MPI-ESM-LR模式中RCP8.5情景下春季北极海冰突变对东亚夏季降水的影响

利用MPI-ESM-LR模式RCP8.5情景下海冰浓度、降水、海表面温度、500 hPa位势高度和850 hPa风场等数据,对比分析了一次北极海冰突变前后春季海冰与东亚夏季降水关系的差异,并探究其可能成因。结果表明:1)北极海冰突变导致北极海冰浓度(Sea Ice Concentration,SIC)和ENSO对东亚夏季降水的影响均发生变化。突变前SIC和ENSO共同影响降水年际变化;突变后ENSO主导降水EOF的第一模态,SIC主导降水EOF的第二模态;2)北极海冰突变前,ENSO和SIC通过500 hPa经向波列,影响整个东亚地区的850 hPa风场,最终导致三极子型降水模态。突变后,ENSO通过500 hPa经向波列,影响华南地区的850 hPa风场,导致降水的偶极子空间模态,从而主导降水EOF的第一模态;同时SIC通过东亚地区500 hPa纬向波列,影响北方850 hPa风场,最终主导降水EOF的第二模态。3)北极海冰突变后,ENSO和SIC对东亚夏季降水的影响存在区域差异。北极海冰突变前,ENSO和SIC共同影响南北方降水;北极海冰突变后,SIC主要影响北方降水,ENSO主要影响南方降水。     

南极海冰的年际变化对中国东部夏季降水的影响

根据Hadley中心提供的1969—1998年的南极海冰再分析资料和其它多种观测资料，分析了南极海冰的年际和季节变化，指出南极海冰具有显著的年际变化，但与ENSO的关系则较为复杂。南极海冰维持了南半球高纬地区大气环流的季节持续性，因而对短期气候预测有较大帮助。相关分析和时间序列分析均证实中国东部夏季降水与南极海冰的年际变化有关，当北半球春夏季南极海冰增多时，华北降水增多而华南和东北降水减少。研究还表明，此种雨型分布与南极海冰变化引起的东亚夏季风环流变化有关。     

大气河对南极冰盖及海冰的影响

南极冰盖与海冰对全球气候具有重要影响。大气河作为高纬度地区经向水汽输送的重要途径,其对南极冰盖与海冰的影响在近年来愈发受到重视。南极大气河通常形成于高压脊(阻塞高压)与温带气旋之间的强向极经向输送带内。低频的大气河活动为南极带来强降雪,有利于冰盖质量增加。然而,强暖湿水汽侵入同时会导致表面融化、冰架崩解和极端高温,对冰盖质量存在潜在负贡献。大气河携带极端暖湿水汽与强风通过热力与动力过程导致海冰密集度下降。目前,大气河的识别算法仍不完善,其对液态降水的直接影响、与南大洋的相互作用等仍不清楚,需要进一步明晰大气河对南极冰盖与海冰的影响机制,以准确预估未来大气河对南极冰盖物质平衡与海冰变化的作用。     

近50年来夏季西风指数变化与中国夏季降水的关系

使用1951～2002年夏季500 hPa高度月平均格点资料，运用多变量方差分析的方法，找到夏季不同雨带类型对应的西风指数变化关键区，再对关键区西风指数与夏季160个站的降水进行相关分析，找到降水显著高相关区。最后，采用NCEP/NCAR月平均再分析资料，通过合成风场检验的方法，找到高低西风指数年对应的风场显著差异区以及不同雨带类型对应的风场显著差异区，对高低西风指数和正常年西风指数各自对应的环流场以及三种类型雨带对应的环流场进行比较。研究发现，夏季西风指数差异最大的关键区在(35?N～55?N, 110?E～140?E)。在关键区内，I 类雨带对应高指数环流，II 类雨带对应多年平均环流形式，III 类雨带对应低指数环流。而降水场上的高相关区在长江和江南一带，为负相关。高低指数年的u、v风场显著性关键区和 I、III 类雨带的u、v风场的显著性关键区基本相同，经度在100?E～130?E， 纬度分别位于35?N～55?N（A关键区）和25?N～30?N（B关键区）。高指数年对应 I 类雨带，在关键区A南风加强，在关键区B东风加强。低指数年对应 III 类雨带，在关键区A东北风加强，在关键区B西风加强。而多年平均环流形式对应 II 类雨带，A、B两个关键区主要是西风控制。归结原因是由于西风带的南进北退导致冷空气南下北上的路径、强度发生变化，从而影响夏季雨带的分布。     

