北极海冰及其与气候变化的关系研究进展

简要介绍国内外关于北极海冰及其与气候变化的关系:北极海冰面积变化的时空分布特征,大气对北极海冰面积变化的影响,以及北极海冰面积异常与气候变化的关系。其中北极海冰面积异常与气候变化的关系研究主要是基于遥相关型、三大涛动、季风系统和冰-海-气耦合系统等几方面的研究。结果可供基层台站寻找影响当地区域气候变化的北极海冰“强信号”域。     

冬季北极海冰运动主模态的构成及其与海平面气压变化的关系

利用国际北极浮冰运动观测资料（IABP）（1979-1998）以及NCEP／NCAR月平均海平面气压再分析资料（1960-2002）,通过求解海冰运动异常的复斜方差矩阵,研究了冬季北极海冰运动主模态构成及其与海平面气压变化的关系。冬季海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成,与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极海盆及其边缘海区。尽管北极涛动（北大西洋涛动）通过影响海平面气压进而影响北极海冰运动,但是,北极涛动（北大西洋涛动）并不是决定海冰运动主模态的关键性因素。     

北极海冰融化影响东亚冬季天气和气候的研究进展以及学术争论焦点问题

北极历来是影响东亚冬季天气、气候的关键区域之一。北极表面增暖要比全球平均快2~3倍,即所谓北极的放大效应。随着全球增暖的持续以及北极海冰的持续融化,北极的生态环境正在发生显著的变化,进而可能对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。本文概述了有关北极海冰融化影响冬季东亚天气、气候的主要研究进展,特别是自2000年以来,北极海冰异常偏少影响东亚冬季气候变率以及极端严寒事件的可能途径、存在的科学问题,以及学术界的争论焦点。秋、冬季节是北极海冰快速形成时期,此时北极海冰对大气环流的影响要强于大气对海冰的影响。近二十年来的研究结果表明,北极海冰异常偏少,不仅影响北冰洋局地的气温和降水变化,而且通过复杂的相互作用和反馈过程,对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。北极海冰通过以下两个可能机制来影响东亚冬季的天气、气候:（1）北极海冰的负反馈机制;（2）由海冰异常偏少引起的平流层-对流层相互作用机制。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,特别是,巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少,既可以加强冬季西伯利亚高压（东亚冬季风偏强）,也可以导致冬季风偏弱。导致海冰影响不确定性的部分原因是:（1）夏季北极大气环流状态影响北极海冰异常偏少对冬季大气环流的反馈效果;（2）冬季大气环流对北极海冰异常偏少响应的位置、强度不同造成的。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,在适宜的条件下（例如,前期夏季北极大气环流的热力和动力条件,有利于加强北极海冰偏少对冬季大气的反馈作用）,可以激发出有利于冬季亚洲大陆极端严寒过程的大气环流异常。目前学术界争论焦点主要集中在以下两个方面:（1）关于北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响的争论;（2）关于1980年代后期以来,冬季欧亚大陆表面气温呈现降温趋势的原因。目前,有关北极海冰融化影响冬季欧亚大陆次季节变化以及极端天气、气候事件的过程和机制,我们认知非常有限,亟需开展深入细致的研究。     

中国夏季高温与北极海冰的联系特征

为研究前期以及同时期北极海冰异常对中国夏季高温的影响,根据近50年来中国160个台站的夏季高温资料以及近50年来的北极海冰资料,用SVD诊断分析方法,提取出两场相关最强,协方差最大的三个时次--分别为同期、海冰超前夏季高温9个月和超前13个月.分析研究表明:当北极海冰发生异常时,中国夏季高温异常的响应是滞后的,尤其是滞后9个月、13个月时;北极海冰在1978-1979年突然异常减少,且1979年以后维持海冰偏少的态势;当前期或同时期的北极海冰出现异常增多(减少)时,在中国夏季高温场上的响应以"南区"、"北区"夏季高温异常偏低(偏高),与海冰变化反位相;"中区"夏季高温异常偏高(偏低),与海冰变化同位相.     

