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.     

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.     

北冰洋中心区夏季大气边界层结构特征及其与海冰范围变化的关系

利用中国第4~6次北极考察获得的北冰洋中心区(80°~88°N))GPS探空资料和NCEP再分析资料,分析了大气垂直结构、边界层参数的变化特征及其与海冰和温度变化的关系.结果表明,2010、2012和2014年夏季北冰洋中心区的对流层顶、边界层高度、逆温强度及风速和风向的垂直结构均存在明显差异.通过分析1979~2014年9月温度与海冰范围变化的关系,解释了其差异的原因.2012年9月北极海冰范围最小,减少了44%,具有明显的增温过程.2010年和2014海冰分别减少了22.6%和17%,出现的是降温过程.对比2种过程反映出海冰变化对大气边界层结构有重要影响.近30年北冰洋中心区(80°~90°N)1000和850hPa的温度变化呈显著的升温趋势,并与海冰范围呈显著的负相关.表明北极海冰的持续减少,会使地表至对流层中层持续增温.     

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。     

北极海冰与夏季欧亚遥相关型年际变化的联系及对我国夏季降水的影响

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM3.1数值模式研究了夏季欧亚中高纬遥相关型年际变率与前期春季北极海冰变化的联系及其对我国夏季降水影响的可能机制.结果表明,夏季北大西洋-欧亚中高纬地区500 hPa位势高度场自然正交分解第二模态表现为"-+-+"遥相关波列,其中格陵兰岛-北大西洋和乌拉尔山地区为异常高空槽区所控制,而欧洲和贝加尔湖附近地区则为异常高压脊区,这种波列分布与欧亚中高纬EU型遥相关型十分类似.当遥相关波列为"-+-+"（"+-+-"）型分布时,前期春季巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少（多）,同期夏季巴伦支海北部一带海冰亦持续偏少（多）,同时在我国东北北部地区、长江和黄河之间地区降水明显偏少（多）.深入分析发现,巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少后,由于该地区湍流热通量明显偏强,在动力过程影响方面会形成异常Rossby波源,准定常Rossby波活动通量将向东亚地区传播,使得夏季欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列出现.另外,海冰异常偏少后,在热动力过程影响方面,4-5月欧亚中高纬乌拉尔山-贝加尔湖以北地区积雪会出现"西少东多"偶极子型异常分布,其通过影响后期土壤湿度及下垫面热通量异常,也有利于夏季欧亚中高纬遥相关波列的维持.伴随着欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列的出现,乌山阻塞高压偏弱,东亚槽偏浅,且亚洲副热带急流随之加强,贝加尔湖以北的副极地地区出现西风异常,东亚副热带急流北侧出现东风异常,贝加尔湖以南地区为异常反气旋控制,南下冷空气活动减弱.受到上述环流形势影响,我国东北北部地区、黄河和长江之间地区降水明显偏少.当巴伦支海北部和巴芬湾区域海冰偏多时,结论则反之.最后,基于春季海冰指数和晚春偶极子型积雪指数,我们建立了江淮流域夏季降水的预测模型,回报结果表明其对江淮流域夏季降水的年际变率具有较高的预测技巧.     

冬季北极增暖与中纬度环流和极寒天气之间的联系:经向位涡梯度的关键作用

冬季中纬度欧亚大陆在20世纪90年代后表现出明显的变冷趋势,这与近几十年的北极增暖和北极海冰快速融化同时发生,因此许多学者将中纬度极寒天气增多归结为北极增暖和北极海冰减少的影响,但也有些学者认为这两者之间没有关系.因此,中纬度极寒天气事件和北极增暖之间的关系仍是国际大气科学界未解决的难题.事实上,中纬度极寒天气的产生主要与阻塞的维持、位置和移动密切相关.文章通过回顾前人的研究指出,基于阻塞非线性多尺度相互作用(NMI)模型所提出的位涡经向梯度(PVy)可能是解决中纬度极寒天气和北极变化之间最关键的因子.根据NMI模型可以发现, PVy的大小主要反映阻塞的频散性和非线性强弱.研究表明,北极增暖通常会使得PVy减小,而当PVy较小时,阻塞系统有弱频散性和强非线性,因此阻塞能够长时间维持,从而导致欧亚大陆有强的极寒事件发生;但当PVy较大时,即使有北极增暖,阻塞也不容易维持,在这种情况下北极增暖或海冰融化对中纬度极寒事件的影响是弱的.因此,从PVy的大小去看中纬度极寒天气和北极增暖之间的联系也许将是未来该领域的一个主要研究方向.     