不同类型ENSO事件对初冬北极海冰的影响

基于1951—2019年NCEP/NCAR再分析资料、Hadley环流中心海温、海冰密集度资料,通过合成分析和诊断温度异常方程,研究不同类型ENSO对初冬北极海冰的影响。结果表明,EP La Ni1a发展年初冬(11—12月),巴伦支—喀拉海海冰异常减少;CP La Ni1a发展初冬,巴伦支—喀拉海海冰异常增加。EP和CP型El Ni1o对初冬北极海冰的影响类似：格陵兰海海冰异常减少,而哈德逊—巴芬湾海冰异常增加。不同类型ENSO对初冬北极海冰的影响主要通过产生不同的大气遥相关,引起同期和前期的海表气温异常而实现。     

近20年来中国极地大气科学研究进展

南极、北极和青藏高原是地球上的 3大气候敏感地区 ,是多个国际计划研究全球变化的关键地区。中国的南极和北极实地考察研究 ,分别始于 2 0世纪 80和 90年代 ,起步较晚 ,但近 2 0余年来有较大的进展。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。讫今为止 ,中国已组织了 2 0次南极考察和 3次北极考察 ,建立了中国南极长城站、中山站和北极黄河站等 3个常年科学考察站 ;进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、高层大气物理、冰雪和大气化学等观测 ,获得了较为系统的极地大气科学第一手资料 ;开展了有关极地与全球变化的研究 ,取得了新的进展。南极地区大气温度、臭氧和海冰的气候变化在时间和空间上都是多样的。南极地区的增暖主要发生在南极半岛地区 ,在南极大陆主体并不明显 ,近 10余年来还有降温趋势。中国南极长城站和中山站的观测资料也证实了这一点。此外 ,还揭示了南极半岛西侧和罗斯海外围的海冰变化具有“翘翘板”特征 ,由此定义的南极涛动指数可用来讨论南极海冰状况和海冰关键区的活动 ;用实地考察资料研究了极地不同下垫面的近地面物理和海 -冰 -气相互作用特征 ,给出了边界层特征参数 ;讨论了极地天气气候和大气环境特征及其对东亚大气环流和中国天气气候的影响 ;利用     

南极海冰与南半球大气环流关系的初步探讨

本文利用１９７３—１９８２年南极海冰北界资料，分析了南极海冰平均北界（海冰范围）的变化及其与南半球大气环流变化间的联系。１９７６年前，南极海冰平均北界偏北（海冰范围扩大），而１９７７年－１９８０年，南极海冰平均北界偏南（海冰范围缩小）。与此相对应，这两个时期的南半球大气环流具有明显不同的特点。在南极海冰平均北界偏北、海冰范围扩大时期，南极高压和绕极低压带偏弱，南半球中高纬度地区槽脊位置偏西，南印度洋和南大晒洋副热带高压偏弱，南太平洋副热带西凤减弱、中纬度西风加强，而南太平洋副热带高压和印度尼西亚低压带发展，南方涛动处于正位相阶段；在南极海冰平均北界偏南、海冰范围缩小时期，则相反。分析表明，南方涛动与南极海冰之间存在相互联系，并以南极海冰超前南方涛动约２个月时的关系最好，其次是南极海冰落后南方涛动４个月。     

南极海冰北界涛动指数及其与我国夏季天气气候的关系

南极海冰的变化和全球大气环流关系密切。南极各区海冰的不同变化, 对南北半球大气环流有着不同的影响。文中基于对南极海冰变化的客观分区, 定义了南极海冰北界涛动指数 (ASEOI), 并结合中央气象台提供的南方涛动指数、北半球500 hPa和100 hPa高度场资料以及我国160站降水、温度资料, 利用诊断分析方法, 对ASEOI与我国夏季天气气候的关系进行了研究。研究表明:ASEOI对我国长江中下游降水及全国大部分地区温度具有指示意义。若前一年10月ASEOI偏低, 则当年7月我国长江中下游降水偏多, 引发洪涝灾害的可能性很大; 温度场上, 我国北方气温偏高, 南方气温偏低, 而高温往往伴随着少雨, 这无疑会加剧华北本就严重的旱情。     

冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积变化对后期北太平洋海温的影响

采用Ｗａｌｓｈ的１９５３～１９９０年逐月北极海冰密集度资料、１９５３～１９８７年北半球海表温度资料、１９４６～１９８９年月平均５００ｈＰａ高度场以及１９８０～１９８９年８５０ｈＰａ高度场、风场和温度场资料,研究了冬季北极关键区（喀拉海、巴伦支海海区）海冰面积变化对后期北太平洋海表温度的影响。研究结果表明：冬季喀拉海、巴伦支海海冰可以影响初夏北太平洋中部海温。冬季该海区海冰偏多,则冬、春季节亚洲大陆冷空气活动偏北,春季白令海海冰偏少、阿留申低涡减弱西移,引导偏北的大陆冷空气南下,在热力和动力共同作用下,使北太平洋中部海温偏低;相反,冬季喀拉海、巴伦支海海冰偏少时,则冬、春季节亚洲大陆冷空气活动偏南,冷空气在东亚地区向南爆发,同时,白令海海冰偏多、阿留申低涡加深东移,北太平洋中部西风偏强且位置偏北,东太平洋副热带高压位置也偏北,使北太平洋中部海温受到来自低纬度地区暖湿气流的影响,海温将偏高。     

北极海冰对中国西北地区东部主汛期7月降水分布型的可能影响

选取1961-2020年中国西北地区东部154个气象站7月降水、 NCEP/NCAR大气再分析及北极海冰资料,利用SVD分解等统计诊断方法,分析了北极关键区海冰对西北地区东部主汛期7月降水主要模态分布型的可能影响途径。结果表明：影响西北地区东部7月降水异常分布型主要有两种海冰模态,一种是当巴伦支海、千岛群岛海域海冰密集度偏小（大）,戴维斯海峡海冰密集度偏大（小）时,激发从戴维斯海峡向东南以及从鄂霍次克海向西南方向传播的波列,使得我国西北地区东部上空500 hPa位势高度场距平为“西高东低”（“西低东高”）的分布,造成区域降水异常为“一致偏少（多）”分布型;另一种当波弗特海东海域海冰密集度偏小时,激发从里海东传至鄂霍次克海的波列以及配合我国华南上空的正位势高度异常,使得冷空气路径偏东、偏南以及西太平洋副热带高压偏强,造成研究区降水异常为“北少南多”分布型,反之为“北多南少”分布型。利用“SVD投影法”建立的海冰关键区因子预测模型,其对西北地区东部主汛期7月的降水距平符号的把握及空间分布型具有一定的预测能力,尤其对“区域一致少型”和“北多南少型”的预测效果较好。     

两类El Ni?o事件盛期南大洋海冰异常的对比分析

基于1979～2017年数据,利用回归方法和线性模式试验,分析了两类El Ni?o事件（东部型EP和中部型CP）盛期（12月至2月）南大洋海冰异常的差异及其可能机制。结果表明,两类事件期间尽管海冰异常定性上类似,但强度和位置存在明显差异:在罗斯海和阿蒙森海,两类事件期间海冰均偏少,但 EP期间海冰减少范围更大,振幅更强;在威德尔海,两类事件期间海冰均偏多,但EP期间增多更明显,而且位置相对CP期间偏西偏北。造成这种差异的主要因素是两类事件期间海温异常强度的不同:EP期间对应的海温偏东偏强,其激发的类太平洋—南美型（PSA）模态在南极边缘海的异常高压中心强度更大、范围更广,使得罗斯海区域为东北风异常控制,有利海冰向高纬输送,海冰范围进而减少;而威德尔海区域则是异常偏南风控制,使得海冰向北输送,有利于威德尔海南部海冰范围减少,北部海冰范围增大。相比之下,CP事件期间,赤道中东太平洋的暖海温异常偏于中太平洋且强度弱,其激发的类PSA在南极边缘的异常高压偏弱,使得动力作用引起阿蒙森海的海冰减少和威德尔海海冰增加偏弱。进一步的分析表明,CP事件期间威德尔海海冰增多还与该区域更早时间（11月份）的海冰增多,及随后海冰—太阳反照率的正反馈效应有关。本研究结果显示两类事件期间海冰异常的强度和位置的差异,与两类事件期间赤道中东太平洋SSTA强度和位置的差异,二者有很好的对应关系,相比前人的合成分析结果（CP期间海冰异常强于EP期间）,物理上更为合理。     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

极冰对南方涛动的影响

分析南、北极冰量与南方涛动序列作月、季和年尺度的变化过程线性相关关系，发现北极冰量与南方涛动指数是反相关关系，而南极冰量与南方涛动是正相关。比较而言，南极冰量与南方涛动的关系在月和季尺度上似乎较北极与大气的关系密切些。在各时间尺度序列中以太平洋地区南极极冰的影响表现最明显。分析发现极冰与南方涛动之间存在较复杂的非线性关系。在前期极冰的强信号寻找中，发现极冰与南方涛动在月序列的相关关系上存在周期变化现象。进一步选择相关极值的对应步长建立前期极冰状态激发大气变化的预测统计动力模式，模式对大气序列的解释方差可达０．９０以上。文中还进一步探讨了月序列存在的周期变化的共同因素的影响     

