北极超强气旋活动及其大气环流特征

北极极端气旋过程能够反映北极气候变化特征并对北极水文气象要素的调节具有重要影响,其活动及大气环流形势特征值得关注。利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)与美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)提供的逐日再分析资料定义北极超强气旋(Arctic Super Cyclone, ASC)过程,结合美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)基于NCEP/NCAR再分析资料追踪识别的北半球气旋及特征资料,分析了ASC的活动特征及其大气环流特征。结果表明：判别ASC的北极最低气压5%阈值具有显著的冬季低夏季高的单峰型季节变化特征,冬季ASC的强度远强于夏季;ASC多从大西洋扇区经北欧海−巴伦支海−喀拉海输入到极区,也存在少部分极区原生或太平洋扇区输入;ASC多生成于两大洋急流轴或急流出口区北侧,极少数生成于大陆或中低纬度,且绝大多数在极区消亡难以回到中纬度。极区原生ASC频数占总数约1/3,整体没有显著增减趋势,但长生命史ASC频数以0.49次/(10 a)的趋势增多,表明其持续时间增长。ASC频数与北极涛动(Arctic Oscillation, AO)在冬季相关性很好,其大气环流形势回归场中极区海平面出现低压低温异常,高空极涡加深且两大洋急流偏北,中纬度急流主轴偏弱;ASC的生成发展不仅有利于AO向正位相转变,同时AO正位相下也有利于ASC活动的增强,ASC活动是AO位相变化的潜在指标。     

北极海冰对大气环流与气候影响的观测分析和数值试验研究

本文主要根据1953～1977年资料,从观测分析和数值试验两方面研究了北极海冰覆盖面积异常对全球的大气环流和气候、特别是对中国气候的影响,发现北极海冰的影响可与中东赤道太平洋海温异常的影响相比拟,甚或可以超过,指出在气候和长期天气预报研究工作中,极冰变异及其影响需要很好重视。     

夏季赤道中东太平洋海温和北极海冰异常对大气环流影响的数值模拟

利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式设计了若干数值试验,分别研究了赤道中东太平洋海温偏暖、北极不同区域海冰偏多以及海温偏暖同时海冰偏多对夏季北半球大气环流的影响,结果表明北极海冰偏多和赤道中东太平洋海温偏暖,对夏季北半球大气环流具有同等效应,海冰和赤道海温任何一方的变异均可显着影响大气环流,其中亚洲-北美型和欧亚型遥相关是极冰和赤道海温影响北半球夏季大气环流异常的主要动力学途径。本文结果再一次证实了赤道和极地之间的热力差是决定大气环流的最基本因子。     

北极海冰数值模拟研究述评

根据国内外近年发表的主要文献,详细介绍北极海冰数值模拟工作的最新进展。综合评述各种主要动力学模式的特点和不足,指出与数值模式有关的主要物理问题,重点介绍海冰模式所特有的问题以及海冰数值模拟工作的发展方向。对以往的数值工作和海冰数值模拟的主要问题进行了总结,并在理论和实践方面进行了深入探讨,有助于我国相关工作的开展。     

大气环流优势模态对北极海冰变化的响应Ⅰ.北极涛动

利用美国冰雪中心海冰密集度数据,分析了1979-2012年北极海冰面积的时间变化特征,发现北极海冰具有显著的年代际变化特征,分别在1997和2007年前后存在两次年代际转型突变点,相应的大气环流优势模态——北极涛动(AO)也存在显著的时空变化。1979-1996年阶段海冰下降趋势较弱并以较强的年际振荡为主,AO模态较强且显示出低频振荡特征;1997-2006年阶段北极海冰快速减退趋势占优,同时伴随着较弱的年际振荡,AO模态减弱且振荡周期缩短;2007-2012年阶段海冰范围较快下降同时具有极强的年际振荡,方差变化是前两个阶段的2~3倍,AO不仅强度加强,空间结构也发生了变化,极涡中心分别向格陵兰岛和白令海峡一侧延伸,这种结构有利于极地冷空气入侵欧洲和北美。利用ECHAM5大气模式进行的数值试验结果也证实了较强振荡的海冰强迫对AO模态的改变具有决定作用。     

北部湾环流数值研究

为了研究北部湾的环流分布特征,使用数值模拟方法,模拟北部湾冬,夏季三维流场流态分布。结果表明：北部湾冬季的正压,斜压流场均由一气旋性环流控制;夏季的正压流场由一反气旋性环流控制;斜压流场未形成明显的闭合环流;北部湾夏季海水斜压性对环流的贡献比冬季的大。     

北极冰异常对亚洲夏季风影响的数值模拟

本文利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式研究了北极关键区域海冰面积异常对亚洲夏季风环流、降雨量及我国夏季天气气候的影响,结果表明,格陵兰海-巴伦支海极冰偏多,导致亚洲夏季风环流特别是东亚季风环流的增强、我国东南部降水偏多;东西伯利亚海-波弗特海极冰偏多,导致东亚夏季风环流减弱、我国东南部降水偏少,而印度半岛季风增强;该区极冰偏少引起相反的效应。文中对上述效应的可能动力学机制也进行了讨论。因此,北极冰是引起亚洲夏季风年际气候异常的重要原因之一。     

北极夏季海冰反照率的观测和数值模拟试验

在中国第3次北极科学考察浮冰站开展了积雪/海冰反照率观测.本文对观测结果进行了分析,并结合一维高分辨雪/冰模式(HIGHTSI)对3个常用的反照率参数化方案在天气尺度的表现进行了评估.观测期间测站反照率变化范围0.75～0.85,其天气尺度变化同天气和表面冰、雪状况紧密相关,降雪和吹雪过程可改变表面积雪厚度及水平分布,...     