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.     

中国北方沙尘暴气候形势的年代际变化

分析了中国北方沙尘气候的时间变化特征, 重点研究与沙尘气侯的年代际变化相应的冬、春季气候和大气环流异常特征. 文章揭示: 在沙尘活动频繁年代(1956~1970)和稀少年代(1985~1999)冬、春季的气候和大气环流有显著差别. 与前一个年代相比, 在后一个年代里冬季极涡异常加深, 50°N附近的西风增强, 东亚极锋锋区位置偏北, 东亚大槽偏弱; 西伯利亚高压北部及中心强度变弱, 阿留申低压明显升压; 东亚季风强度变弱, 影响中国的冷空气势力减弱, 冬、春季大风天气变少. 同时中国北方广大地区冬季温度显著升高, 西北和内蒙古的沙源地区春季降水明显增多. 研究还发现, 在年际尺度上, 中国北方的沙尘活动频次与前冬的西风指数、北极涛动指数呈显著的负相关, 与冬、春季东亚季风指数呈显著的正相关.     

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.     

格陵兰以西海冰在冬季格陵兰阻塞影响极寒天气中的调制作用

通过分析1979～2019年ERA-Interim逐日再分析资料和大气环流模式试验,研究了格陵兰岛以西的巴芬湾-戴维斯海峡-拉不拉多海(Baffin Bay、Davis Strait和Labrador Sea, BDL)冬季海冰变化对格陵兰阻塞的调制作用及动力机制.结果表明,冬季BDL地区海冰较少、气温较高,有利于冬季格陵兰阻塞频繁发生,此时格陵兰阻塞维持时间较长且具有西移特征,这导致美国中东部地区极寒天气的频繁发生和加强.与此相反, BDL地区海冰较多、气温较低时,格陵兰阻塞西移减慢,维持时间较短,阻塞频率减少,主要导致欧洲北部降温. BDL海冰融化所引起的增暖能减弱北大西洋中高纬度纬向风和经向位涡梯度,导致格陵兰阻塞能量频散减小和非线性增加,此时背景条件有利于格陵兰阻塞的产生和维持,衰减变慢且向西移动加快.当BDL海冰偏多时,北大西洋中高纬度西风和位涡梯度增大,此时格陵兰阻塞的频散性增强而非线性减弱,抑制了格陵兰阻塞的发生和维持.一系列理想大气环流模式试验进一步证实上面的结果.     

2008年和2012年冬季欧洲气候的差异及成因

2008年冬季（1月和2月）和2012年冬季均发生了较强的拉尼娜事件,但欧洲气候,尤其是西欧在这两年差异较大,2008年异常偏暖,而2012年却出现了极寒事件.诊断表明,大气环流异常是造成气候差异的直接原因.2008年冬季,北大西洋上空大气环流异常呈正位相的北大西洋涛动,有利于欧洲异常偏暖;2012年冬季,北大西洋和欧亚高纬阻塞的长期维持是西欧发生极端严寒的重要原因.通过数值试验,研究了前期海表热状况异常对大气的影响.结果表明：北大西洋海温异常能在一定程度上解释这两年欧洲各自的气候异常;尽管热带海温异常对2012年冬季的北大西洋环流形势和欧洲气候异常起一定的贡献,但不能解释2008年的情形;靠近欧洲的北极海冰异常偏少使得欧洲气候偏冷,对2008年的偏暖气候贡献为负,对2012年则有正贡献.     

LASG耦合气候系统模式FGCM-1.0

本文描述了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)最新发展的一个耦合气候系统模式的基本性能. 该模式是在LASG灵活的全球耦合气候系统模式（英文缩写为FGCM）的初始版本FGCM-0的基础上发展而来的,是该系列耦合模式的第二个版本，即FGCM-1.0. FGCM-1.0通过一个通量耦合器将大气、海洋和海冰三个分量模式耦合在一起，其中海洋分量模式是LASG发展的一个涡相容分辨率（eddy-permitting）全球海洋环流模式，大气和海冰分量模式则为美国国家大气研究中心（NCAR）的大气环流模式CAM2和海冰模式CSIM4. 耦合模式完整地考虑了海气界面上的动量、热量和淡水通量交换，尽管在模式中没有使用任何形式的人为的通量调整或者通量距平方案，模式还是比较合理地模拟出基本的气候形态. 通过对该耦合模式长期积分结果的进一步分析发现，模式能够比较好地模拟出厄尔尼诺－南方涛动（ENSO）以及印度洋偶极子事件的基本特征；与FGCM系列耦合模式的最初版本FGCM-0相比，FGCM-1.0模拟的北赤道逆流（NECC）和ENSO循环更加真实.     