北极海冰变化的时间和空间型

利用 4 4a(195 1～ 1994年 )北极海冰密度逐月资料 ,分析提出了一种与北极冰自然季节变化相吻合的分季法 ,并根据这种分季法 ,使用EOF分解 ,揭示了北极各季海冰面积异常的特征空间型及其对应的时间变化尺度。结果表明 :(1)北极冰面积异常变化的关键区 ,冬季 (2～ 4月 )主要位于北大西洋一侧的格陵兰海、巴伦支海和戴维斯海峡以及北太平洋一侧的鄂霍次克海和白令海 ,夏季 (8～ 10月 )则主要限于从喀拉海、东西伯利亚海、楚科奇海到波佛特海的纬向带状区域内 ,格陵兰海和巴伦支海是北极海冰面积异常变化的最重要区域 ;(2 )春 (5～ 7月 )、秋 (11月～次年 1月 )季各主要海区海冰面积异常基本呈同相变化 ,夏季东西伯利亚海、楚科奇海、波佛特海一带海冰面积异常和喀拉海呈反相变化 ,而冬季巴伦支海、格陵兰海海冰面积异常和戴维斯海峡、拉布拉多海、白令海、鄂霍次克海的海冰变化呈反相变化 ;(3)北极冰总面积过去 4 4a来确实经历了一种趋势性的减少 ,并且叠加在这种趋势变化之上的是年代尺度变化 ,其中春季 (5～ 7月 )海冰面积异常变化对年平均北极冰总面积异常变化作出了主要贡献 ;(4)位于北太平洋一侧极冰面积异常型基本具有半年的持续性 ,而位于北大西洋一侧极冰面积异常型具有半年至一年的持续性     

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-东南方向的伸缩及强度的年际变化有重要影响;鄂霍次克海东北部及舍列霍夫海海区海冰面积异常与海温异常的共同作用主要影响风暴轴的南北位移和强弱.     

冬春季节北极海冰的年际和年代际变化

利用1953～1990年海冰密集度资料,研究了冬、春季节北极海冰的时空变化特征.结果表明:冬,春季节海冰变率大的海区主要有巴伦支海、格陵兰海、巴芬湾、戴维斯海峡以及白令海;在巴芬湾、戴维斯海峡和白令海海区,冬季海冰变率比春季的大;冬、春季节喀拉海、巴伦支海海冰面积均与春季白令海海冰面积呈反向变化关系,与巴芬湾、戴维斯海峡海冰面积也存在相反的变化趋势.分析还表明:北极海冰面积还表现出年代际时间尺度变化,尤其在冬季.春季格陵兰海海冰明显存在12年变化周期,而在冬、春季节,喀拉海、巴伦支海海冰存在l0年变化周期.     

2002年南海夏季风爆发期间南海北部海气通量分析与比较

利用国际北极浮冰运动观测资料 (IABP)(1979～1998)以及NCEP/NCAR月平均海平面气压再分析资料(1960～2002), 通过求解海冰运动异常的复斜方差矩阵, 研究了冬季北极海冰运动主模态构成及其与海平面气压变化的关系.冬季海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成, 与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极海盆及其边缘海区.尽管北极涛动(北大西洋涛动)通过影响海平面气压进而影响北极海冰运动, 但是, 北极涛动(北大西洋涛动)并不是决定海冰运动主模态的关键性因素.     

北极海冰与赤道东太平洋海温的相互影响及其与El Nino的联系

对北极海冰面积与赤道东太平洋海温作了交叉相关分析，揭示了北极海冰与赤道东太平洋海温间相互影响的关系及其时空特点，并讨论了Ｅｌ Ｎｉｎｏ与北极海冰间的联系。结果表明，北极Ⅴ－Ⅵ区冬季海冰面积能够对以后冬季的赤道东太平洋海温产生持续的影响，而北极Ⅶ区夏秋季的海冰面积能够影响来年夏秋季的海温；赤道东太平洋海温对海冰的影响表现为前期海温能够影响北极Ｉ区春季海冰的消融。此外，前期北极海冰状况对Ｅｌ Ｎｉｎｏ     

