南北两极海冰的涛动关系

本文将南极海冰分为４个区：ＳＰＩ１（０°－１２０°Ｅ），东南极海冰；ＳＰＩ２（１２０°Ｅ－１２０°Ｗ），以罗斯海为主体的海冰区；ＳＰＩ３（１２０°Ｗ－０°），以威德尔海为主体的海冰区；ＳＰＩ４，全南极海冰区。北极海冰区分为３个区：ＮＰＩ１（９０°Ｅ－１８０°－９０°Ｗ），太平洋侧冰区；ＮＰＩ２（９０°Ｗ－０°－９０°Ｅ），大西洋侧冰区；ＮＰＩ３，全北极冰区。本文使用了ＷＤＣ－Ａ的ＳＩＧＲＩＤ海冰资料，以分析南极和北极各冰区之间的相互关系。发现两极各冰区之间存在着非常复杂的相互作用。其中最突出的特征是：两极海冰之间相互作用的振源是ＮＰＩ２。ＳＰＩ３是影响南极海冰的正反馈中心。ＳＰＩ２则是南北两极海冰的负反馈中心。ＮＰＩ２，ＳＰＩ３和ＳＰＩ２之间的相互作用最强，形成涛动关系。这种涛动关系不是同时期的，而是有较长的滞后时间差。两极海冰形成周期变化，其周期为５－６年，正与ＮＰＩ２和ＳＰＩ３自身变化周期一致。另外还有更长的循环周期９－１１年     

近百年北极涛动对中国冬季气候的影响

北极涛动 (AO) 是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态,对北半球及区域气候有重要影响。利用中国近50年和近百年气温和降水资料分析了北极涛动对我国冬季气候的影响。当AO指数偏强时,我国大部分地区冬季气温偏高,同时降水也偏多。AO和西伯利亚高压对我国冬季气候的影响在年际和年代际尺度上有不同的特征, 在年际尺度上西伯利亚高压对我国气温的影响要远强于AO,而AO对我国降水的影响则比西伯利亚高压的影响要显著。这种关系也可以通过比较分析对流层低层和中高层环流形势在AO不同位相时的变化得到进一步验证。这说明AO对我国冬季气温和降水影响的机制是不一样的。在年代际尺度上,AO对气温和降水都有显著的影响。AO和西伯利亚高压一起能解释近百年来我国冬季温度和降水方差的35% 和11%。     

北极涛动异常对西北地区东部沙尘暴频次的影响

利用西北地区东部沙尘暴日数资料、北极涛动指数资料、东亚高低空大气环流形势场资料,分析了沙尘暴日数与北极涛动的关系,进而研究了北极涛动异常年东亚大气环流分布特征,探讨了北极涛动影响西北地区东部沙尘暴的可能途径。结果表明：西北地区东部沙尘暴频次呈波动减少之势,20世纪80年代中期发生气候突变;北极涛动指数与西北地区东部沙尘暴频次显著负相关,二者年际、年代际变化都有较好的应关系,北极涛动正位相年,西北地区东部沙尘暴偏少,反之亦然。究其原因：北极涛动异常对东亚冬季风强度、东亚高低空气压场、风场分布形势有重要影响：北极涛动正位相年,东亚冬季风、蒙古高压均偏弱;500 hPa高度场上,春季西风带纬向环流占优势,极涡面积偏小,强度偏弱,贝加尔湖阻塞高压异常强盛,蒙古国及我国华北和西北地区位于贝加尔湖阻塞高压底部的暖区里,地面至高空西北风偏弱;在这种形势下,整个中高纬度冷空气势力较弱,活动次数偏少,不利于大风、寒潮天气的发生,因此沙尘暴频次也偏少。而北极涛动负位相年基本相反。     

北疆西部近50 a来气候、水文变化趋势及其与北大西洋/北极涛动的关系

 根据北疆西部11个气象站点1957—2007气象资料,主要代表性河流1960—2006年流量数据以及1957—2007年NAO和AO时间序列数据,采用趋势分析,Mann-Kendall检验以及相关分析等方法,研究了北疆西部地区近50 a来气候、水文的变化趋势,分析了气候变化对径流的影响,初步探讨了NAO和AO对区域气候变化的影响。研究结果表明,近50 a来,北疆西部地区增温、增湿显著,但二者变化幅度存在季节差异。受气候变化的影响,奎屯河年径流量表现出显著增加趋势。进一步分析发现,奎屯河、四棵树河年径流量的变化主要受温度因子控制,卡琅古尔河、精河和博尔塔拉河的年径流量则主要受降水因子控制。研究表明,艾比湖水域面积同样受气候变化的影响,尤其是与年降水量增加紧密相关,二者相关系数为0.584。相关分析证实NAO和AO确实对北疆西部地区的气候变化具有显著影响。具体体现在,NAO和AO显著的影响研究区冬季温度和全年的温度变化;NAO对整个区域年降水具有显著影响。温度比降水对NAO和AO的响应更敏感。     

