其与对应的海冰面积相乘,估算了北极海冰密集度大于75%海域的海冰体积,并分析了海冰厚度和体积的月变化和季节变化特征。用NASA IceBridge海冰厚度产品对反演的海冰厚度进行验证。结果表明二者相关系数为0.72,有较高的一致性。北极海冰平均厚度春季最大,夏季最小,分别约为2.99 m和1.77 m,最厚的海冰集中在格陵兰沿岸北部和埃尔斯米尔半岛以北海域。多年冰平均厚度大于一年冰。冬季海冰体积最大,约为23.30×103 km3,经过夏季的融化,减少了近70%。一年冰体积季节波动较大,而多年冰体积相对稳定,季节变化不明显。     

北极海冰输出区域海冰运动变化特征及其与北极航道适航性的关系

随着北极地区气候变暖的加剧，北极海冰正在急剧消融，海冰的减少增加了北极地区航道的适航性。本文利用遥感数据反演得到的海冰运动产品对北极海冰输出区域以及东北航道以北区域的海冰运动特征进行了量化。结果显示，从北极中央海域向弗拉姆海峡以及格陵兰海流出海冰的南向位移量呈现出显著增长趋势，海冰的平均南向位移量在2007-2014年间达到1511 km，是2007年之前（617 km）的两倍以上，反映了北极穿极流（TDS）强度在不断增强。通过长时间序列分析发现，春季东北航道以北区域的海冰北向漂移速度在喀拉海呈现+0.04 厘米/秒/年的显著增长趋势（P<0.05）。海冰北向漂移对于东北航道的开通具有显著的影响，在拉普捷夫海与喀拉海，海冰北向运动速度与航道适航期的决定系数分别达到0.33（P<0.001）和0.15（P<0.05）。东西伯利亚海、拉普捷夫海以及喀拉海存在冰间湖区域的春季海冰面积变化与航道的适航期密切相关，海冰的北向漂移对拉普捷夫海和喀拉海的海冰面积减少也有显著影响，这说明北向漂移促进了海冰的离岸输送，造成海冰面积减少的同时形成冰间水道或冰间湖促使航道开通。为探究大气环流指数对海冰运动以及东北航道适航期的影响，本文利用大气再分析数据计算了中央北极指数（CAI）和北极大气偶极子异常（DA）指数。相关性分析表明，CAI比DA更能解释东北航道的适航期，而且CAI能够解释北极海冰输出区域海冰南向位移量变化的45%。最近10年，夏季正相位的CAI进一步加强，通过加强海冰离岸输运和冰间湖活动加剧了东北航道区域海冰变薄及其强度变弱，从而促进了东北航道的开通。     

变暖背景下北极海冰减少在冬季北半球高纬大陆降雪增加中的作用

过去的几个冬季中,北美、欧洲、西伯利亚和东亚大部分地区经历了冷冬和强降雪,而这与北极海冰的快速减少有关。尽管北极海冰减少在冷冬和强降雪中的作用仍存在争议,但这种新兴的气候反馈在未来变暖背景下是否会持续仍值得关注。中等排放情境下的气候模式模拟结果揭示,欧洲东北部、亚洲中部北部、北美北部的冬季降雪增加会成为贯穿21世纪的一个稳健的特征。21世纪这些区域冬季降雪增加的主要原因是北极秋季海冰的减少（很大的外部强迫）,而冬季北极涛动的变化（北半球主要的自然变化形态）对降雪增加的作用很小。这一结果不仅体现在多模式平均上,而且每个单独模式的结果依然如此。我们认为海冰-降雪之间的强反馈作用可能已经出现,并且在接下来的几十年中这种强反馈作用可能会增强,北半球高纬地区的强降雪事件也会增加。     

埃尔－尼诺年西北太平洋的台风活动

文中统计分析了１９４９～１９９１年西北太平洋近赤道地区（０°～１０°Ｎ，１２５°～１８０°Ｅ）和热带地区（１０°～２５°Ｎ，１２５°～１８０°Ｅ）的台风日数。发现埃尔－尼诺年上述两地区的台风日数明显偏多。因此，冬、春各季该地区的台风日数、可作为该年是否可能发生埃尔－尼诺的一个预报指标。     

埃尔—尼诺年西北太平洋的台风活动

文中统计分析了１９４９－１９９１年西北太平洋近赤道地区（０°－１０°Ｎ，１２５°－１８０°Ｅ）和热带地区（１０°－２５°Ｎ，１２５°－１８０°Ｅ）的台风日数。发现埃尔－尼诺年上述两地区的台风日数明显偏多。因此，冬，春各季该地区的台风日数，可作为该年是否可能发生埃尔－尼诺的一个预报指标。     

大气环流优势模态对北极海冰变化的响应Ⅰ.北极涛动

利用美国冰雪中心海冰密集度数据,分析了1979-2012年北极海冰面积的时间变化特征,发现北极海冰具有显著的年代际变化特征,分别在1997和2007年前后存在两次年代际转型突变点,相应的大气环流优势模态——北极涛动(AO)也存在显著的时空变化。1979-1996年阶段海冰下降趋势较弱并以较强的年际振荡为主,AO模态较强且显示出低频振荡特征;1997-2006年阶段北极海冰快速减退趋势占优,同时伴随着较弱的年际振荡,AO模态减弱且振荡周期缩短;2007-2012年阶段海冰范围较快下降同时具有极强的年际振荡,方差变化是前两个阶段的2~3倍,AO不仅强度加强,空间结构也发生了变化,极涡中心分别向格陵兰岛和白令海峡一侧延伸,这种结构有利于极地冷空气入侵欧洲和北美。利用ECHAM5大气模式进行的数值试验结果也证实了较强振荡的海冰强迫对AO模态的改变具有决定作用。     

