基于卫星数据的北极海冰变化分析

海冰是极地气候系统重要组成部分。基于1982—2004年的卫星反照率、海冰密集度数据,选取了7个北极海域(分别位于格陵兰海、巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海及以北海域、楚科奇海及以北海域和波弗特海及以北海域)进行了研究。对比分析发现,两数据区域平均序列相关性比较高,最低相关系数为0.51,最高相关系数为0.94。格陵兰海海域和巴伦支海海域夏季海表反照率、海冰密集度较低,多为无冰海面;喀拉海域、拉普捷夫海域、东西伯利亚海及以北海域6月份海表反照率、海冰密集度较高,7、8月份海冰加速融化,海冰密集度下降明显;楚科奇海及以北海域、波弗特海及以北海域夏季海表反照率、海冰密集度较高。7个海域海表反照率、海冰密集度均呈现下降趋势,西部的楚科奇海及以北海域、波弗特海及以北海域下降速度最快,巴伦支海海域下降速度最慢。海表反照率和海冰总量的减少,对气候演变有着重要影响。     

厄尔尼诺和台风共同影响下的7月份黄、东海海温变化

基于历史海温数据和台风路径数据,研究了厄尔尼诺/拉尼娜（El Niño/La Niña）背景下7月份中国近海海温变化特征。结果表明:7月黄、东海海温异常与El Niño/La Niña有显著相关关系,OISST和GODAS海温数据与Niño3指数同步相关系数分别为-0.32和-0.45。El Niño年7月,黄、东海海表温度异常低于-0.5℃的概率超过60%;La Niña年7月,黄海海温异常高于0.5℃的概率约有60%;正常年7月,海温异常的空间分布与El Niño年相反,但量值偏低。El Niño年7月,中国近海及邻近区域大气异常能够给局地带来更多降水;同时,受El Niño背景场的影响,入侵黄、东海的台风强度更强、影响时间更长。大尺度的降水和台风活动的影响是导致黄、东海海温异常降低的重要原因。因此,分析和预测7月份中国近海海温异常,在充分考虑El Niño/La Niña背景场的基础上,需要结合局地的大尺度降水和台风的影响同时分析,这为特定背景下结合不同时间尺度上的因素共同分析中国近海海温变化提供了一种思路。     

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。     

两类La Nia季节演变过程的海气耦合特征对比

利用1951—2010年逐月的HadISST海表温度资料、SODA次表层海温资料和NCEP/NCAR再分析资料等,对比分析了东太平洋(EP型)La Nia和中太平洋(CP型)La Nia的海气耦合特征在季节演变过程中的差异。EP La Nia海表温度异常中心在发展年夏季出现于南美沿岸,随后向西移动,盛期最大海表温度异常中心位于赤道东太平洋,而CP La Nia海温异常中心少动,基本维持在160°W附近,其强度更强,持续时间更长。受海温分布形态影响,热带大气对两类La Nia的响应非常不同,成熟期间CP型在中太平洋偏旱的强度和范围比EP型大,且略偏西。发展年夏、秋季,北半球位势高度响应较弱;冬季,负PNA位相易伴随两类La Nia出现,但异常活动中心的位置和强度不同,在北大西洋其大气响应几乎相反,这些差异会引起显著不同的区域气候异常。     

基于Nimbus-7和DMSP卫星资料的北极海冰变化特征分析

利用1979—2012年Nimbus-7和DMSP海冰密集度资料对北极海冰进行研究。EOF分析结果表明整个北极海域海冰密集度变化具有非常强的季节变化特征,海冰最多的月份在1—4月、最少的在7—10月,其中鄂霍次克海和日本海、白令海等海域夏季无冰。北极海冰变化的总体趋势是减少,喀拉海和巴伦支海的减少速度最快,只有白令海海冰密集度呈增加趋势。北极区域海冰面积异常变化的主要周期一般在1 a左右,喀拉海和巴伦支海的主周期较长,为18.5 a。     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