西南地区冬季旱涝特征及其与北极涛动关系

利用1951-2010年我国西南地区内32站月平均降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,对西南地区冬季旱涝时空分布特征及其与北极涛动(AO)的关系进行了研究分析.结果表明:近60a西南地区冬季降水量和旱涝事件平均发生频次均呈东南向西北递减分布,其中滇、黔、桂交界处和四川南部为降水偏多事件多发区,而渝、滇西南、黔东部及四川盆地是干旱事件多发区,特旱事件的发生概率也较高,并有逐年增加的趋势;冬季旱涝以周期为12 a、8 a左右的低频振荡最为显著,近几年均处于负位相;冬季AO与西南地区同期降水呈显著的正相关,AO异常偏强(弱)时,则西南地区降水异常偏多(少).     

印太暖池区域海温异常与北极海冰变化的联系

采用统计方法,分析了全球海洋表层海温和印太暖池区域海表温度的长期变化特征,探讨了热带印度洋-西太平洋(印太暖池)海表温度异常(SSTA)与北极海冰快速消融之间的可能联系。结果表明,从整体来看,百年来全球SSTA呈现缓慢升高,但期间也存在年际变化的波动,近10年来全球SSTA升高有减缓的趋势,印太暖池区域的SSTA长期变化与全球基本一致。而北极海冰覆盖率自20世纪80年代初由正距平转换为负距平,且以-1.5%/10 a的速度快速减少,每年7—10月的海冰覆盖率减少速度最快,分别为-2.6%/10 a、-2.8%/10 a、-3.0%/10 a和-2.5%/10 a。由相关分析可知,北极海冰覆盖率的快速减少与印太暖池区域SSTA变化存在密切联系,它们之间存在准两年的显著相关。这种联系的重要途径是通过北极涛动(AO)作为桥梁来完成的。采用回归分析,首次建立了夏秋季北极海冰变化与印太暖池区域SSTA之间的预报方程,并对未来两年北极海冰的变化进行了预测试验,2015年和2016年6—10月北极海冰覆盖率异常变化均为-6.16%,仍为快速减少的两年。这一工作对北极海冰变化的深入研究和预测具有一定的推动作用,对全球气候变化的评估提供了理论依据。     

青藏高原冬季积雪时空变化特征及其与北极涛动的关系北大核心CSCDCSSCI

青藏高原积雪不仅是气候变化的敏感指示器,而且对亚洲季风区乃至全球气候具有显著影响。利用2002-2014年MODIS积雪覆盖范围产品及ERA-Interim再分析资料,采用气候统计诊断方法探究了青藏高原冬季积雪的时空变化特征及其与北极涛动(AO)的关系,结果表明:(1)高原冬季积雪空间分布差异明显,高原西部和东南部多雪,中部和北部少雪,东部积雪年际变化大,西部多雪区积雪较为稳定。(2)高原冬季积雪EOF分解第一模态具有东—西反位相变化特征,当高原东部积雪偏多(少)时,西部积雪偏少(多)。(3)该模态与AO密切相关。AO正位相时,东亚大槽减弱,南支槽加深东移,西太平洋副高加强使得更多暖湿气流到达高原,有利于高原东部降雪,而高原西南侧阿拉伯海附近存在反气旋异常,使得阿拉伯海的水汽不易抬升进入高原西部,高原西部盛行干燥的下沉气流异常,造成少雪的环流背景,且地表温度偏高不利于积雪维持,从而导致高原西部积雪的减少;AO负位相时,东亚大槽增强使得冬季风加强,高原东部受来自西北的干冷气流控制,不利于降雪产生,高原西南侧出现气旋异常,促使来自阿拉伯海和孟加拉湾的暖湿气流输送至高原西部,与来自西伯利亚的冷空气相遇,营造多雪的环流背景。     