北极涛动低空大气环流特征及其与太阳活动的联系

通过北极涛动AO正负位相时期北半球1000 hPa月平均位势高度、位势高度距平和气温月距平图对比分析可知,北极区域异常增暖时期对应着AO负位相时期,而北极区域异常偏冷时期对应着AO正位相时期,说明北极区域气温异常变化是决定AO异常变化的重要因子.逐次滤波法分析可知,冬季1月北极涛动现象表现出十分清楚的与太阳活动密切联系的准110a世纪周期和准22a年代际周期,具体表现为：（1）冬季1月北极涛动现象具有十分清楚的与太阳活动密切联系的准110a世纪周期.准110a世纪周期对于北极涛动指数的方差贡献率达到44.4%,是冬季1月北极涛动现象最显著的世纪际变化特征.（2）谱分析结果表明,滤除准110a世纪周期变化以后的1月北极涛动指数具有显著的22a周期,其方差贡献率达到18.5%,乃仅次于准110a世纪周期之后北极涛动指数年代际变化重要特征.对比分析表明,太阳活动尤其是太阳磁场磁性指数变化与1月北极涛动22a周期变化呈密切的反相关关系,二者变化趋势基本相反,即多数情况当太阳磁性指数MI由最低值转为上升以后都可引起北极涛动AO由最高值转为下降;当太阳磁性指数MI由最高值转为下降以后都可引起北极涛动AO由最低值转为上升.综上所述,北极涛动的准110a世纪周期变化、22a年代际周期变化对于北极涛动方差贡献率达到62.9%,标志着太阳活动是北极涛动的重要驱动因子.     

蓝色北极情景下西北太平洋台风会增多吗？

未来的全球变暖情景下,西北太平洋台风活动会有怎样的变化？利用CMIP3模式在IPCC AIB情景下对未来气候的预估结果,得到全球变暖之北极夏季（September）无海冰时的一种情景,即“蓝色北极”．利用相应的海温场和CO：含量驱动一个全球大气环流模式,来对北极夏季无海冰时的西北太平洋台风生成环境做出数值模拟．试验结果表明,蓝色北极情况下,6～10月西北太平洋的大气环流和海洋环流都发生了明显变化,影响台风活动的主要环境要素：纬向风垂直切变和向外射出长波辐射空间分布的变化分别有利于台风源地向偏西、偏北转变;与台风频数有密切联系的关键区中上述量的变化且皆利于台风频次的减少．热带气旋生成潜力指数的变化表现为西北太平洋东部减小,而西部增大．因而呈现了非常复杂的变化格局．     

北极地区的地震活动、结构和构造

"北极"地区,即北极点位于北冰洋的中心。一直以来,北极地区影响着地球从地质时期到现在的环境变化。然而,该地区的地震活动并未得到足够的监测。因此,通过对地震现象进行长期监测并将其作为可持续参数,我们可以更深入地理解地球的构造演化和地球表层的低温层与岩石层之间的动态相互作用。本文研究了北极地区地震活动与结构的联系,特别着眼于欧亚大陆及其周围海洋,以及其与地球历史时期地区演化的关系。目标区涵盖了北极欧亚区有代表性的构造区,例如西伯利亚的广袤地区、贝加尔裂谷带、俄罗斯远东地区、北冰洋,以及格陵兰和加拿大北部。基于对地震活动特征等的讨论,本文总结了北极地球表面的地壳和上地幔的非均匀结构、大地构造史和最近的动力学特征。     

