全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951?2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

利用综合评分方法评估CMIP5模式对北极海冰的模拟能力

北极海冰冰盖自20世纪以来经历了前所未有的缩减，这使得北极海冰异常对大气环流的反馈作用日益显现。尽管目前的气候模式模拟北极海冰均为减少的趋势，但各模式间仍然存在较大的分散性。为了评估模式对于北极海冰变化及其气候效应的模拟能力，我们将海冰线性趋势和年际异常两者结合起来构造了一种合理的衡量指标。我们还强调巴伦支与卡拉海的重要性，因为前人研究证明此区域海冰异常是近年来影响大尺度大气环流变异的关键因子。根据我们设定的标准，CMIP5模式对海冰的模拟可被归为三种类型。这三组多模式集合平均之间存在巨大的差异，验证了这种分组方法的合理性。此外，我们还进一步探讨了造成模式海冰模拟能力差别的潜在物理因子。结果表明模式所采用的臭氧资料集对海冰模拟能力有显著的影响。     

北极海冰减少的气候效应研究

本文采用了OSU两层大气环流模式对特定的北极海冰进行数值模拟,研究北极海冰减少的气候效应.试验中海温一律取为气候平均值,北极海冰作为外强迫源影响大气,大气响应完全是环流内部调整的结果.本文对北极海冰减少后的大气环流特征进行了分析,特别是与中国的气温和降水之间的关系.     

北极秋季海冰减少与亚洲大陆冬季温度异常

本文使用SVD等诊断分析方法探讨北极秋季海冰密集度与亚洲冬季温度异常之间的关系。结果表明,近30余年来,北极秋季海冰减少伴随着亚洲大陆冬季温度降低,但青藏高原地区、北冰洋和北太平洋沿岸除外。北极秋季海冰密集度减小激发欧亚大陆和北冰洋北部两个区域位势高度的改变,这种异常的变化模态从秋季持续到冬季。位势高度异常的负值中心位于巴伦支海和喀拉海。位势高度异常的正值中心位于蒙古区域。与重力位势高度异常伴随的风场异常为亚洲冬季温度降低提供自北向南的冷气流。随着北极海冰的不断减少,其与亚洲大陆冬季温度降低之间的关系将为气候长期预测提供参考。     

近40年北极海冰范围变化特征分析

随着全球变暖,北极海冰正在发生快速变化。文中使用北极地区1972年1月—2012年12月海冰密集度卫星遥感资料,计算了北极海冰范围,讨论了北极海冰范围的各月年变化趋势,并分析了北极海冰范围与北半球温度异常、大气中CO2浓度的关系。分析结果表明:近40年北极海冰呈显著减少趋势,9月份减少最快;北极海冰的减少滞后于北半球2—4月的异常高温;北极年海冰范围与大气中CO2浓度为负相关,相关系数r为-0.94,说明大气中CO2浓度的增长影响了包括气温在内的气候变化要素,而导致北极海冰消退。     

两极冷源和热带海洋热源的相互作用

两极海冰和热带海洋SST的异常变化对全球气候监测和预报都是极为重要的指标.本文使用了南极、北极海冰月平均距平资料和ENSO事件五要素,即SOI和4个Nino海区的SST月平均距平值,计算了各区海冰之间以及与ENSO事件的逐月移动交叉相关时间序列,分析其变化特征,寻找两个波发生相互作用最强的时期.(1)发现北极海冰在两极海冰相互作用过程中起主导作用.北极海冰异常影响到后期南极海冰的异常变化.(2)赤道中太平洋的海温(SST)与南极威德尔海区的海冰(SPI3)和罗斯海区的海冰(SPI2)有强的相互作用,并且具有明显的周期性变化.SST与SPI3的周期是5～6a,与SPI2的周期是准11a,这些周期变化尺度与它们自身变化的周期有关.当两者周期相近时,在位相差一定的时期发生共振,产生强烈的相互作用最佳时期.     

对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。     

北极秋季海冰密集度与中国初冬降雨之间的关系

本文通过对中国地区实测降水及北极海冰卫星数据的分析,研究了北极秋季海冰密集度与中国初冬降雨的关系。合成分析的研究结果表明2000年之前中国南方和北方冬季降水偏少,中部降水偏多,这之后中国南方和北方冬季降水增加,中部降水减少。SVD研究结果显示,北极海冰减少使得近三十年来中国南方和北方冬季降雨呈现逐渐增多,中部地区(从青藏高原向东北方向至日本)降雨逐步减少的趋势。随着北极海冰的进一步减少,如遇合适的气候条件,南方冻雨出现的概率会加大。北极秋季海冰异常的回复过程加之冬季海冰异常的延续信号在中国、蒙古及日本北部激发一个阻塞高压,以巴伦支海/卡拉海为中心激发一个异常低压。这使得来自北冰洋大西洋扇区的冷空气南下至欧洲大陆和亚洲北部,在阻塞高压的影响下,冷空气进一步南下,进入东亚地区。这不仅使得亚洲冬季温度降低,也为中国北部降水增加提供条件。     

基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品，分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征，结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明，结冰期海冰面积的增加量波动较大，海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大，2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似，融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散，在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用，促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。     

