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。     

北极海冰数值预报的初步研究——基于海冰—海洋耦合模式MITgcm的模拟试验

利用最近发展的MITgcm(麻省理工学院通用环流模式)海冰-海洋耦合模式,以NCEP(美国国家环境预测中心)再分析资料为大气强迫场进行了1992年1月至2009年12月北极海冰数值模拟.结果表明,此模式能很好地模拟卫星观测的北极海冰季节和年际变化,具备很好的北极海冰数值模拟能力.以此为基础,对2009年7月和10月北极...     

全球多源海冰密集度融合资料研制试验

为了发展一套全球多源海冰密集度逐日融合资料,以欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）海洋海冰应用中心（OSI SAF）海冰密集度数据、中国国家卫星气象中心（NSMC）的MWRI和VIRR全球海冰密集度数据、美国国家冰雪数据中心（NSIDC）的NISE海冰密集度数据、美国国家冰中心（NIC）的IMS北半球海冰数据为观测数据源,以ERA-Interim模式数据为背景场,采用以下方案开展融合试验。首先,对各数据源资料进行质量控制;其次,以OSI SAF海冰密集度数据为基准,采用概率密度函数（PDF）匹配方法订正其他卫星资料的系统误差;然后,根据订正后的误差生成超级观测场;最后,利用STMAS方法将超级观测场和作为背景场的ERA-Interim海冰密集度数据进行融合,生成全球逐日0.25°分辨率海冰密集度融合试验数据。通过与国际广泛使用的OISST、OSTIA海冰密集度数据对比,评估融合试验产品的质量。结果表明:融合方案中的PDF方法通过调整非基准资料的概率密度分布,实现非基准资料和基准资料概率密度分布一致,从而使3种海冰密集度卫星资料系统误差均显著减小;STMAS方法能够将超级观测场和背景场进行有效融合,生成融合试验产品;风云卫星数据的使用提高了融合数据生产的自主可控能力;同时,融合方案考虑了卫星数据源的时效性、获取的稳定性等因素。融合产品与OISST和OSTIA海冰密集度数据的空间分布在南、北极均高度吻合,相关系数均超过0.985,与OISST和OSTIA的偏差分别为?1.170%和0.276%,融合试验产品整体偏差介于两种资料之间,反映了试验产品系统误差较小的良好特性。可见,融合方案能够满足实时业务需要,融合试验产品具有较高的质量。      

CICE海冰模式中反照率相关参数对北极海冰模拟的影响

国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0最新耦合了美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0,为试验模式中与反照率相关参数的敏感性及其对模拟结果的影响,提高模式对北极海冰的模拟能力,选取海冰模式中3个主要参数进行了敏感性试验。利用以BCC_CSM2.0耦合框架为基础建立的海冰-海洋耦合模式,选取CORE资料为大气强迫场开展试验,试验的3个参数分别为冰/雪表面反射率、雪粒半径和雪粒半径参考温度。结果表明,参数取值的不同对北极海冰的模拟有显著的影响,优化后的取值组合极大提高了模式的模拟能力,主要表现在:（1）改善了对北极冬季海冰厚度的模拟,海冰厚度增大,与观测资料更为吻合;（2）显著提高了对北极夏季海冰密集度的模拟能力,从而模拟的北极海冰范围年际循环与观测更为一致。参数取值的优化改进了模式对海冰反照率的模拟,进而影响了冰面短波辐射的吸收和海冰表层的融化,最终提高了模式对海冰密集度和厚度的模拟效果。      

南极海冰涛动与ENSO的关系

对近30年南极海冰密集度资料的EOF和SVD分析，发现南极地区在罗斯海外围和别林斯高晋海的海冰密集度场存在着“翘翘板”的变化特征，并与ENSO有密切联系。由此定义两个海冰关键区的差值为南极海冰涛动指数（ASOI），ASOI超前SOI和Nino3指数2个月时，其正、负相关系数达到最大，并通过α=0.001的信度检验。ASOI高、低指数阶段对应的南半球海平面气温、气压场和风场的合成分析表明，海冰关键区的异常变化可能引起温度、气压、风场的响应而影响南太平洋的洋流，进而对ENSO的发生、发展产生影响。     

冬季欧亚大陆盛行天气型与北极增暖异常的可能联系

利用ERA-interim的再分析资料和英国大气数据中心的海冰密集度资料,通过复矢量经验正交分析方法(CVEOF),本文研究了自1979-2016年37个冬季(12月1日至次年2月28日)共3330 d对流层中层500 hPa欧亚盛行天气型主要时空变化特征及其与近年来北极对流层中、低层增暖异常和北极海冰减少的可能联系。结果表明,CVEOF1解释了总异常动能的15. 82%,其两个子模态空间型分别表现为三极子型(0°和180°位相)和偶极子型(90°和270°位相)。其中,180°和270°位相的天气型发生时,冬季北极对流层中、低层偏暖,盛行暖北极-冷欧亚的大气环流形势。前期秋季从巴伦支海海域以东到波弗特海海域的海冰密集度(SIC)异常偏少可能是其影响因素之一。近年来这两个位相(180°和270°位相)的发生频次逐渐增多,与冬季频发的极端低温事件有紧密联系。在2005/2006年和2011/2012年冬季的冷事件中,180°和270°位相的发生频次明显偏多。因此,秋季从巴伦支海海域以东到波弗特海海域的SIC偏少,冬季北极对流层中、低层异常偏暖,有利于180°和270°位相天气型盛行,可能是导致冬季极端天气事件频发的主要原因之一。     