南海海面高度、动力地形和环流的周年变化——TOPEX/Poseidon卫星测高应用研究

用1993~1999年的TOPEX/Poseidon卫星测高资料, 分析了南海海面高度距平场(SSHA)的平均周年变化; 结合历史水文资料, 反演了多年平均的逐月海面动力地形; 探讨了南海动力地形及其所反映的上层环流季节特征和演变规律. 分析表明, 南海大尺度环流的周年演替可分为4个阶段. 冬季(11~2月)南海环流表现为以北部气旋环流为主的气旋型双圈结构, 相关的特征还包括吕宋海峡的黑潮入侵和加里曼丹岛西北外海的东北向离岸流. 春季(3~4 月)气旋型双圈结构解体, 北部的气旋型环流依然维持, 南部环流则向反气旋型演变, 大尺度环流结构呈现偶极子特征. 夏季(5~7 月)和秋季(8~10月)海盆内部不存在明显封闭的大尺度环流, 环流以西南-东北流向的季风急流为主要特征, 但夏、秋流态有较大差别. 5~7 月季风急流贴中南半岛北上, 在海南岛东南18°N附近沿地形折向东形成反气旋型弯曲, 穿越南海后再折向东北. 8~10 月季风急流在13°N附近即离开中南半岛海岸进入海盆中部, 其流态转变为气旋型. 在春、夏、秋三季, 黑潮的入侵都不明显. 上述变化规律显示南海环流的动力调整在季风盛期过后就已经开始.     

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.     

积雪在El Nino影响东亚夏季气候异常中的作用

本文利用1948—2010年Global Land Data Assimilation System(GLDAS)NOAH陆面模式资料、GPCC月平均降水资料和NCAR/NCEP全球月平均再分析资料,采用滤波、距平合成和线性相关等方法,分析了El Nino成熟位相冬季欧亚大陆积雪异常的分布特征,研究了关键区积雪融化对后期春、夏季土壤湿度、土壤温度以及大气环流与降水的影响,揭示了El Nino事件通过关键区积雪储存其强迫信号并影响东亚夏季气候异常的机制和过程.主要结论如下:El Nino成熟阶段冬季伊朗高原、巴尔喀什湖东北部和青藏高原南麓区域是雪深异常的三个关键区,这些区域的雪深、雪融和土壤湿度有明显的正相关;这三个关键区雪深异常通过春季融雪将冬季El Nino信号传递给春、夏季局地土壤湿度,通过减少感热通量和增加潜热通量对大气环流产生影响;春末夏初伊朗高原土壤湿度异常对东亚夏季气候异常的影响最大,其引起的降水异常与El Nino次年夏季降水异常分布基本一致,春夏季青藏高原南麓和巴尔喀什湖附近土壤湿度也都明显增加,均会对中国华北降水增加有显著正贡献.总之,在利用El Nino事件研究和预测东亚夏季气候异常时,还应考虑关键区雪深异常对El Nino信号的存储和调制作用.     

梅雨与北极涛动及平流层环流异常的关联

平流层过程如何影响气候变化是一个大家关注的科学问题,在WCRP中专门设置了一个研究子计划SPARC.本文的分析研究表明,中国的梅雨异常可能受到平流层大气环流异常的影响,而这种影响是通过北极涛动（AO）的变化来实现的.从分析和计算结果可以看到,二月份北半球30 hPa位势高度的EOF第一主分量对应着副热带和高纬度地区的显著下传异常波作用量,其第三主分量对应着极地地区的显著下传异常波作用量,这些下传的异常波作用量都对三月份AO形势的形成有明显的贡献.三月份的AO则会通过影响东亚地区夏季对流层大气的冷暖状况和环流,在长江中下游地区导致异常垂直运动和辐散辐合形势,从而影响夏季的梅雨降水.     

气候系统模式对北极涛动的模拟

本文系统分析了参与IPCC AR4 “20世纪气候模拟"（20C3M）的23个气候系统模式模拟的1950～1999年冬季（JFM）北极涛动（AO）.结果表明,在22个模式中,AO模态都表现为北半球中高纬大气年际变率的第一模态.不过,18个模式模拟的AO模态在北太平洋地区表现偏强,有两组模式结果均表明,提高模式的水平分辨率能够克服此偏差.所有模式模拟的AO指数均未出现与观测相当的增强趋势,只有两个模式（ECHO-G和UKMO-HadGEM1）模拟的AO指数与观测存在显著正相关.多数模式能够模拟出纬向风伴随AO位相变化在中高纬出现的偶极子异常特征,部分模式对平流层AO特征的模拟能力仍需要提高.对AO垂直结构模拟较好的模式,例如CCSM3、MRI CGCM2-32和UKMO-HadGEM1,能够较为合理地再现伴随AO指数增强出现的极区平流层变冷和中纬度对流层增暖现象.AO与欧亚大陆地表气温和降水的相关分布,在多数模式中有较好的体现,个别模式还对AO与东亚气候的相关关系具有一定的模拟能力.对AO各指标均有较好模拟能力的模式是UKMO-HadGEM1.本文结果为改进气候系统模式对北极涛动的模拟能力提供了依据,亦为学术界利用IPCC AR4的耦合模式数据、开展与AO相关的气候变率研究提供了基础参考.