巴伦支海海冰异常对初夏大气环流和东亚天气影响的数值研究

本文利用在ＮＣＡＲ气候模式ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ１２）基础上改变为用于长期数值预报的ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ７），以１９９１年５月２日１２时（ＧＭＴ）国家气象中心客观分析资料为初始场，分别以巴伦支海附近海域不同的海冰边界作为下垫面极冰条件，进行了相应相应的月长期数值预报试验。以研究该海区海冰对大气环流特别是东亚天气的影响。试验〈Ａ〉以接近于９１年５月平均冰边界作为极冰边界条件，试验〈Ｂ〉和试验〈Ｃ〉分别对应     

渤海夏季环流和渤海海峡水体输运的数值诊断研究

建立了一个基于POM的涵盖渤、黄、东海的海洋环流诊断模式来研究渤海夏季环流。分别进行了风海流、密度流和总环流的模拟。从模拟结果得出:渤海海峡夏季与北黄海的水交换总的来说表现为北进南出特征,但与冬季相比,其流量较小(约5×103m3s 1)且不能深入渤海。辽东湾基本上受气旋式环流控制,黄河口外至渤海湾受反气旋式环流控制。数值实验表明,渤海夏季主要属密度流性质。在渤海海峡的北岸存在一支明显的上升流,而且北部的海水垂向运动比南部要强许多。在渤海中部的纬向断面上,东部的海水垂直交换要比西部活跃得多;渤海海水的垂向运动亦主要是密度流导致的。     

北极夏季大气垂直结构与空间分布特征

低层大气垂直物理剖面是研究大气边界层过程、模拟大气环流过程和进行天气预报的关键参数,海洋特别是北冰洋地区是气象实测资料的稀疏区甚至是空白区。因此,中国第6次北极科学考察期间(2014年7月21日至9月11日),我们使用GPS低空探空系统,对北极地区的大气垂直结构和边界层特征进行了观测实验。实地观测结果表明:(1)递减率对流层顶(LRT)和冷点对流层顶(CPT)均能准确的判断该地区对流层顶的高度和温度,NCEP再分析资料在较低纬度能够很好的反应对流层顶变化特征,但是在海冰密集的北极地区(海冰密集度达9成以上)则相对较差,所以很有必要在该区域开展探空观测研究。(2)在高空存在一个明显的低温区和高空急流,低温区和高空急流中心区的海拔高度与对流层顶高度一致;在晴天和少云天气,对流层顶高度变化不大;在多云和阴雨天气,随着纬度的升高对流层顶高度逐渐降低。在晴天和少云天气相比多云和阴雨天气,高空急流区的强度较弱,垂直和水平均范围较小。(3)CPT和高空急流的高度随着纬度有降低的趋势,75°N以北的区域降低显著;对流层垂直温度递减率随着纬度呈现出逐渐增大的趋势。(4)观测期间,在海拔3km以下均存在多个逆温层。其中风速切变在逆温层的消失或者减弱过程中起着重要作用,而在80°N以北区域,对流层顶逆温(TIL)明显小于其他区域。表明极点附近对流层与平流层之间的物质和能量交换相比其他区域更加强盛。     

北冰洋中心区海冰漂流与大气过程

利用北冰洋中心区漂流自动气象站(DAWS)2012年9月—2013年2月的观测数据,分析了北极点周围海冰漂流轨迹和速度及相关大气过程。结果显示,北冰洋中心区海冰具有不稳定漂流过程。2012年9月1日—2013年1月6日,DAWS所在海冰从西向西北方向漂流,2013年1月6日以后稳定地向东南方向漂流,平均移速为0.06m/s,最大达到0.4m/s。海冰漂流方向的突变和加速与穿极气旋和急流的影响有关。净辐射常出现短期突变过程,导致海冰从大气吸收能量,减缓了海冰的辐射冷却。爆发性增温过程的最大幅度达到30℃,是由强穿极气旋和伴随的暖湿气流向北极中心区输送引起,这种现象在中低纬度十分罕见。增温过程的作用是高空大气向冰面输送热量,导致海冰破裂,海冰硬度的脆变,减缓海冰厚度的增长,这种过程可能是北极海冰面积和厚度减少重要过程。     

The vertical structure of the atmospheric boundary layer over the central Arctic Ocean