厄尼诺现象与北太平洋海温及云量场关系的初步分析

本文应用经验正交函数的方法展开北太平洋海温场和西太平洋云量场,分析厄尼诺年尤其是1982-1983年厄尼诺年的特点。同时,结合北太平洋信风、南方涛动、南极海冰等对厄尼诺年作了一些初步的探讨。      

Simulation of the atmospheric circulation in the Weddell Sea region using the limited-area model REMO

Summary ?To analyse the applicability of a limited-area atmosphere model to the Southern Ocean, a one-year simulation for 1985 is performed using the REgional MOdel REMO at 55-km horizontal grid-spacing implemented for the Antarctic regions of the Weddell, Bellingshausen and Amundsen Seas. To evaluate the performance of REMO, a comparison of model results to observations and to reanalysis/analysis data sets is carried out. REMO is initialized and driven at the lateral and lower boundaries by data of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis (ERA15). Overall, REMO is an appropriate tool for further climate studies in Antarctic regions. It reproduces reasonably well basic spatial patterns and the seasonal cycle of the atmospheric circulation. However, the simulated mean sea level pressure (MSLP) is predominantly lower than the MSLP provided by observations and by ERA. Considerable temperature differences in the lower troposphere over sea ice in winter cause discrepancies between the REMO and ERA pressure fields in the mid-troposphere too. The precipitation rate P of the REMO simulation agrees qualitatively well with main features of the observed climatological spatial distribution described in literature. The seasonal cycle of P in the inner Weddell Sea reflects the Antarctic semi-annual oscillation. Concerning the forcing fields, the ERA sea ice surface temperatures in winter are generally higher than satellite derived surface temperatures. Although the differences are 10 to 15 K in the southern Weddell Sea, this deficiency of the ERA data hardly influences the mean large-scale circulation. Received October 10, 2001; revised April 22, 2002; accepted May 12, 2002     

Analysis of the projected regional sea-ice changes in the Southern Ocean during the twenty-first century

Using the set of simulations performed with atmosphere-ocean general circulation models (AOGCMs) for the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC AR4), the projected regional distribution of sea ice for the twenty-first century has been investigated. Averaged over all those model simulations, the current climate is reasonably well reproduced. However, this averaging procedure hides the errors from individual models. Over the twentieth century, the multimodel average simulates a larger sea-ice concentration decrease around the Antarctic Peninsula compared to other regions, which is in qualitative agreement with observations. This is likely related to the positive trend in the Southern Annular Mode (SAM) index over the twentieth century, in both observations and in the multimodel average. Despite the simulated positive future trend in SAM, such a regional feature around the Antarctic Peninsula is absent in the projected sea-ice change for the end of the twenty-first century. The maximum decrease is indeed located over the central Weddell Sea and the Amundsen–Bellingshausen Seas. In most models, changes in the oceanic currents could play a role in the regional distribution of the sea ice, especially in the Ross Sea, where stronger southward currents could be responsible for a smaller sea-ice decrease during the twenty-first century. Finally, changes in the mixed layer depth can be found in some models, inducing locally strong changes in the sea-ice concentration.

Local and remote responses to opposite Ross Sea ice anomalies: a numerical experiment with the CPTEC/INPE AGCM

This work examines the near-surface responses, in the Southern Hemisphere atmosphere, to a reduction and an excess of sea ice cover in the Ross Sea. Large ensembles (60 members) of the Atmospheric General Circulation Model of the Center for Weather Forecast and Climate Studies (AGCM-CPTEC) are used for this purpose. Locally, when the sea ice cover decreases (increases), heat fluxes, temperature, and pressure increase (decreases). A principal component analysis of temperature and geopotential height identifies the potential remote connections. We have found three main results: first, an association between the sea ice cover in the Ross Sea and a wave train that resembles the Pacific South American (PSA) pattern; second, a relationship between temperatures in the Ross Sea and in the southern South America; and third, an apparent correspondence between reduced sea ice cover in the Ross Sea and the subtropical jet over Australia.     

南极海冰变异对华南后汛期旱涝的影响

应用逐月南极海冰北界资料和南半球海平面气压场资料,研究了南极海冰变异对华南后汛期旱涝的显著影响作用和可能机理,认为：南极总海冰、威德尔海海冰冰长期和罗斯海海冰最大面积的变异对后汛期的作用最为显著。９月罗斯海海冰最大面积变化与次年７～９月西太平洋副高关系密切,副高在海冰与后汛期关系中起重要纽带作用。后汛期旱涝可能是南极海冰变异产生的全球短期气候效应的结果之一