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。     

中国江南地区降水异常的年际变化与北极海冰密集度异常的相关分析及其机理研究

本文选取最近二十年(1998—2017年)中国江南地区降水和北极海冰为研究对象,分析了年际时间尺度上中国江南地区降水异常与北极海冰异常的关系,并进一步通过研究关键区附近罗斯贝长波(Rossby长波)的波射线路径和中国中纬度地区波作用通量的传播异常,揭示了北极海冰通过Rossby波大气桥的调制作用影响江南地区降水的可能机制。结果表明:夏、秋季东西伯利亚海与巴芬湾的海冰密集度异常与次年中国江南地区降水异常存在显著的正相关关系。其影响机制是:关键海区海冰异常和北极放大能够激发Rossby波列型遥相关从北极关键区向中国中纬度地区传播,而关键区附近的Rossby波扰动能量在夏、秋季比冬、春季更容易传播至中国中纬度地区,并最终通过上下游遥相关效应引发中纬度副热带西风急流异常和急流入口区右侧江南地区的环流和降水异常,当海冰偏多时西风急流加强,江南地区对流不稳定发展,降水偏多。     

秋季巴伦支海海温异常对冬季我国渤海冰情的可能影响

本文利用美国NCEP/NCAR逐月的再分析资料、HadISST海温、中国160台站气温和反映渤海冰情轻重的渤海冰情等级资料,研究了前秋巴伦支海海温异常对后期渤海冰情和东亚冬季风的影响,并对相关的物理过程进行分析。结果表明,前秋巴伦支海关键区海温与该区域海冰密集度呈显著的负相关,且具有较好的持续性,通过调节随后冬季向大气释放的热通量,引起后期环流变化。偏高(偏低)年冬季亚洲纬向环流偏弱(偏强),东亚大槽加深(减弱),东亚冬季风加强(减弱),我国东北、华北及西北地区地区显著偏冷(偏暖),这与冬季渤海海冰异常的强度和范围都偏大(小)及与之相联系的环流异常相一致。进一步的分析揭示了联系上游关键区海温变化与后期东亚地区气候异常的重要途径,前秋巴伦支海海温偏高会导致200 hPa高度场形成一个自西向东的波列形式,在东亚局地Hadley环流异常的作用下,加强了我国北方地区地表的北风异常。因此,前秋巴伦支海海温异常可以作为冬季渤海冰情的预报因子。     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

南海海平面对两类El Ni?o的不同响应

利用ECMWF ORAS4重构数据，分析了南海海平面异常(SLA)对东部型(EP)El Ni?o和中部型(CP)El Ni?o的不同响应特征。南海SLA在两类El Ni?o期间表现出不同的时空演变规律。对于东部型El Ni?o，南海空间平均的SLA在发展年的秋、冬季显著下降，最低可达?2 cm，并在次年开始上升，至次年冬季可达2 cm。空间分布上，在发展年秋、冬季，除越南东南部海域存在一个正异常中心外，在南海绝大部分海域，SLA均表现为显著的负异常；从次年春季开始，SLA负异常减弱，而越南东南部的正异常开始发展，直至冬季南海大部分海域以正异常为主。对于中部型El Ni?o，南海SLA在整个El Ni?o发展和衰退期间均表现为显著负异常，异常值始终维持在?2 cm左右，并且在空间上表现为全海盆一致的负异常模态。相比于传统的经验正交分解(EOF)，季节EOF(S-EOF)能够更好地刻画南海SLA在两类El Ni?o期间的时空演变特征，S-EOF的第一模态表现为中部型El Ni?o模态，而第二模态更多地表现为南海SLA在东部型El Ni?o期间的演变特征。南海海平面在两类El Ni?o期间的不同变化主要是由于海峡通道处的热量平流输运异常所产生的热比容效应导致的，但是比容海平面的贡献主要集中在南海内区和南海东部等深水海域，对于南海西部等近岸海域，海平面的变化机制还有待进一步深入研究。     

