1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

利用美国冰雪中心发布的海冰密集度数据,对1979—2012年北极海冰范围进行年际和年代际变化分析。结果表明:(1)海冰在秋季融化速度最快,其次为夏季、冬季、春季。2000年后春季下降速率变缓,而其他季节融化速度加快;(2)由于多年冰的融化,太平洋扇区在夏秋季节融化速度要高于其他海区。而大西洋扇区在冬季和春季海冰的融化速度要快于夏秋季节,主要是因为大西洋海温升高;(3)东半球在夏秋季节海冰融化的范围要大于西半球,因此东北航道比西北航道提前开通应用。而整个北极区域近几年春季融化速度变缓,则主要是西半球的作用;(4)从空间分布年代际变化来看,1989—1998年最接近气候态,1979—1988年密集度偏大区域主要在巴伦支海和东西伯利亚海,2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小,东半球密集度减小幅度比西半球更大,尤其是冬春季在巴伦支海,夏秋季在楚科奇海。春季时由于风的作用,白令海附近海冰密集度异常偏大;(5)北极区域海冰范围在冬春季比夏秋季突变明显,基本在2003年前后,海冰范围变化周期为6年。     

海洋热浪多时间尺度变化特征与机理

在系统梳理国内外海洋热浪相关研究文献的基础上,本文综述了海洋热浪季节、年际和年代际变化特征与长期变化趋势及其形成机理的主要研究进展。已有的研究表明：(1)由于夏季海洋混合层深度较浅,海表温度对海面加热过程更敏感,导致海洋热浪多发生于夏季且强度最强,冬季则相反。复杂的局地海洋与大气强迫也使得海洋热浪的季节变化具有显著的区域性特征。(2)海洋热浪的年际变化主要受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和印度洋偶极子（IOD）等年际尺度海气耦合模态的影响,其中ENSO对海洋热浪的影响最为显著,其影响范围覆盖了全球大部分海域,IOD的影响主要集中在热带印度洋和热带太平洋,北大西洋涛动和大西洋纬向模态主要影响区域分别位于北大西洋和非洲西岸近海。(3)年代际太平洋涛动、太平洋十年涛动等低频气候波动对太平洋、热带大西洋以及东南印度洋海洋热浪的年代际变化具有重要作用。(4)海洋热浪长期变化趋势主要受人类活动的影响。全球气候模式的结果表明,在RCP8.5情景下,到2100年海洋热浪的强度将是RCP4.5的2倍,并且全球大部分海洋将陷入“永久性”的海洋热浪状态。最后,本文讨论了海洋热浪研究一些亟待解决的重要科学问题...     

南北极海冰变化及其影响因素的对比分析

海冰是海洋-大气交互系统的重要组成部分,与全球气候系统间存在灵敏的响应和反馈机制。本文选用欧洲空间局发布的1992—2008年海冰密集度数据分析了南北极海冰在时间和空间上的变化规律与趋势,并结合由美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)联合制作的NCEP/NCAR气温数据和ENSO指数探讨了南北极海冰变化的影响因素。结果表明,北极海冰面积呈明显的减少趋势,其中夏季海冰最小月的减少更快。北冰洋中央海盆区、巴伦支海、喀拉海、巴芬湾和拉布拉多海的减少最明显。南极海冰面积呈微弱增加趋势,罗斯海、太平洋扇区和大西洋扇区的海冰增加。北极海冰面积与气温有显著的滞后1个月的负相关关系(P0.01)。北极升温显著,北冰洋中央海盆区、喀拉海、巴伦支海、巴芬湾和楚科奇海升温趋势最大,海冰减少很明显。南极在南大西洋、南太平洋呈降温趋势,海冰增加。北极海冰减少与39个月之后ONI的下降、40个月之后SOI的上升密切相关;南极海冰增加与7个月之后ONI的下降、6个月之后SOI的上升存在很好的响应关系。南北极海冰变化与三次ENSO的强暖与强冷事件有很好的对应关系。     