北半球冬季极端低温事件变化及其与秋季海冰的联系

利用欧洲中期天气预报中心逐日的地面气温数据以及美国国家冰雪数据中心逐月的海冰密集度数据,并通过气候百分位法统计了逐月的极端低温事件日数,分析了1979-2016年冬季(12月至次年2月)北半球的极端低温事件与秋季(9-11月)北极海冰变化之间的关系,并挑选了典型年份探讨了秋季北极海冰对极端低温事件可能存在的影响机理。结果表明,北半球冬季极端低温事件与秋季关键海区(波弗特海、楚科奇海、巴伦支海和喀拉海)的海冰面积变化密切相关,其中亚洲北部区域冬季的极端低温事件与秋季关键海区的海冰面积有显著负相关关系,而青藏高原区域、非洲北部区域和北美东北部区域冬季的极端低温事件与秋季关键海区的海冰面积有显著正相关关系。通过对典型年份冬季北半球极端低温事件极度异常时的大气环流进行分析后发现,当秋季关键海区海冰异常偏少时,冬季西伯利亚高压偏强,其东部偏北风加强,使得欧亚大陆北部的气温偏低,极端低温事件偏多;冬季冰岛低压偏强,其南部的西南风加强,将低纬度温暖的空气带到了非洲北部区域,使其冬季气温偏高,极端低温事件偏少;高层异常反气旋主要位于格陵兰岛附近,其下沉气流不利于形成极端低温天气而导致北美东北部区域极端低温事件偏少。     

冬季北极海冰与中国同期气温的关系

采用Hadley中心的海冰密集度资料和中国160站气温资料,对冬季北极海冰变化的主要模态进行了分析,定义了5个关键海区,重点讨论了冬季北极海冰异常与中国冬季气温的关系。结果表明,冬季北极海冰变化主要表现为第一模态,即太平洋、大西洋的海冰反位相分布。海冰变化的关键区域为区域Ⅰ巴伦支海、区域Ⅱ格陵兰海、区域Ⅲ戴维斯海峡、区域Ⅳ白令海以及区域Ⅴ鄂霍次克海。中国冬季平均气温、冬季最低气温、冬季最高气温均与北极关键海区的海冰异常有显著相关,但是与其对应的海区有所不同。     

极地海冰异常对我国夏季大气环流和降水影响的数值研究

利用全球大气环流谱模式分别进行了南极和北极海冰面积异常偏大和偏小的数值试验，对６－８月的结果进行了对比分析，讨论了极地海冰异常对我国夏季大气环流和降水的可能影响。结果表明，南极或北极海冰面积异常偏大，则我国夏季风变弱，特别蝇使得南亚高压、西北太平洋副热带高压等减弱。南极海冰面积偏大使得我国黄河－长江－带地区降水减少，北极海冰面积偏大，造成我国东部地区的降水量有所减少，模拟结果与统计分析相一致。可同     

北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究

利用1961年12月—2022年2月新疆冬季气温、北极海冰等资料，探讨北极海冰变化影响新疆冬季气温的物理模态、影响机制。结果表明，北极海冰的变化与新疆大部冬季气温呈正相关，北极海冰变化通过改变北半球大气高低空配置进而影响新疆冬季气温。另外，不同海区的海冰变化对新疆冬季气温的影响有显著区别：格陵兰海—丹麦海峡、拉普捷夫海—东西伯利亚海海冰异常偏多时，新疆大部冬季气温偏高。巴伦支海—喀拉海、鄂霍次克海—白令海峡、哈德孙湾—戴维斯海峡海冰异常偏多时，新疆大部冬季气温偏低。     

北极I区海冰面积变化及其与大气遥相关型的联系

ＥＯＦ和功率谱分析表明，北极Ｉ区海冰面积的第２、第３特征向量的年际变化具有４０个月左右的振荡周期。在这一频带上，海冰面积变化的热力强迫作用可分别激发出ＥＵ和ＥＡ大气遥相关型。经对比，进一步发现，北极海冰和赤道中、东太平洋海温对北半球冬半年中纬度大气环流的影响有一定的相似性，它们都是引起短期气候变化的重要因子。     

冬季北极海冰与中国同期气温的关系

采用Hadley中心的海冰密集度资料和中国160站气温资料,对冬季北极海冰变化的主要模态进行了分析,定义了5个关键海区,重点讨论了冬季北极海冰异常与中国冬季气温的关系.结果表明,冬季北极海冰变化主要表现为第一模态,即太平洋、大西洋的海冰反位相分布.海冰变化的关键区域为区域Ⅰ巴伦支海、区域Ⅱ格陵兰海、区域Ⅲ戴维斯海峡、区...     

