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。     

北极臭氧垂直分布和天气尺度变化的观测研究

北极地区臭氧对北极气候和环境系统起着重要作用。研究其分布和变化有助于了解北极的气候和环境及其对全球气候系统的影响,有助于气候和环境变化的数值预报。中国北极科学探测1999在北冰洋楚可奇海域成功的进行了大气臭氧观测。通过在中国“雪龙”号破冰船甲板上（于1999年8月18-24日在75°N,160°W附近处）释放大气臭氧探空仪获得了高分辨率的大气垂直结构和臭氧分布资料,可以进行大气尺度的大气臭氧变化研究。分析大气监测资料、TOMS臭氧总量资料和NCEP大气环流资料表明,大气臭氧总量随着对流层顶的低一高一低变化呈高一低一高的变化过程。研究还表明,大气柱的臭氧总量与13公里以下的大气臭氧含量关系密切,而在约20公里处的大气臭氧浓度最大值的变化与整个气柱臭氧的关系不大。500 hPa天气形势图上一个弱一强一弱的西南天气型造成的弱臭氧平流可能是这次臭氧变化的主要原因。     

Comparing the Arctic climate in Chinese and other CMIP6 models

本研究采用来自耦合模式相互比较项目第六阶段(CMIP6)模式,评估和对比了10个中国模式和27个其他国际模式对北极冬季气候的历史模拟性能.本文的主要目的是展现中国模式对北极气候的模拟能力,并了解其在国际上的模拟水平.结果表明,对于气候态的模拟,中国模式在模拟北极温度场和大气场这些气候学方面与其他国际模式相当.而在趋势方面,中国模式同样和其他国际模式都能很好地模拟出北极变暖的特征.此外,与观测到的环流相比,CMIP6多模式集合平均值(MME)并没有显著的正趋势,这可能是因为外部强迫的作用.     

极地气象考察与全球变化研究

南极和北极是地球上的气候敏感地区，也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区。极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程，在全球气候的形成和变化中有重要的作用。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。到2006年底，中国自主组织了23次南极考察，2次北冰洋考察和3次北极站考察；建成了南极长城站、中山站和北极黄河站，并在南极冰盖设置了3个无人自动气象站；开展了有关极地大气科学与全球变化的研究。在南北极地区，进一步加强国际合作，继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化，提高极地气象业务水平；拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域，积极获取气候代用资料；进一步量化和认识极地在全球变化中的作用，及其对中国天气气候和国民经济可持续发展的影响；建立完善极地大气科学研究体系，提高极地大气科学研究水平，仍是中国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一。     

深度学习方法在北极海冰预报中的应用

在全球气候变暖背景下,北极海冰呈现出逐年消融的趋势.海冰的消融给北极的开发利用带来了重要机遇,例如北极航道通航潜力的显现.但北极航道开通还面临着诸多困难,尤其是海冰变化机理的复杂性和海冰预报的不确定性以及由此带来的航行安全风险.近年来,深度学习因其强大的非线性拟合能力,逐渐在海冰预报领域中崭露头角.本文对近年来深度学习...     

极地大气科学与全球变化研究进展

南极和北极是地球上的气候敏感地区, 也是多个国际科学计划研究全球气候变化的关键地区。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。中国气象科学研究院的极地大气科学考察与研究始于20世纪80年代, 25年来有较大进展。中国气象科学研究院参加了我国组织的23次南极考察、2次北冰洋考察和3次北极考察; 承担了南极长城站和中山站、北极黄河站气象业务建设和维持, 以及中-澳合作南极冰盖3个无人自动气象站工作; 进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、冰雪和大气化学等观测, 获得了较为系统的极地大气环境资料。开展了有关极地大气科学与全球变化的研究, 在极地天气气候特征及气候变化时空多样性、极地海冰变化和南极海冰涛动、极地近地面物理特征和海-冰-气相互作用、中山站臭氧变化特征及南极臭氧洞和大气化学、气候代用资料获取和古气候环境以及极地大气环境变化对东亚环流和中国天气气候影响等方面的研究取得了新进展。中国极地大气科学正积极通过多学科交叉、走国际合作道路, 努力提高对极地在全球变化中作用的认识水平, 并积极探索极地变化对我国气候、环境的影响。     