北极海冰的年代际转型与中国冻雨年代际变化的关系

基于1961-2013年HadISST海冰密集度资料,定义了北极海冰的季节性融冰指数,结果显示近几十年来北极季节性融冰范围呈显著的上升趋势,并分别在20世纪70年代末和90年代中期存在显著的年代际转型,相应地,中国冻雨发生频数总体上呈现出显著的减少趋势,但也存在显著的年代际转型。在20世纪70年代末之前,北极季节性融冰范围较小但显著增长,中国冻雨频数年际变化振幅较大,且主要受巴伦支海、喀拉海海冰的影响;20世纪70年代末至90年代中期北极季节性融冰范围维持振荡特征,没有显著的线性趋势,中国冻雨频数变化振幅减小,与北极海冰相关较弱,主要相关因子为北大西洋及北太平洋海表温度变化;而90年代中期以后,北极海冰融化加快,特别是2007年以后,季节性融冰范围大大增加,而中国冻雨频数处于低发时段,其变化与太平洋扇区海冰及堪察加半岛附近海温呈显著负相关,季节性融冰的显著区域也从东西伯利亚海逆时针旋转向波弗特海-加拿大群岛北部扩张,同时向北极中央区扩张。不同年代影响冻雨的海温或海冰关键海区不同,产生特定的大气环流异常响应,进而影响到我国冻雨。     

1982—2001年与2002—2021年北极秋季海冰的时空变化及原因

基于北极海冰密集度、海冰范围、大气环流和海温数据,研究了1982—2001年与2002—2021年两阶段各20 a间北极秋季海冰的时空变化特征及其原因。结果表明,近20 a（2002—2021年）北极海冰密集度的下降中心由过去（1982—2001年）的楚科奇海及白令海峡一带,转移至亚欧大陆海岸的巴伦支海附近,且海冰范围每10 a减少量由0.44×10⁶ km²增长至0.72×10⁶ km²,减少速度加快约64%。秋季北极海冰范围与海水表面温度（Sea Surface Temperature,SST）、表面气温（Surface Air Temperature,SAT）及比湿（Specific Humidity）均呈显著负相关。2002—2021年的相关系数较1982—2001年有所提高,且与温度相关系数最高的月份提前了一个月。通过对海水表面温度、表面气温、比湿、气压场和风场的经验正交分解（Empirical Orthogonal Function,EOF）可知,1982—2001年间,北极地区的温度及比湿的上升中心集中在楚科奇海及白令海峡一带;2002—2021年间,上升中心则转移至巴伦支海一带。气压场和风场在前后两阶段也出现了中心转移的分布变化。北极地区大气与海洋环流各因素的协同变化影响着北极海冰的消融。     

巴芬湾西部和格陵兰岛东部大气经向热量输送协同变化对夏季北极海冰的影响

利用欧洲中心气候再分析资料和美国国家冰雪数据中心北极海冰面积资料，分析了夏季北极海冰面积与前期大气经向热量输送年际变化的联系。结果表明：6月北半球中高纬大气的经向热量输送以瞬变热量形式为主，其中巴芬湾西部（B区）和格陵兰岛东部（G区）是瞬变热量向极区传输的两个通道，二者之间存在反位相的协同变化，且这种协同变化与夏季北极海冰面积变化密切相关。可能的机制为：6月，AD、AO和NAO三种北极大气环流型能够引起巴芬湾西部和格陵兰岛东部瞬变热量输送的协同变化，这种协同变化通过涡旋动力作用激发夏季极区大气表现为AD异常，同时影响途经区域的气温，从而通过热动力作用影响夏季北极海冰。将向极区输送的热量称为暖输送，从极区输出的热量为冷输送，则上述两个区域的瞬变热量协同输送可分为三种情况：B暖G冷、B冷G暖、B和G均冷，而B和G均暖的情况十分罕见。当B区向极区输入、G区输出热量时，有利于太平洋扇区和喀拉海的海冰偏少；当G区输入、B区输出热量时，利于喀拉海和拉普捷夫海海冰偏少；当B区和G区均输出热量时，利于波佛特海南部、喀拉海和拉普捷夫海海冰偏多，反之则相反。     

北极海冰的变化特征

本文使用了北极海冰１９７２～１９８９年的资料，分析了北极海冰的区域特征、季节变化和长期变化的特征。发现由于北极海冰南侧被殴亚和北美大陆所包围，处于基本封闭状态，只有通过白令海峡与太平洋相连和格陵兰海和娜威海与大西洋相连的两个通道，其环境条件与南极海冰绝然不同，因此其特征也明显不同。１、季节变化小。净冰面积冬季是夏季的２倍左右，而南极海有６倍之差。２、海冰寿命较长。以多年冰为主，平均寿命为１．３年。