南半球降水对南极海冰涛动异常的响应

运用NCAR/CAM3全球大气环流模式,结合气候学诊断方法,分析了南极海冰涛动异常对南半球降水的影响,并对可能的作用机理进行了初步探讨。结果表明,南半球中纬度降水对海冰涛动异常的响应较为显著,且异常响应的空间分布与海冰涛动类似,分别在南美洲大陆以东大西洋和以西太平洋的广阔海域上存在两个正负值中心。 数值模拟结果显示,海冰涛动异常可以通过改变地表热通量,影响对流层中层大气,进而驱动费莱尔环流的上升支,加强或减弱费莱尔环流的强度,最终对南半球中纬度地区的降水分布产生影响。在阿蒙森/别林斯高晋海外围海冰异常偏少的海域,向上的热通量增加,局地加热会使得费莱尔环流的上升支异常偏强,费莱尔环流的经向输送增强,对应其在中低纬的下沉支也偏强,局地下沉气流异常偏强则会抑制降水的生成,导致降水异常偏少。在威德尔海外围海冰异常偏多的海域,经向环流和降水的响应几乎相反,但因受西南极半岛和南美洲陆面作用的影响,对应经度带费莱尔环流对海冰异常的响应较弱。     

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。     

北冰洋海冰和海水变异对海洋生态系统的潜在影响

最近30年来,北冰洋海冰和海水发生了急剧变化:海冰覆盖面积减少、冰层变薄、水温升高、淡水输入增加、污染加剧,正威胁着现有与海冰关系密切的生态系统。预期随着变化的持续,与海冰相关的食物链将在部分海域消失并被较低纬度的海洋物种所取代、总初级生产力有望增加并为人类带来更多的渔获量、而北极熊和海象等以海冰作为栖息和捕食场所的大型哺乳动物的生存前景堪忧。今后人类将更为重视对北冰洋生态环境变化规律的认识并加以运用、关注北冰洋特有物种的命运并加以力所能及的保护、评估北冰洋生态系统的变化对人类社会经济的影响以期及早采取应对措施。数据积累是目前制约北极研究的最大障碍,但随着 SEARCH 等大型国际研究计划的实施,对北冰洋生态系统的监测和研究将更为系统和全面。     

北极海冰与大气环流耦合主模态的时空特征分析

对1979—2009年月平均的CFSR（The Climate Forecast System Reanalysis）海冰密集度（SIC）和海平面气压（SLP）资料进行多变量经验正交函数分解（MV—EOF）,得出耦合主模态,并通过对温度、位势高度和风场的回归分析,进一步探寻海冰与大气环流的关系,第一模态SLP的特征为北极涛动（AO）,SIC呈离散的正负中心分布但大体为东西反位相,AO正位相时,喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海和鄂霍次克海海冰减少,巴芬湾、波弗特海、楚科奇海和白令海海冰增加。耦合第二模态的SLP呈偶极子分布,负、正异常中心在巴伦支海和波弗特海,SIC在巴伦支海,弗拉姆海峡,格陵兰海,拉布拉多海和白令海,鄂霍次克海地区有正异常,在喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科齐海和波弗特海为负异常。耦合第三模态SLP在冰岛地区存在负异常中心,在拉普捷夫海地区有正异常中心,SIC在巴伦支海北部、弗拉姆海峡、格陵兰海为负异常,其余地区全为正异常。 对SLP和SIC分别进行EOF分解,并与耦合模态进行比较,SLP的EOF主模态的时空分布与耦合模态中SLP的时空分布十分相似,SIC的EOF模态的时空分布则与耦合模态中SIC的时空分布有较大差别,说明耦合模态对SIC的分布影响较大,即大气环流对海冰分布的影响为主要的过程,海冰对大尺度的大气环流的模态的影响不明显。     

近30年北极海冰异常变化趋势

在过去30年间,北极气候发生了前所未有的异常变化,北极海冰变化更是经历了令人瞩目的、从平缓到突变的缩减过程,因此,北冰洋及其海冰的研究得到广泛的重视。综述当前国内外有关北极海冰快速变化的研究工作,对这些大气的现场观测和卫星遥感资料的分析,以及一些全球和区域气候模拟的结果,基本上一致地指出了近3O年来北极海冰的快速衰减趋势,尤其是夏季北极海冰正以每lO年超过10％的变化幅度快速减少。从海冰的基本物理特征、与大气海洋相互作用的物理过程、及其对全球和北极气候变化的响应和反馈机制,研究形成这种快速变化的因子--海表面气温增暖,太平洋与大西洋人流的热盐性质变化,以及大气环流模态的影响等。     