近20年来中国极地大气科学研究进展

南极、北极和青藏高原是地球上的 3大气候敏感地区 ,是多个国际计划研究全球变化的关键地区。中国的南极和北极实地考察研究 ,分别始于 2 0世纪 80和 90年代 ,起步较晚 ,但近 2 0余年来有较大的进展。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。讫今为止 ,中国已组织了 2 0次南极考察和 3次北极考察 ,建立了中国南极长城站、中山站和北极黄河站等 3个常年科学考察站 ;进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、高层大气物理、冰雪和大气化学等观测 ,获得了较为系统的极地大气科学第一手资料 ;开展了有关极地与全球变化的研究 ,取得了新的进展。南极地区大气温度、臭氧和海冰的气候变化在时间和空间上都是多样的。南极地区的增暖主要发生在南极半岛地区 ,在南极大陆主体并不明显 ,近 10余年来还有降温趋势。中国南极长城站和中山站的观测资料也证实了这一点。此外 ,还揭示了南极半岛西侧和罗斯海外围的海冰变化具有“翘翘板”特征 ,由此定义的南极涛动指数可用来讨论南极海冰状况和海冰关键区的活动 ;用实地考察资料研究了极地不同下垫面的近地面物理和海 -冰 -气相互作用特征 ,给出了边界层特征参数 ;讨论了极地天气气候和大气环境特征及其对东亚大气环流和中国天气气候的影响 ;利用     

北极地区极昼气候突变现象及转型成因研究

基于1979-2018年的NCEP-DOE Reanalysis Ⅱ逐日再分析数据,采用模糊C均值聚类算法(Fuzzy C-Means Algorithm,FCMA)将北极地区极昼期间的气候分为寒干型、半寒干型、半暖湿型及暖湿型4种.在夏季北极海冰快速减少的气候背景下,这4种气候型控制的区域也相应发生了明显变化.其中,...     

北极多冰年和少冰年的大气环流差异

本文利用一个改进的海冰热力模式,取北极区大气和有关场的气候资料,模拟了1982年10月至1988年9月的北极海冰空间分布和季节变化的循环特征,较好地模拟出多冰年（1983,1987）和少冰年（1984,1986）。模拟结果与部分研究工作以及实况相比较,基本状况趋于一致。并且在此基础上进一步探讨了北极多冰年和少冰年的大气环境差异,可以看到多冰年的北极极涡偏西半球;少冰年的北极极涡基本是围绕极地。从而进一步影响多冰年和少冰年大气环流差异,特别是对亚洲环流的影响较大。     

北极海冰“强信号”影响域

冰冻圈作为下垫面的一个重要组成部分 ,与大气处于不断的相互作用过程中。文中主要研究了北极海冰与中国华北地区降水的关系。研究结果揭示了中国区域与北半球季尺度气候变异前期北极海冰“强信号”现象。探讨了中国华北地区旱涝前期北极海冰特征 ,比较了华北旱涝前期北极海冰相关区域特征分布 ,并揭示出北极海冰“强信号”区与中国区域夏季降水的相关分布 ,分析了北极海冰“强信号”区对华北地区夏季旱涝影响的动力结构特征。     

Arctic sea ice and Eurasian climate: A review

The Arctic plays a fundamental role in the climate system and has shown significant climate change in recent decades,including the Arctic warming and decline of Arctic sea-ice extent and thickness. In contrast to the Arctic warming and reduction of Arctic sea ice, Europe, East Asia and North America have experienced anomalously cold conditions, with record snowfall during recent years. In this paper, we review current understanding of the sea-ice impacts on the Eurasian climate.Paleo, observational and modelling studies are covered to summarize several major themes, including: the variability of Arctic sea ice and its controls; the likely causes and apparent impacts of the Arctic sea-ice decline during the satellite era,as well as past and projected future impacts and trends; the links and feedback mechanisms between the Arctic sea ice and the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation, the recent Eurasian cooling, winter atmospheric circulation, summer precipitation in East Asia, spring snowfall over Eurasia, East Asian winter monsoon, and midlatitude extreme weather; and the remote climate response(e.g., atmospheric circulation, air temperature) to changes in Arctic sea ice. We conclude with a brief summary and suggestions for future research.     