The tropopause height and the atmospheric boundarylayer （PBL） height as well as the variation of inversion layer above the floating ice surface are presented using GPS （global position system ） radiosonde sounding data and relevant data obtained by Chinas fourth arctic scientific expedition team over the central Arctic Ocean （86°-88°N, 144°-170°W） during the summer of 2010. The tropopause height is from 9.8 to 10.5 km, with a temperature range between -52.2 and -54.10C in the central Arctic Ocean. Two zones of maximum wind （over 12 m/s） are found in the wind profile, namely, low- and upper-level jets, located in the middle troposphere and the tropopause, respectively. The wind direction has a marked variation point in the two jets from the southeast to the southwest. The average PBL height determined by two methods is 341 and 453 m respectively. These two methods can both be used when the inversion layer is very low, but the results vary significantly when the inversion layer is very high. A significant logarithmic relationship exists between the PBL height and the inversion intensity, with a correlation coefficient of 0.66, indicating that the more intense the temperature inversion is, the lower the boundary layer will be. The observation results obviously differ from those of the third arctic expedition zone （800-85° N）. The PBL height and the inversion layer thickness are much lower than those at 870-88° N, but the inversion temperature is more intense, meaning a strong ice- atmosphere interaction in the sea near the North Pole. The PBL structure is related to the weather system and the sea ice concentration, which affects the observation station.     

北极冰下声传播特性实验研究

通过2017年8月6日在北极海域开展的一次声传播实验,开展了冰下声传播特性实验研究。结合Burke-Twersky （BT）散射模型与射线模型,分析了冰下声传播的多途到达结构,研究了接收声强变化规律,解释了接收声强在30 min内衰减20 dB的现象,分析了接收信号的时间相关性,探讨了接收信号相关性较低的原因。实验结果表明,表面接收信号主要由小角度多次反转反射声线、一次海底反射声线和二次海底反射声线依次构成,表面声道到达信号显著强于海底反射信号。试验冰站在试验期间的运动导致了声传播信号强度和相关性的迅速衰减,并通过仿真得到了验证。     

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。     

北极海冰密集度预报对大气强迫敏感性的个例研究

A regional Arctic configuration of the Massachusetts Institute of Technology general circulation model （MIT-gcm） is used as the coupled ice-ocean model for forecasting sea ice conditions in the Arctic Ocean at the Na-tional Marine Environmental Forecasting Center of China （NMEFC）, and the numerical weather prediction from the National Center for Environmental Prediction Global Forecast System （NCEP GFS） is used as the atmospheric forcing. To improve the sea ice forecasting, a recently developed Polar Weather Research and Forecasting model （Polar WRF） model prediction is also tested as the atmospheric forcing. Their forecasting performances are evaluated with two different satellite-derived sea ice concentration products as initializa-tions： （1） the Special Sensor Microwave Imager/Sounder （SSMIS） and （2） the Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS （AMSR-E）. Three synoptic cases, which represent the typical atmospheric circulations over the Arctic Ocean in summer 2010, are selected to carry out the Arctic sea ice numerical forecasting experiments. The evaluations suggest that the forecasts of sea ice concentrations using the Polar WRF atmo-spheric forcing show some improvements as compared with that of the NCEP GFS.     

北极径流增加对大西洋经向翻转环流影响的模拟研究

观测显示过去几十年间北极入海径流呈现增加趋势,CMIP5耦合模式预测表明21世纪北极入海径流仍会增加,在RCP8.5路径下,21世纪末北极入海径流量将会是1950年的1.4倍。本文利用冰-海耦合数值模式研究了北极径流增加对大西洋经向翻转环流的影响。基于两个数值实验的结果表明,如果北极入海径流按每年0.22%的速度（与RCP8.5路径下的速度相当）增加,大西洋经向翻转环流的强度在100、150和200年后将会分别减弱0.6（3%）、1.2（7%）和1.8（11%） Sv。北极入海径流增加导致大西洋经向翻转环流减弱的主要原因是,北极入海径流增加的淡水被输运到北大西洋后,会抑制北大西洋深层水的生成,这也会导致北大西洋深层水海水年龄的增加。     

北冰洋高纬度区域海冰及气象特征分析

基于2018年8月至2019年5月布放在北极随海冰漂流的自动气象站和温度链浮标获取的观测数据,分析了北极高纬度区域的大气特征和海冰生消过程。根据海冰的漂移轨迹分为两个阶段分析,第1阶段,海冰主要向东南漂移;第2阶段,海冰主要向东北漂移。第1阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–6.6℃和93%,第2阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–29.3℃和76%,第2阶段平均气压高于第1阶段。海冰的漂移轨迹主要受到波弗特高压外围气流的影响。利用自动气象站漂移轨迹计算得到海冰漂移速度,与美国国家冰雪数据中心海冰漂移速度比较显示,两者纬向速度更为接近。海冰在第1阶段以融化为主,海冰厚度略有减小,8月份海冰生长率为–0.11 cm/d;海冰的生长过程主要发生在第2阶段,1–3月生长率均超过0.9 cm/d,2019年3月海冰生长最快,平均生长率为1.3 cm/d,海冰的增长一直持续至观测结束。