利用海冰密集度数据分析北极冰间湖变化

冰间湖内存在强烈的海-气相互作用和结冰析盐过程,在极区以及全球气候系统中起着重要作用。本文基于数字图像处理技术,从AMSR-E高分辨卫星遥感海冰密集度数据中提取了长时间序列的冰间湖变化信息,研究北极冰间湖内的净水面积、净水表面的净热通量(向上为正)、产冰量和产盐量的季节和年际变化,比较不同冰间湖区域之间的差异。研究结果表明:总净水面积分别在结冰初期和末期存在极大值,而由于总净水面积季节变化幅度不是很大,总产冰量和产盐量的季节变化主要受净热通量影响,在1月份存在极大值;在不同冰间湖区域内净水面积的季节变化中,进入结冰期越早的冰间湖内净水面积越快达到首次极大值;净热通量的年际变化趋势总体上是减小的,总净水面积是增加大的,其中靠近太平洋和大西洋入流口的冰间湖内净热通量减小的速率要比其他区域快,靠近亚欧大陆的冰间湖内净水面积增长速率要比其他区域大;总产冰量的年际变化同总净水面积基本一致,也是呈增加趋势。最后通过研究冰间湖的年际变化信息同海冰范围变化的相关性,发现如果连续多年冰间湖内年平均净热通量为负的异常,那么海冰范围将出现一次极小值。     

全球季风区的定义与变化及其影响因素

从全球尺度对季风进行研究,以标准化风场季节变率(δ)和季风降水指数(MPI)这2种主要的全球季风定义方法为基础,计算出1964—2013年全球季风区平均分布,讨论了这2种结果的差异,并根据2种定义计算了全球季风指数和季风区面积时间序列,分析季风强度和季风面积的变化及相互关系。同时利用Ni■o-3.4 SST(Sea Surface Temperature)指数、南方涛动指数、太阳黑子指数以及海冰数据,使用相关分析、场分析等方法,初步探讨全球季风变化的影响因素。结果表明:(1)标准化风场季节变率定义下的季风区包含了全球大部分的季风区,主要有热带季风区、副热带季风区和温寒带季风区。季风降水定义的季风区基本覆盖了典型季风区,主要分布在热带和副热带地区;(2)在全球尺度上,季风强度和季风面积具有显著年际变化特征,且在1978—2013年间,全球季风强度呈减弱趋势,全球季风面积趋势则相反;(3)全球季风强度变化与Ni■o-3.4 SST指数和太阳黑子指数以及喀拉海、巴伦支海海域的海冰密集程度存在正向变化关系,与格陵兰海、楚科奇海海域的海冰密集程度呈负向变化关系。     

近30年南极海冰的变化特征

采用NCEP的1973-2002年南极海冰密集度资料,对近30年南极海冰冰密集度的季节变化、年际变化及其与南极海冰涛动指数的长期变化关系进行了分析研究。结果表明,南极海冰的季节变化特点是海冰融化速度远大于凝结速度,而北极海冰融化速度与凝结速度基本相同。南极海冰存在着明显的年际变化,海冰面积指数呈增加趋势,年平均倾向率为28/10a。而北极海冰年际变化则相反,呈减少趋势,年平均面积指数的倾向率-3.5/10a。南极海冰涛动指数能代表南极地区近1/3的海水变化,是南极海冰变化的重要指数,具有10年、3-5年和2年左右的准振荡周期。     

基于海冰密集度遥感数据的波弗特海海冰时空变化研究

采用美国冰雪数据中心(NSIDC)的日尺度与月尺度海冰密集度数据,将海冰密集度为15%作为阈值确定海冰外缘线位置,提取波弗特海海域的海冰外缘线,计算波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积,然后通过海冰范围与海冰外缘线的年际变化与季节变化来分析波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征与趋势。实验结果表明,1978—2015年波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积整体变化趋势一致,减少趋势显著。37年来,海冰密集度平均每年减少约0.3%,海冰范围平均每年减少3 235 km2,海冰面积平均每年减少5 084 km2。海冰密集度在1979—1996年无明显减少趋势,1996—2015年减少趋势明显。波弗特海海冰范围一般在9月达到最小值,在11月至次年5月维持在最大值(全冰覆盖状态);海冰面积一般在9月达到最小值,在12月或者1月达到最大值。海冰范围最小值出现时间有延迟的趋势,全冰覆盖状态具有起始时间越来越晚、终止时间越来越早、持续时间越来越短的趋势,平均持续天数为212 d。     

冬季北大西洋海温年际、年代际变化与中国气温的关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料(1951~2001年)海洋表面月平均温度资料、500 hPa月平均高度场以及中国160站月平均气温资料,采用旋转方差极大正交旋转法(REOF)和小波变换等方法研究了冬季大西洋中低纬海表温度分布的主要模态及其与中国冬季气温的关系。结果表明,冬季北大西洋中部海表温度异常主要表现为2个基本模态,其中反映冬季大西洋20°~50°N区域海表温度异常的第二特征模态,在年际、年代际变化关系上与中国冬季平均气温关系非常密切。进一步研究表明,冬季北大西洋中部海表温度异常,可激发欧亚EU型环流,致使中国冬季气温异常。     