北极海冰的气候变化与20世纪90年代的突变

应用英国Had ley气候研究中心1968~2000年的1°×1°的北半球逐月海冰密集度资料,使用EOF分解等统计方法,探讨北极海冰的气候变化趋势、海冰的突变、海冰的季节持续性和各季的特色。结果表明:(1)自1968年以来,北极海冰的减小是北半球海冰变化的总趋势;海冰的趋势变化在海冰的年际总变化中占有相当重要的地位,可达50%左右。冬春季主要减少区域在格陵兰海、巴伦支海和白令海;夏秋季海冰减少是唯一趋势,中心在北冰洋边缘的喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海、波弗特海。(2)20世纪80年代中后期北极海冰已出现减小趋势,在20世纪90年代,海冰又出现范围和面积的突然减少,中心在格陵兰海和巴伦支海;即海冰减少是加速的,其变化程度已远远超过一般的自然变化。(3)海冰有很好的季节持续性,有很强的隔季相关,也有较好的隔年相关;各季节海冰分布型之间有很好的联系,表现为海冰分布型的总体变化趋势是一致的,在海冰的减少中也体现了分布型的特征。     

一个海-冰-气耦合模式中格陵兰海海冰年际变异及其成因的个例分

利用一个全球海-冰-气耦合模式模拟结果, 选取冬季年际变率最大的海冰区--格陵兰海海冰区中的一个4年海冰剧烈变化过程展开分析, 试图探讨此个例过程中海冰剧烈变化的原因.结果表明, 在此个例中, 该区域海冰年际变异主要是由大气环流异常驱动的, 海表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应.海表面温度变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化, 但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对海表面温度变化有一定影响.     

FGOALS_gg1.1极地气候模拟

对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发展的气候系统模式FGOALS_g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估.结果表明,FGOALS_g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力.但也注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题:(1)模拟的海冰总面积北极偏多,而南极偏少.北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海海冰偏少.南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少.南北极海冰边缘都存在异常的较大范围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著.(2)海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附近较大.北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成其附近错误的海冰流场及厚度分布.这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的联系.进一步分析表明,FGOALS_g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱,其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差.此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差.     

秋季冰雪因子对我国冬季气温预报技能的改善

对1979—2012年冬季气温应用经验正交分解方法,并利用北极海冰密集度(Sea Ice Concentration,SIC)和欧亚大陆雪盖(SNow Cover,SNC)观测数据,计算出秋季SIC和SNC对气温变化有显著影响的区域,建立SIC和SNC指数。基于交叉验证方法构建冰雪指数和我国气温的预测模型,定量评估冰雪因子对冬季气温的预测技能。结果表明,在预报技巧范围和评分上,9月SIC和11月SNC指数的综合预报效果优于单个指数的预报效果,高预报技巧区主要位于我国华北和东北地区,该区域平均距平相关系数为0.58,并且优于气候态后报高达18.7%,表明在季节预报系统中考虑冰冻圈的异常是非常有必要的。     

On the Association between Spring Arctic Sea Ice Concentration and Chinese Summer Rainfall： A Further Study

In our previous study,a statistical linkage between the spring Arctic sea ice concentration(SIC)and the succeeding Chinese summer rainfall during the period 1968–2005 was identified.This linkage is demonstrated by the leading singular value decomposition(SVD)that accounts for 19%of the co-variance.Both spring SIC and Chinese summer rainfall exhibit a coherent interannual variability and two apparent interdecadal variations that occurred in the late 1970s and the early 1990s.The combined impacts of both spri...     

南、北极海冰的长期变化趋势及其与大气环流的联系

采用南、北极海冰面积指数 1°× 1°经纬度格点资料及海平面气压资料 ,运用多种统计方法 ,研究了南、北极海冰的长期变化趋势、突变特征及其与大气环流的联系 ,发现近年来南极冬、春、秋季海冰逐渐减少 ,夏季海冰逐渐增加 ;北极春、夏、秋季海冰均不同程度地减少 ,冬季海冰变化趋势不明显 ;南、北极各季海冰的年际变化均存在一定的突发性 ,大气环流在海冰突变年前后有显著的差异     

Associations between the Autumn Arctic Sea Ice and North American Winter Precipitation

Associations between the autumn Arctic sea ice concentrations (SICs) and North American winter precipitation were examined using singular value decomposition. The results show that a reduced SIC in the majority of the Arctic is accompanied by dry conditions over the Great Plains, the southern United States, Mexico, eastern Alaska, and southeastern Greenland, and by wet conditions over the majority of Canada, the northeastern United States, and the majority of Greenland. Atmospheric circulation anomalies associated with the SIC variability show a wave train structure that is persistent from autumn to winter and is responsible for the covariability between the autumn Arctic SICs and North American winter precipitation. This relationship suggests a potential long-term outlook for the North American winter precipitation.     