Influence of the Arctic on the Predictability of Eurasian Winter Extreme Weather Events

The linkage between the Arctic and midlatitudes has received much attention recently due to the rapidly changing climate. Many investigations have been conducted to reveal the relationship between the Arctic and Eurasian extreme events from the perspective of climatological statistics. As a prediction source for extreme events in Eurasia, Arctic conditions are crucial for extreme event predictions. Therefore, it is urgent to explore the Arctic influence on the predictability of Eurasian extreme ...     

平流层异常下传对2009年12月北半球大范围降雪过程的影响

2009年12月北半球中纬度出现大范围持续低温、暴风雪等天气。采用NCEP／NCAR再分析资料研究了平流层AO（Arctic Oscillation,北极涛动）异常信号下传的特征及其对本次极端气候事件的影响,并讨论了与平流层异常信号下传相关的行星波活动。结果表明：1）与此次极端气候事件相联系的负位相A0异常11月首先发生在平流层,维持将近1个月后于12月初开始下传,并且迅速传至地面。12月整个对流层的位势高度及温度在极区附近出现强的正异常,而中纬度地区则为负异常。2）平流层AO异常信号下传后,地面出现有利于低温降雪过程的环流异常。12月上旬,亚洲大陆东部及北美大陆西部出现异常偏北风,造成了俄罗斯、北美西部大面积负的温度异常;12月中下旬,欧洲大陆盛行偏西北气流,同时蒙古高压增强,欧亚大陆北部包括中国北方出现大片负的温度异常。3）在此次极端气候事件之前,北半球高纬度地区有异常强的行星波上传至平流层,导致平流层出现负位相的AO异常,并维持了一个月;随后,上传到平流层的行星波减弱,同时平流层负位相的AO异常迅速传至地面,导致了有利于低温降雪的环流异常。     

Using NWP to Assess the Influence of the Arctic Atmosphere on Midlatitude Weather and Climate

The influence of the Arctic atmosphere on Northern Hemisphere midlatitude tropospheric weather and climate is explored by comparing the skill of two sets of 14-day weather forecast experiments using the ECMWF model with and without relaxation of the Arctic atmosphere towards ERA-Interim reanalysis data during the integration. Two pathways are identified along which the Arctic influences midlatitude weather: a pronounced one over Asia and Eastern Europe, and a secondary one over North America. In general, linkages are found to be strongest(weakest) during boreal winter(summer) when the amplitude of stationary planetary waves over the Northern Hemisphere is strongest(weakest). No discernible Arctic impact is found over the North Atlantic and North Pacific region, which is consistent with predominantly southwesterly flow. An analysis of the flow-dependence of the linkages shows that anomalous northerly flow conditions increase the Arctic influence on midlatitude weather over the continents. Specifically, an anomalous northerly flow from the Kara Sea towards West Asia leads to cold surface temperature anomalies not only over West Asia but also over Eastern and Central Europe. Finally, the results of this study are discussed in the light of potential midlatitude benefits of improved Arctic prediction capabilities.     

A link between Arctic sea ice and recent cooling trends over Eurasia

A band of cooling that extends across mid-latitude Eurasia is identified in the wintertime surface air temperatures of the latest ECMWF reanalysis. This cooling is related to extreme warming around the Kara Sea through changes in the meridional temperature gradient. Surface temperatures in the Arctic have risen faster than those at lower latitudes, and as the Arctic warming increases, this north–south temperature gradient is weakened. This change in the meridional temperature gradient causes a decrease in the westerly winds that help maintain the mild European climate by transporting heat from the Atlantic. Since decreasing sea ice concentrations have been shown to be a driving factor in Arctic amplification, a singular value decomposition analysis is used to confirm the co-variability of the Arctic sea ice, including the Kara Sea, and the temperatures over the mid-latitude Eurasia. These findings suggest that decreasing sea ice concentrations can change the meridional temperature gradient and hence the large-scale atmospheric flow of the Northern Hemisphere.     