北半球积雪/海冰面积与温度相关性的差异分析

积雪和海冰的时空变化对区域以及全球的气候、水文具有重要影响。基于雪冰数据和NCEP再分析气温数据,利用MK检验、滞后分析等方法,分析了积雪、海冰的时空变化特征及其与温度的相关特征。结果表明：1979-2013年,北半球积雪区、北极圈的年均温度呈显著上升的趋势,而积雪面积和海冰面积呈显著下降的趋势。在大部分地区,积雪覆盖频率随着温度的上升呈显著减少的趋势,但在中国长江中下游、青藏高原等局部地区,积雪覆盖频率随着温度的上升呈显著增加趋势。在大部分的近陆地海域,海冰覆盖频率随着温度的上升呈显著下降趋势。超前时间1~2个月的温度与海冰面积的负相关性最高。超前1~4个月的温度与积雪面积的负相关性最高。温度对海冰的影响时间比对积雪的影响时间长1~2个月。温度变化对海冰和积雪的影响存在一致性,但积雪和海冰对温度的响应时间存在差异,具有空间变异性。     

白令海峡入流水影响下的楚科奇海海冰面积时空变化特征

利用美国国家冰雪中心的Bootstrap海冰密集度卫星遥感资料分析1991—2015年楚科奇海海冰覆盖面积的时空变化特征,并探讨白令海峡入流水对海冰面积变化的作用机制。楚科奇海海冰覆盖面积月距平以0.7%×a~(–1)的速度减小,从2002年开始维持负距平特征。白令海峡入流水的热通量及其在楚科奇海的环流路径显著影响楚科奇海海冰的时空变化。海冰面积变化与入流水热通量具有高相关性(R=–0.86),夏季(5—8月)两者的相关性更加显著,热通量增加对海冰面积显著减小起关键作用。楚科奇海海冰分布减小的区域与白令海峡入流水环流特征和分布关系密切, 5—7月海冰分布在入流水三条主要流动路径上(海渃德海谷、中央通道、巴罗海谷)的季节特征和年际变化最为显著。海冰面积及分布对入流水的响应均有1—2月的滞后。     

1979—2015 年罗斯海海冰运动速度变化

基于美国冰雪数据中心的月平均海冰运动和海冰密集度数据, 建立了1979—2015 年罗斯海海冰运动 速度时间变化序列, 揭示了海冰运动速度的年际和季节变化特征, 探讨了海冰运动速度和海冰范围之间可 能存在的联系, 最后对影响海冰运动速度变化的因素进行了分析。结果表明, 1979—2015 年罗斯海海冰运动 速度总体呈现加快趋势, 海冰运动速度增加趋势最快的季节为秋季, 其次是冬季、春季和夏季。冬季海冰平 均运动速度最大, 依次是秋季、春季和夏季。海冰运动速度与海冰范围在37 年间均呈现上升趋势, 海冰范 围变化滞后海冰运动速度1—2 个月, 两者呈显著正相关关系, 海冰运动速度的增加导致罗斯海海冰范围不 断扩张, 进而影响南极整体海冰分布。罗斯海海冰运动速度与风速之间存在显著正相关关系, 风场是影响海 冰运动速度的一个直接因素。除此之外, 海冰运动还受到包括气压场、洋流场以及海洋阻力系数等的影响。     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海     

北极加拿大海盆2003年和2008年上层海洋热含量的差异分析

主要利用2003年和2008年两次夏季北极科学考察的CTD数据处理了加拿大海盆上层海洋的热含量(这里上层海洋指的是200m以上的海洋),定量分析了热含量随深度的变化,并比较分析了这两年在夏季海冰融化期间热含量的垂向差异变化,以及影响热含量变化的因素,给出了上层海洋热含量在加拿大海盆的空间分布。2008年与2003年相比最显著的变化是在加拿大海盆开阔水域的增加,这将导致太阳辐射能进入海洋中的能量增加,同时海冰的大量融化带来了大量淡水,这些变化改变了上层海洋的温盐性质。海冰大量融化主要产生两个效应：一是上层海洋的普遍增暖,二是太平洋入流水体的下移。文中还分析了近年来在加拿大海盆中变化显著的次表层暖水现象,由于次表层暖水蕴含着不小的热含量,其在上层海洋热量平衡中的作用不容忽视。     