全球变暖背景下北极海冰与东亚冬季风关系的变化及其机制

为了进一步了解全球变暖背景下北极海冰与东亚冬季风的关系及其变化,本文选用东亚冬季风北模态及南模态作为东亚冬季风指数,利用滑动相关分析、回归分析及合成分析研究了全球变暖背景下1953—2021年北极海冰密集度与东亚冬季风关系的变化特征及其机制。结果表明:11月巴伦支海海冰密集度与东亚冬季风北模态之间的关系发生了显著变化,从1962—1977年显著正相关转为1983—1999年显著负相关,2000年以后两者无显著关系。1962—1977年11月巴伦支海海冰偏多对应东亚冬季风偏强,这是大气环流影响海冰的结果,11月的大气环流异常特征维持到了冬季,使得欧亚大陆上空大气呈现出北极涛动(Arctic Oscillation,AO)负位相,在增强东亚冬季风的同时将中高纬大陆干冷空气输送至巴伦支海,在表面风应力的作用下巴伦支海海冰增多。1983—1999年则由前一时期的大气环流影响海冰变为海冰影响大气环流,11月巴伦支海海冰显著减少在冬季激发出了北极涛动负位相,加强东亚大槽及东亚高空西风急流,从而使得东亚冬季风偏强。2000年以后北极海冰与东亚冬季风北模态的关系明显减弱,此时东亚冬季风与北极涛动的负相关关系更为显著。     

Delving into the relationship between autumn Arctic sea ice and central–eastern Eurasian winter climate

北极海冰的快速减少是否已经显著地影响了最近中纬度大陆冬季极端天气气候事件引起了气候学家的广泛争论。问题的争论是来源于观测数据的年限很短以及中高纬度复杂的内部变率。在本研究中,采用气候突变检测的方法,我们将秋季海冰覆盖面积的变化分为三个阶段:1979–1986(高海冰阶段),1987–2006(海冰缓慢减少阶段)和2007–2014(海冰快速减少阶段)。然后,我们分析了与每一个阶段秋季海冰变化相联系的中-东欧亚地区冬季气候(尤其极端天气事件)是什么。结果表明北极海冰减少对西伯利亚西部和东亚极端天气事件影响的信号是稳健可测的。伴随着海冰的快速减少,高低空急流速度的减弱和急流位置的南移;波动振幅的加强、乌拉尔山阻塞频率的增多。这些导致了寒潮事件从亚洲中部到中国东北部地区显著增多。并且,与北极海冰的快速减少相关的环流异常与观测到的环流异常基本一致。相反地,在高海冰阶段,与海冰相关的环流异常和观测的异常并不一致。这个阶段的环流异常是与北极涛动处于持续的负位相有关的。     

秋季北极海冰对中国冬季气温的影响

利用海冰资料、中国地面气候资料、环流特征量资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了秋季北极海冰变化对中国冬季平均气温、日气温变率以及异常低温天气的影响。分析结果表明,秋季北极海冰异常偏多年中国冬季常为暖冬;异常偏少年中国冬季常为冷冬,且异常低温天气出现频率更高,常发生低温灾害事件。秋季北极海冰通过影响后期的北半球极涡、东亚冬季风和西伯利亚高压进而影响中国冬季的平均气温,且通过影响冬季异常强西伯利亚高压的出现频次,影响中国冬季异常低温天气的发生频次。合成分析结果表明,秋季北极海冰异常偏少年的冬季,中国以北亚欧大陆高纬度的偏北风较强,且中国及其以北的中高纬度地区空气异常偏冷,导致极地和高纬度的冷空气易向南爆发,造成中国冬季气温偏低,异常低温天气频发。     

北极海冰对冬季北太平洋风暴轴的影响研究

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9°W-18-°9°E,45°N以北范围内海冰面积异常对冬季北太平洋风暴轴的影响。结果发现,当该区海冰面积异常增大时,北太平洋风暴轴主体明显减弱,而该区海冰面积减少时,情况则相反。     

冬季戴维斯海峡的海冰面积年陈变化与东亚气候关系研究

采用北极1°×1°海冰面积指数、海平面气压、500hPa高度场和中国160站气温等资料,分析了戴维斯海峡海冰的年际变化与大气环流及东亚气候的关系,结果发现冬季戴维斯海峡是影响东亚以及北半球气候变化的关键区之一,该区海冰面积年际变化与500hPa高度场的WA型、EU型遥相关以及东亚冬季风强、弱之间存在密切的关系.冬季该区海冰偏多,则500hPa高度场在北大西洋戴维斯海峡西欧一带为WA型遥相关(美国东部高度场偏高,北美东北部到格陵兰一带高度场偏低),在欧亚大陆为出现EU型遥相关(贝加尔湖及其以东和西欧高度场偏高),西伯利亚高压减弱,致使东亚冬季风偏弱,我国东北、西北和华北地区偏暖;而冬季该区海冰偏少时,情况正好相反.