南海沿海季节性海平面异常变化特征及成因分析

Based on sea level, air temperature, sea surface temperature(SST), air pressure and wind data during 1980–2014,this paper uses Morlet wavelet transform, Estuarine Coastal Ocean Model(ECOM) and so on to investigate the characteristics and possible causes of seasonal sea level anomalies along the South China Sea(SCS) coast. The research results show that:(1) Seasonal sea level anomalies often occur from January to February and from June to October. The frequency of sea level anomalies is the most in August, showing a growing trend in recent years. In addition, the occurring frequency of negative sea level anomaly accounts for 50% of the total abnormal number.(2) The seasonal sea level anomalies are closely related to ENSO events. The negative anomalies always occurred during the El Ni?o events, while the positive anomalies occurred during the La Ni?a(late El Ni?o) events. In addition, the seasonal sea level oscillation periods of 4–7 a associated with ENSO are the strongest in winter, with the amplitude over 2 cm.(3) Abnormal wind is an important factor to affect the seasonal sea level anomalies in the coastal region of the SCS. Wind-driven sea level height(SSH) is basically consistent with the seasonal sea level anomalies. Moreover, the influence of the tropical cyclone in the coastal region of the SCS is concentrated in summer and autumn, contributing to the seasonal sea level anomalies.(4) Seasonal variations of sea level, SST and air temperature are basically consistent along the coast of the SCS, but the seasonal sea level anomalies have no much correlation with the SST and air temperature.     

北极各海域海冰覆盖范围的变化特征

Sea ice in the Arctic has been reducing rapidly in the past half century due to global warming.This study analyzes the variations of sea ice extent in the entire Arctic Ocean and its sub regions.The results indicate that sea ice extent reduction during 1979–2013 is most significant in summer,following by that in autumn,winter and spring.In years with rich sea ice,sea ice extent anomaly with seasonal cycle removed changes with a period of 4–6 years.The year of 2003–2006 is the ice-rich period with diverse regional difference in this century.In years with poor sea ice,sea ice margin retreats further north in the Arctic.Sea ice in the Fram Strait changes in an opposite way to that in the entire Arctic.Sea ice coverage index in melting-freezing period is an critical indicator for sea ice changes,which shows an coincident change in the Arctic and sub regions.Since 2002,Region C2 in north of the Pacific sector contributes most to sea ice changes in the central Aarctic,followed by C1 and C3.Sea ice changes in different regions show three relationships.The correlation coefficient between sea ice coverage index of the Chukchi Sea and that of the East Siberian Sea is high,suggesting good consistency of ice variation.In the Atlantic sector,sea ice changes are coincided with each other between the Kara Sea and the Barents Sea as a result of warm inflow into the Kara Sea from the Barents Sea.Sea ice changes in the central Arctic are affected by surrounding seas.     

Severe winter weather as a response to the lowest Arctic sea-ice anomalies

Possible impact of reduced Arctic sea-ice on winter severe weather in China is investigated regarding the snowstorm over southern China in January 2008. The sea-ice conditions in the summer （July-September） and fall （September-November） of 2007 show that the sea-ice is the lowest that year. During the summer and fall of 2007, sea ice displayed a significant decrease in the East Siberian, the northern Chukchi Sea, the western Beaufort Sea, the Barents Sea, and the Kara Sea. A ECHAM5.4 atmospheric general circula- tion model is forced with realistic sea-ice conditions and strong thermal responses with warmer surface air temperature and higher-than-normal heat flux associated with the sea-ice anomalies are found. The model shows remote atmospheric responses over East Asia in January 2008, which result in severe snowstorm over southern China. Strong water-vapor transported from the Bay of Bengal and from the Pacific Ocean related to Arctic sea-ice anomalies in the fall （instead of summer） of 2007 is considered as one of the main causes of the snowstorm formation.     

印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响

利用1951—2015年NOAA气候预测中心的SST扩展重建资料（ERSST V3b）、国家气候中心提供的我国160站月降水量资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的各气压层的水平风速、垂直速度和比湿资料,研究了印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响。结果表明,虽然东部型（中部型）厄尔尼诺年秋季我国长江以南地区降水偏多（少）,但当东部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国长江以南地区降水偏多的程度显著提高;当中部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国西南地区降水转为偏多,其他南方地区降水仍然偏少;当中部型厄尔尼诺与印度洋一致增暖型海温同时发生年秋季,我国整个长江以南地区降水偏少,且偏少的幅度要显著高于不考虑印度洋海温异常的情况。此外还对印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响的环流成因进行了分析。     