基于锚系观测的北冰洋加拿大海盆中层水变化研究

20世纪90年代以来,北极进入了以海冰快速减少为显著特征的快速变化时期。通过分析“波弗特流涡观测计划”在北冰洋加拿大海盆的4个站点上布放剖面观测系统所获得的2003—2011年的温度、盐度剖面观测数据,研究了加拿大海盆北极中层水的变化特征。在观测期间,加拿大海盆中央区中层水核心温度变化较小,楚科奇海台地区有明显下降特征,海盆中央区以北以及加拿大群岛陆坡边缘区核心温度呈持续升高趋势。北极中层水核心深度在4个站点都有不同程度的加深趋势,加深的程度和参与分析的表层淡水含量以及因海冰消失导致的风应力变化有一定的对应特征。4个站点表层(75—200 m)的热含量在无冰海域有明显的增长,在有冰海域热含量较稳定;加拿大海盆200—400 m和400—800 m深度范围内的热含量变化情况与中层水核心深度的变化情况一致,伴随着中层水核心深度加深至400 m乃至更深处,中层水的能量也逐渐下移,造成200—400 m水层能量普遍降低而400—800 m水层能量普遍增加。加拿大海盆4个观测站点因背景环境条件和所受影响的不同,造成了中层水的变化和响应趋势的差异。     

2014年夏季北极东北航道冰情分析

使用2003—2014年6—9月份的AMSR-E和AMSR-2海冰密集度数据计算了北极海冰范围, 并获得海冰空间分布图。通过分析得出, 2014年北极夏季海冰范围在数值上与2003—2013年的多年平均值很接近, 在空间分布上与多年中值范围相比主要表现为两个方面的不同：(1)2014年夏季拉普捷夫海及其以北海域海冰明显少于多年中值范围, 9月份冰区最北边界超过了85°N;(2)巴伦支海北部斯瓦尔巴群岛至法兰士约瑟夫地群岛区域海冰范围明显多于多年中值范围, 而且海冰范围在8月份不减反增, 冰区边界较7月份往南扩张了约0.8个纬度。2014年夏季在拉普捷夫海以南风为主, 而在巴伦支海以北风为主。南风将俄罗斯大陆上温暖的空气吹向高纬地区, 造成高纬地区温度偏高, 促进拉普捷夫海海冰融化, 并使海冰往北退缩。北风将北冰洋上的冷空气吹向低纬地区, 造成巴伦支海的气温偏低, 不利于海冰的融化, 同时北风使海冰往南漂移扩散, 造成巴伦支海北部海冰范围在2014年偏多。2014年北地群岛航线开通时间范围大约在8月上旬到10月上旬, 时长约两个月。新西伯利亚群岛及附近海域的开通时间稍早于北地群岛, 但关闭时间比北地群岛晚, 所以 2014年东北航道全线开通的时间主要受制于北地群岛附近海冰变化。     

东西伯利亚海海冰季节变化特征及主要影响因素分析

利用1997-2005年美国国家冰雪中心提供的卫星遥感数据,对东西伯利亚海海冰周年变化特征及其动力和热力学机制进行详细分析,以1999年海冰状况为例讨论了该海域海冰的周年变化。按照海冰变化的区域特征和融化机制差异,将全年的海冰变化过程分为密集冰封期、陆坡开裂期、西部融化期、全面融化期和秋季结冰期。不同年份各个阶段发生的具体日期不尽相同,海冰覆盖面积最小值及其发生时间有所差异,但是,各年海冰变化的5个阶段都清晰可辨。海冰融化时间持续3个月,冻结时间仅为1个半月左右。每年5月份东西伯利亚海陆坡处海冰发生开裂,主要是该时期风场辐散的作用。1999年,除5月份以外的其他月份,东西伯利亚海海表面风场是辐聚风场,不利于海冰融化和开阔水域面积的扩大。东西伯利亚海海冰融化的决定性因素是陆地径流,因迪吉尔卡河、科雷马河、亚纳河和勒拿河四条河流在海冰融化过程中发挥主要作用。海冰覆盖面积最小值出现的时间一般是9月下旬,整个海域的沿岸带海冰全部消失,形成大范围的开阔水。夏季北半球气温的升高和太阳辐射的加热作用,为海冰融化提供持续的热量。     