The Coordinated Influence of Indian Ocean Sea Surface Temperature and Arctic Sea Ice on Anomalous Northeast China Cold Vortex Activities with Different Paths during Late Summer

The Northeast China cold vortex(NCCV) during late summer(from July to August) is identified and classified into three types in terms of its movement path using machine learning. The relationships of the three types of NCCV intensity with atmospheric circulations in late summer, the sea surface temperature(SST), and Arctic sea ice concentration(SIC) in the preceding months, are analyzed. The sensitivity tests by the Community Atmosphere Model version 5.3(CAM5.3) are used to verify the statistical...     

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 )。     

2005年夏季中国东部气候异常分析--中国科学院大气物理研究所短期气候预测检验

简要比较了中国科学院大气物理研究所对2005年夏季中国降水跨季度预测与实况的异同,并对2005年夏季我国主要雨带及降水偏少区的形成与东亚热带、副热带以及中高纬度大气环流系统的配置进行了分析。对2005年夏季西太平洋副高的异常活动预测不好,这是造成跨季度降水预测有失误之处的主要原因之一。2005年夏季在亚洲对流层中高层,沿着副热带急流轴准静止Rossby波有几次能量传播过程,西太平洋副高的北抬与西伸与副热带急流中Rossby波的活动强度有一定的对应关系,因而产生了亚洲不同地区高影响性的灾害性天气。     

Arctic sea ice and Eurasian climate: A review

The Arctic plays a fundamental role in the climate system and has shown significant climate change in recent decades,including the Arctic warming and decline of Arctic sea-ice extent and thickness. In contrast to the Arctic warming and reduction of Arctic sea ice, Europe, East Asia and North America have experienced anomalously cold conditions, with record snowfall during recent years. In this paper, we review current understanding of the sea-ice impacts on the Eurasian climate.Paleo, observational and modelling studies are covered to summarize several major themes, including: the variability of Arctic sea ice and its controls; the likely causes and apparent impacts of the Arctic sea-ice decline during the satellite era,as well as past and projected future impacts and trends; the links and feedback mechanisms between the Arctic sea ice and the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation, the recent Eurasian cooling, winter atmospheric circulation, summer precipitation in East Asia, spring snowfall over Eurasia, East Asian winter monsoon, and midlatitude extreme weather; and the remote climate response(e.g., atmospheric circulation, air temperature) to changes in Arctic sea ice. We conclude with a brief summary and suggestions for future research.     

Mechanism on how the spring Arctic sea ice impacts the East Asian summer monsoon

Observational analysis and purposely designed coupled atmosphere–ocean (AOGCM) and atmosphere-only (AGCM) model simulations are used together to investigate a new mechanism describing how spring Arctic sea ice impacts the East Asian summer monsoon (EASM). Consistent with previous studies, analysis of observational data from 1979 to 2009 show that spring Arctic sea ice is significantly linked to the EASM on inter-annual timescales. Results of a multivariate Empirical Orthogonal Function analysis reveal that sea surface temperature (SST) changes in the North Pacific play a mediating role for the inter-seasonal connection between spring Arctic sea ice and the EASM. Large-scale atmospheric circulation and precipitation changes are consistent with the SST changes. The mechanism found in the observational data is confirmed by the numerical experiments and can be described as follows: spring Arctic sea ice anomalies cause atmospheric circulation anomalies, which, in turn, cause SST anomalies in the North Pacific. The SST anomalies can persist into summer and then impact the summer monsoon circulation and precipitation over East Asia. The mediating role of SST changes is highlighted by the result that only the AOGCM, but not the AGCM, reproduces the observed sea ice-EASM linkage.     

从2011/2012和2015/2016年冬季大气环流异常看北极海冰以及前期夏季北极大气环流异常的作用

利用美国NCEP/NCAR、欧洲中心ERA-Interim再分析资料,以及英国哈得来中心海冰密集度资料,通过诊断分析和数值模拟试验,研究了2011/2012和2015/2016年两个冬季大气环流异常的主要特征和可能原因。结果表明,尽管热带太平洋海温背景截然不同（分别为弱的拉尼娜事件和强厄尔尼诺事件）,但这两个冬季西伯利亚高压均异常偏强,自1979年以来其强度分别排第1和第5位。前期秋季北极海冰异常偏少是导致这两个冬季西伯利亚高压偏强的主要原因。更为重要的是,前期夏季北冰洋表面反气旋风场,以及其上空对流层中、低层平均气温偏高,加强了北极海冰偏少对冬季大气变率的负反馈,进一步促进了西伯利亚高压的加强,从而有利于东亚地区冬季阶段性强严寒的出现。因此,夏季北极大气环流的动力和热力状态不仅影响夏、秋季北极海冰,而且对海冰偏少影响亚洲冬季气候变率有重要调节作用。2015/2016年冬季强厄尔尼诺事件并不能掩盖来自北极海冰和大气环流的影响。