北冰洋浮冰和开阔海面上的能量平衡特征

利用中国首次北极考察队于 1 999年 8月 1 9日～ 2 4日在北冰洋浮冰区获得的大气近地层垂直廓线和辐射等资料 ,依据相似理论方法 ,对比分析了北冰洋无冰海面和冰面上热平衡参数的变化特征。结果表明 ,海面与大气和冰面与大气之间相互作用的边界层物理过程差异十分明显。冰面吸收的净辐射仅为海面的 6%左右 ,主要消耗于感热输送和冰面融化过程 ,不足部分由水汽在冰面上凝结释放的潜热和冰中的热通量来补充。海面吸收的净辐射主要消耗于潜热输送过程 ,占净辐射的 50 % ,其余热量传向水体深层和用于感热输送 ,分别占净辐射的 2 6%和 2 4 %。由此可见 ,在北冰洋夏季 ,无冰海面有大量的水汽向大气输送 ,这对研究北冰洋地区大气边界层的季节变化过程是至关重要的     

海冰在海气交换中的作用及其与海雾的关系

本文用了 1 999年夏季中国首次北极科学考察队对海冰、大气和海洋进行的同步和准同步的综合立体观测所获取的资料 ,研究海冰在海 气相互作用中扮演的角色。发现海冰的种类、分布、冰厚等变化对海气热交换都有重要影响。在浮冰区海洋以潜热的形式向大气输送热量 ,潜热通量与浮冰密集度的大小密切有关 ,浮冰越少潜热通量越大 ,潜热通量约为2 1～ 2 3 .6W /m2 ,潜热通量大于感热通量 ;在冰盖和大浮冰块上 ,大气以感热的形式向冰雪面上输送热量。新生的浮冰区或冰间湖是海气热交换最激烈的地方 ,是气候最敏感的区域 ,是北冰洋蒸汽雾生成的重要条件。用层结大气整体动力学输送法 ,计算了一次大范围的蒸汽雾过程的海气热交换 ,海洋向大气输送的热量总功率约为 1 4 8亿千瓦 ,相当于中国发电能力的 69倍 ,相当于大西洋向北冰洋输送热量平均功率的 1 / 2 0。北冰洋的夏季能够形成各种类型的海雾 :辐射雾、蒸汽雾和平流雾 ,其重要原因就是因为海冰的存在 ,使下垫面的性质复杂化 ,海气交换复杂化。     

北半球夏季中高纬度大气阻塞对北极海冰变化的影响

利用NCEP/NCAR再分析逐日500 h Pa高度场资料,对北半球夏季中高纬度大气阻塞特征进行统计分析,发现大气阻塞活动频率高的地区主要集中在白令海峡区域、鄂霍次克海区域、欧亚大陆区域及格陵兰区域。而通过NSIDC提供的卫星观测资料发现近30年夏季海冰容易减少的区域正好对应阻塞活动北部的高纬度地区。分别通过对以上4个区域有阻塞发生相对没有阻塞发生时的500 h Pa位势高度场、地面温度场、850 h Pa经向瞬变热通量输送和平流输送等异常变化场进行对比分析,结果发现夏季中高纬度阻塞频率的增加对海冰的减少有显著影响,主要体现在阻塞的发生发展可通过增加高纬度地面温度、对极地的热量输送和暖平流输送来加快海冰的融化。这种阻塞引起的热力作用在鄂霍次克海和欧亚大陆区域效果更为显著。     

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明,2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m^–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。     

北冰洋78°N冰站近地层参数的观测研究

利用2003年8月22日-9月3日中国北极科学考察队在北冰洋78°N浮冰站获得的近地层观测资料,采用整体输送法对北冰洋浮冰近地层特征参数进行了分析研究。结果表明,在考察期间,雪面吸收的净辐射仅为3.6 W/m2,其中以感热和潜热向大气输送的能量分别占52%和31%,向海冰深层传导的热量很少;近中性层结条件下的平均拖曳系数Cdn为1.16×10-3,略小于75°N北冰洋浮冰上近中性层结的Cdn。与1999年75°N附近冰站观测结果的对比表明,当海冰密度及冰站所在浮冰的尺度不同时,海冰与大气相互作用的热力学和动力学过程的差异显著,在研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程影响时,应考虑这一问题。