罗斯海和普里兹湾海域海冰范围变化对比分析

海冰范围的变化对气候变化、生态系统以及人类活动都会产生重大的影响,近年来极地海冰范围的变化受到广泛关注。对南极罗斯海与普里兹湾海域海冰范围进行时间序列分析,研究发现海冰范围季节性变化在罗斯海与普里兹湾海域差异较大,罗斯海地区表现出"快速缩小、迅速扩大"的特性,普里兹湾海域表现出"快速缩小、缓慢扩大"的特性。两地区的海冰范围在年际变化上都表现出扩大的趋势,2003—2014年罗斯海地区海冰变化趋势为(1.39±1.12)×104km2·a~(-1),普里兹湾海域海冰变化趋势为(0.61±0.26)×104km2·a~(-1)。罗斯海地区夏季的年际变化为减少趋势。     

ERA40中北半球高纬地区冬季气候变化和冰-气相互作用特征分析

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料(ERA40)分析了最近几十年冬季北半球高纬地区的气候变化和冰-气相互作用特征。在全球增暖背景下,冬季北半球高纬地区增温幅度更大,但温度变化明显具有区域性特点。20世纪70年代末期开始,格陵兰海、巴伦支海及欧亚大陆大部分区域和北美大陆部分区域在增暖,而拉布拉多海、格陵兰和白令海峡区域却变冷。与此对应,中央北极区及气候冰岛低压中心海平面气压在降低,而再往南区域海平面气压在升高。从20世纪70年代开始,格陵兰海和巴伦支海给大气的感热通量和潜热通量增多,这说明由于气温增加,使得海冰密集度减小,海冰对海气感热通量和潜热通量交换的隔离层作用减小,通量交换大大增加。而在挪威海非海冰区,由于气温增加,海气温差减小,海洋给大气的感热通量和潜热通量减少。在拉布拉多海,由于气温降低,海气温差增大,使得海洋给大气的感热通量和潜热通量增加,有利于拉布拉多海海冰的增多。海平面气压、海冰密集度及表面感热通量和潜热通量之和对大气表面温度 EOF 展开第一模时间系数的线性回归结果均与各自的EOF 展开第一模空间分布特征接近。     

北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述

全球变化背景下,在过去的40年中,北极海冰范围快速减少,厚度显著变薄,同时多年冰向一年冰转化,这对区域乃至全球气候系统具有重要影响。海冰厚度作为气候变化的指示器,在大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换过程中起着重要作用。本文通过综述国内外北极海冰厚度影响因子的研究进展,对影响北极海冰厚度的热力学和动力学过程进行了梳理和总结。在热力学方面,海冰厚度会受到大气-海冰和海冰-海洋两个界面处的热通量影响,其中,大气-海冰热力学过程的影响因素包括冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等,主要通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热和潜热)产生影响;而海冰-海洋界面处的热通量作为海冰厚度的重要影响因素,主要受太阳辐射对上层海洋的加热、风应力导致的垂向混合以及中低纬暖流输送的影响。在动力学方面,海冰厚度变化主要通过风和海流的共同驱动引起海冰输运和海冰的形变。大尺度环流异常也会通过大气-海冰-海洋相互作用对北极冰厚的热力学和动力学过程产生显著影响。     

基于锚系观测的北冰洋加拿大海盆中层水多年变化研究

20世纪90年代以来,北极进入了以海冰快速减少为显著特征的快速变化时期。通过分析"波弗特流涡观测计划"在北冰洋加拿大海盆的4个站点上布放剖面观测系统所获得的2003—2011年的温度、盐度剖面观测数据,研究了加拿大海盆北极中层水的变化特征。在观测期间,加拿大海盆中央区中层水核心温度变化较小,楚科奇海台地区有明显下降特征,海盆中央区以北以及加拿大群岛陆坡边缘区核心温度呈持续升高趋势。北极中层水核心深度在4个站点都有不同程度的加深趋势,加深的程度和参与分析的表层淡水含量以及因海冰消失导致的风应力变化有一定的对应特征。4个站点表层(75—200 m)的热含量在无冰海域有明显的增长,在有冰海域热含量较稳定;加拿大海盆200—400 m和400—800 m深度范围内的热含量变化情况与中层水核心深度的变化情况一致,伴随着中层水核心深度加深至400 m乃至更深处,中层水的能量也逐渐下移,造成200—400 m水层能量普遍降低而400—800 m水层能量普遍增加。加拿大海盆4个观测站点因背景环境条件和所受影响的不同,造成了中层水的变化和响应趋势的差异。