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。     

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。     

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。     

热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响

本文利用1950-2015年间Hadley环流中心海冰和海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响,并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制。结果表明,在ENSO事件发展年的夏、秋季节,EP型与CP型El Niño事件与北极海冰异常的联系无明显信号。而La Niña事件期间北极海冰出现显著异常,并且EP型与CP型La Niña之间存在明显差异。EP型La Niña发生时,北极地区巴伦支海、喀拉海关键区海冰异常减少,CP型La Niña事件则对应着东西伯利亚海、楚科奇海地区海冰异常增加。在EP型La Niña发展年的夏、秋季节,热带太平洋海温异常通过遥相关波列,使得巴伦支海、喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似AO正位相的结构,形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入,同时造成暖平流,偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入,使得巴伦支海、喀拉海海冰异常减少。而在CP型La Niña发展年的夏季,东西伯利亚海、楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响,以异常北风分量占主导,将海冰从极点附近由北向南输送到关键区,海冰异常增加,而净表面热通量的作用较小。     

北极海面风场对海冰区域性和整体性变化的影响

北极海冰的快速减退是近年来全球变化最重要的现象,对全球气候产生显著影响。海表面风场是影响海冰变化的核心因素,但风场对各个海域海冰变化的贡献有很大差异,需要深入了解海表面风场对各个边缘海的贡献才能理解北极海冰变化的原因。本文采用SVD方法,分析海冰面积显著变化时的矢量风场与海冰密集度变化的关系,探讨风场对各个海域海冰的总体影响及对整个北极海冰变化的贡献。结果表明,各海区海冰密集度的变化都与海面风场有联系,但相关程度有明显差异,表明在有些海域风场起支配性作用,而在另一些海域其他因素的作用也很显著。对海冰产生影响的风场类型主要有三类:纬向风、经向风和气旋式风场。在波弗特海-拉普捷夫海这4个海域中,仅有1种类型的风场(纬向风或经向风)对海冰产生显著影响,同一海域海冰密集度呈现位相一致的变化。而在其他海域,有2种类型的风场(纬向风与气旋式风场,经向风与气旋式风场)影响海冰变化,同一海域的海冰密集度会呈现位相相反的变化。北极海冰的变化是一个整体,各个边缘海的海冰既有各自的变化特点,又有很好的整体协同变化特点。而2004年以来,加拿大海盆反气旋式风场与欧亚海盆弱的气旋式风场的整体结构呈现逐渐加强的趋势,有利于北极海冰的进一步减退。     

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。     

北极河流径流对北冰洋环流的影响

北极河流径流是北冰洋淡水的最大来源，其变化会对北冰洋中的诸多过程有重要影响。本文基于全球高分辨率海洋?海冰耦合模式的模拟结果，研究北冰洋温盐、海冰以及环流对北极河流径流的敏感性。通过对比有气候态北极河流径流输入的控制实验结果和径流完全关闭的敏感性实验结果，研究发现北极径流对北冰洋温度、盐度、海冰以及海洋环流等有显著的影响。关闭北极河流径流后，在河口附近的陆架上温度降低、盐度升高，且导致500 m深度处温度下降以及盐度升高；河口附近的陆架处，海冰密集度与海冰厚度增加。关闭北极河流径流也对北冰洋内的环流有影响:由于缺少来自欧亚大陆的北极径流的输入，穿极漂流与东格陵兰流流速减小且盐度增加；关闭北极径流导致近岸海表面高度降低，沿欧亚陆架的北冰洋边界流减弱，白令海入流增强。通过对比关闭北极径流实验与控制实验的温度和盐度剖面，发现关闭北极径流后大西洋层温度降低，各陆架海盐跃层的梯度减小，盐跃层厚度减小。     

中部型El Nio与北极海冰变化的联系

采用统计方法,分析了热带太平洋SSTA与北极海冰之间的联系。结果表明:北极海冰从上世纪80年代初由正距平转换为负距平,以-1.5%速率/10a快速消融。尽管冬季海冰也出现减少趋势,但最大海冰减少出现在夏秋季,9月为1年中海冰减少最快的月份。相关分析发现,北极海冰的快速减少与热带太平洋海温变化存在密切联系,赤道中西部SSTA与北极海冰的关系更明显。Nio4区域SSTA变化与北极海冰存在时滞3a左右的最佳相关,6~10月SSTA对北极海冰影响最显著。通过分析,初步认为Nio4区域SSTA主要通过影响北半球中纬度气压场和经向环流场,进而影响AO变化,最终对北极海冰产生影响。     

南极海冰变化及其气候效应研究述评

南极海冰是全球气候系统的重要组成部分。不同于北极海冰的快速减少,近40年来,南极海冰范围在2014年前是缓慢增加、后是突变减少。单一的大尺度大气环流因素无法解释南极海冰的长期变化趋势,海洋?大气相互作用对海冰的耦合影响还未得到充分研究。受南极海冰厚度遥感观测和数值模拟能力所限,现有数据仍无法准确量化全球变化背景下南极海冰的厚度和体积变化;目前南极海冰变化的气候效应还未充分明确。当前国内外对南极海冰研究的不足迫切要求发展长期可靠的南极海冰厚度数据,以突破南极海冰体积变化研究的难题,同时应综合考虑多气候模态和海气系统耦合的作用,研究南极海冰变化的机制及其气候效应。     

冬季鄂霍次克海海冰对北太平洋风暴轴年际变化的影响

利用北极海冰密集度资料和NCEP＼NCAR再分析资料，运用统计方法讨论了冬季鄂霍次克海及其邻近海区海冰异常与同期北太平洋风暴轴的联系。结果发现，冬季鄂霍次克海西南部海区海冰面积异常与北太平洋海温异常共同作用对北太平洋风暴轴在西北一东南方向的伸缩及强度的年际变化有重要影响，而在海温异常的共同作用下，鄂霍次克海东北部及舍列霍夫海海区海冰面积异常则主要影响风暴轴的南北位移和强弱。     

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。