冬季欧亚大陆盛行天气型与北极增暖异常的可能联系

利用ERA-interim的再分析资料和英国大气数据中心的海冰密集度资料,通过复矢量经验正交分析方法(CVEOF),本文研究了自1979-2016年37个冬季(12月1日至次年2月28日)共3330 d对流层中层500 hPa欧亚盛行天气型主要时空变化特征及其与近年来北极对流层中、低层增暖异常和北极海冰减少的可能联系。结果表明,CVEOF1解释了总异常动能的15. 82%,其两个子模态空间型分别表现为三极子型(0°和180°位相)和偶极子型(90°和270°位相)。其中,180°和270°位相的天气型发生时,冬季北极对流层中、低层偏暖,盛行暖北极-冷欧亚的大气环流形势。前期秋季从巴伦支海海域以东到波弗特海海域的海冰密集度(SIC)异常偏少可能是其影响因素之一。近年来这两个位相(180°和270°位相)的发生频次逐渐增多,与冬季频发的极端低温事件有紧密联系。在2005/2006年和2011/2012年冬季的冷事件中,180°和270°位相的发生频次明显偏多。因此,秋季从巴伦支海海域以东到波弗特海海域的SIC偏少,冬季北极对流层中、低层异常偏暖,有利于180°和270°位相天气型盛行,可能是导致冬季极端天气事件频发的主要原因之一。     

Impacts of Multi-Scale Solar Activity on Climate. Part I: Atmospheric Circulation Patterns and Climate Extremes

The impacts of solar activity on climate are explored in this two-part study.Based on the principles of atmospheric dynamics,Part I propose an amplifying mechanism of solar impacts on winter climate extremes through changing the atmospheric circulation patterns.This mechanism is supported by data analysis of the sunspot number up to the predicted Solar Cycle 24,the historical surface temperature data,and atmospheric variables of NCEP/NCAR Reanalysis up to the February 2011 for the Northern Hemisphere winters.For low solar activity,the thermal contrast between the low-and high-latitudes is enhanced,so as the mid-latitude baroclinic ultra-long wave activity.The land-ocean thermal contrast is also enhanced,which amplifies the topographic waves.The enhanced mid-latitude waves in turn enhance the meridional heat transport from the low to high latitudes,making the atmospheric "heat engine" more efficient than normal.The jets shift southward and the polar vortex is weakened.The Northern Annular Mode(NAM) index tends to be negative.The mid-latitude surface exhibits large-scale convergence and updrafts,which favor extreme weather/climate events to occur.The thermally driven Siberian high is enhanced,which enhances the East Asian winter monsoon(EAWM).For high solar activity,the mid-latitude circulation patterns are less wavy with less meridional transport.The NAM tends to be positive,and the Siberian high and the EAWM tend to be weaker than normal.Thus the extreme weather/climate events for high solar activity occur in different regions with different severity from those for low solar activity.The solar influence on the midto high-latitude surface temperature and circulations can stand out after removing the influence from the El Nin o-Southern Oscillation.The atmospheric amplifying mechanism indicates that the solar impacts on climate should not be simply estimated by the magnitude of the change in the solar radiation over solar cycles when it is compared with other external radiative forcings that do not influence the climate in the same way as the sun does.     

近20 a驱动北极夏季迅速增暖和融冰的自然因素及过程

北极是全球气候系统平衡的重要一环,近20 a全球变暖现象中,北极迅速增温及融冰是最为引人关注的问题之一.人类影响无疑是过去几十年北极变暖背后的最主要的原因及驱动力,但气候系统的内在自然变率对北极的影响也不容忽视.本文指出,北极变暖的自然影响因子有一部分来源于热带太平洋东部海温的变化,热带太平洋通过由东部海温异常所驱动的...