南半球热带外气候变量与两种ENSO的联系

This study uses the Climate Forecast System Reanalysis(CFSR) to investigate the responses of the Southern Hemisphere(SH) extratropical climate to two types of El Ni?o–Southern Oscillation(ENSO)—the eastern Pacific(EP) type and the central Pacific(CP) type in different seasons. The responses are denoted by the anomalies of climate variables associated with one-standard-deviation increase in the Ni?o3 or Ni?o4 index. The results show that in austral spring the differences in the ENSO-related anomaly(ERA) patterns of atmospheric circulation between the EP ENSO period(1979–1998) and CP ENSO period(1999–2010) are mainly associated with the change in the ENSO-PSA2 relationship. Such differences affect the ERA fields of surface air temperature and mixed layer temperature, and finally result in significant differences in sea-ice concentration anomalies in the Atlantic sector. In austral summer, significant correlation exists between the variations of SAM and both of the variations of Ni?o3 and Ni?o4 in 1979–1998, while the correlation between SAM and Ni?o4 disappears in 1999–2010. For all seasons, the strength of the climate ERAs depend on if there are close relationship between ENSO and the major climate variation modes of the SH extratropics. For the climate variables, the ERA patterns of surface air temperature are generally controlled by surface wind anomalies and mirrored by the mixed layer temperature anomalies. The mixed layer depth anomalies are primarily modulated by surface heat flux anomalies and occasionally by anomalous wind. There are strikingly strong anomalies of surface heat flux in the autumn of 1979–1998 related to the Ni?o3 variation, the period when there is only significant correlation between ENSO and PSA2. There are no evidence that the SH extratropical climate variability induced by Ni?o3 variations are stronger in the EP-ENSO period, and that variability induced by Ni?o4 variations are stronger in the CP-ENSO period.     

2013年北极最小海冰范围比2012年增加的原因分析

北极海冰范围从1979年有卫星观测资料以来呈现明显下降趋势,尤其是9月份。2012年9月北极海冰范围达到有观测记录以来的最小值,而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的区域主要在东西伯利亚海区、楚科奇海和波弗特海区。本文应用距平和经验模态分解方法,分析了美国国家冰雪数据中心的北极海冰卫星数据、欧洲预报中心的夏季底层大气环流数据和上层海洋的温度,指出2013年北极最小海冰范围比2012年在北冰洋太平洋扇区增加的原因,是由于表面气温(SAT)降低、海平面气压(SLP)升高、气旋式风场异常、表面空气中水汽含量(SH)降低以及海表面温度(SST)降低5个条件形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3个正反馈机制共同作用造成的。     

异常气候条件下秘鲁外海茎柔鱼栖息地的时空变动

茎柔鱼主要分布于东太平洋，是我国鱿钓渔船的主要捕捞对象，气候变化对其栖息地有较大影响。本研究依据1950?2015年海表温度(SST)、海表高度距平(SSHA)以及尼诺指数(Ni?o3.4指数)，计算秘鲁外海茎柔鱼栖息地适宜性指数(HSI)，分析在厄尔尼诺(El Ni?o)、正常气候和拉尼娜(La Ni?a)条件下适宜栖息地的时空变动。分析表明，海表温度距平(SSTA)和SSHA与Ni?o3.4指数的变化趋势基本相同，Ni?o3.4指数与SSTA和SSHA均呈显著正相关，但与HSI值呈显著负相关。依据气候事件的定义，将研究年份划分为El Ni?o年，正常年和La Ni?a年。研究发现，在El Ni?o年，茎柔鱼渔场水温变暖，海面高度上升，适宜的SST和SSHA范围缩小，导致适宜的栖息地面积范围缩减；而在正常气候和La Ni?a年份，茎柔鱼渔场水温变冷，海面高度下降，适宜的SST和SSHA范围增大，因此适宜的栖息地面积范围增加。此外，Ni?o3.4指数和茎柔鱼渔场HSI纬度重心呈显著正相关，在El Ni?o事件下适宜的栖息地纬度重心向南偏移。研究认为，不同ENSO事件下茎柔鱼渔场环境变化显著，进而影响茎柔鱼适宜的栖息地范围及其空间分布。