北极中央区海冰低密集度现象研究

近年,北极中央密集冰区出现海冰低密集度的异常现象。为了探讨这一现象的成因,本文使用ERA-Interim再分析资料,定义了北极中央区海冰低密集度（LCCA）指数,研究了2009-2016年的6-9月北极中央区发生的海冰低密集度现象。分析表明,研究时段内在北极中央区发生了6次明显的海冰低密集度（LCCA峰值）过程。在这些过程中,局地气温异常并不是导致海冰低密集度现象发生最主要的因素;海冰低密集度区域的形态及冰速场分布均与大气环流场相对应;在LCCA指数峰值发生前均有气旋中心出现在北冰洋70°N以北并伴随向北移动,气旋引起海冰辐散,同时所携带的较低纬度的热量导致海冰迅速融化。在6次过程中,有3次为气旋影响配合北极偶极子（DA）型环流。LCCA指数与84°N平均向北温度平流和北极中央区海冰速度散度呈正相关。在LCCA指数峰值前,温度平流对海冰低密集度区域形成的影响大于海冰辐散的影响。     

北极中央区海冰密集度与云量相关性分析

本文使用海冰密集度以及低云、中云、高云的日平均数据,借助滑动相关分析方法,研究了北极中央区海冰密集度与云量之间的相关性,分析了海冰与云的相互作用机制。研究表明,在春季海冰融化季节(4、5月)、秋季海冰冻结季节(10、11月),低云与海冰密集度之间表现为较好的负相关,表明在这段时间内冰区海面蒸发强烈,对低云的形成有重要贡献。在10月和11月,中云与海冰密集度也有很好的负相关,表明秋季低云可以通过抬升形成中云。高云与海冰密集度之间并没有明显的相关性,可能原因:一方面海冰的空间分布对高云无影响,另一方面,高云主要影响到达的短波辐射,从而影响海冰的融化和冻结速度,与海冰厚度有直接显著的关系,而与海冰密集度的关系不明显。此外,在海冰密集度与低云存在较好负相关的情况下会出现某些年份相关性不好的情况,我们的研究发现这是北极中央区与周边海区发生了海冰交换或云交换的结果。     

北极海冰密集度数值预报及验证评估研究

本文系统地评估了国家海洋环境预报中心于我国第七次北极科学考察期间开展的北极海冰密集度数值预报结果。该预报系统基于麻省理工大学通用环流模式,并采用牛顿松弛逼近（Nudging）资料同化方法,计算输出未来1~5 d的北极海冰密集度预报产品。本文将数值预报结果同卫星观测的海冰密集度、再分析资料和"雪龙"号第七次北极考察期间观测的海冰密集度数据进行了对比分析。结果表明,预报的北极海冰密集度小于卫星观测值,24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为-2.7%、-3.1%和-3.2%;数值产品的预报技巧好于气候态结果和惯性预报,但是在海冰出现快速融化或冻结时,基于Nudging同化的数值预报技巧仍有不足。另外,相比船测数据,数值预报结果在海冰边缘区的偏差相对较大,24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为8.8%、12.0%和14.5%。     

中国江南地区降水异常的年际变化与北极海冰密集度异常的相关分析及其机理研究

本文选取最近二十年(1998—2017年)中国江南地区降水和北极海冰为研究对象,分析了年际时间尺度上中国江南地区降水异常与北极海冰异常的关系,并进一步通过研究关键区附近罗斯贝长波(Rossby长波)的波射线路径和中国中纬度地区波作用通量的传播异常,揭示了北极海冰通过Rossby波大气桥的调制作用影响江南地区降水的可能机制。结果表明:夏、秋季东西伯利亚海与巴芬湾的海冰密集度异常与次年中国江南地区降水异常存在显著的正相关关系。其影响机制是:关键海区海冰异常和北极放大能够激发Rossby波列型遥相关从北极关键区向中国中纬度地区传播,而关键区附近的Rossby波扰动能量在夏、秋季比冬、春季更容易传播至中国中纬度地区,并最终通过上下游遥相关效应引发中纬度副热带西风急流异常和急流入口区右侧江南地区的环流和降水异常,当海冰偏多时西风急流加强,江南地区对流不稳定发展,降水偏多。     

北极海冰与埃尔—尼诺

本文通过简单的曲线对应关系分析指出,北极海冰与埃尔-尼诺现象存在着一定的对应关系:在埃尔-尼诺发生前半年的冬季,欧洲附近（Ⅳ区）北极海冰指数（DQ％值）易出现峰值或处于增长阶段,在埃尔-尼诺发生年的夏季,北美中西部附近（Ⅱ区）的北极海冰指数也是易出现峰值或处于增长阶段。同时本文还给出了北极海冰（Ⅱ区和Ⅳ区）与埃尔-尼诺相联系的可能的物理机制,指出:埃尔-尼诺发生前半年的冬季Ⅳ区海冰是埃尔-尼诺的一个强迫源,而埃尔-尼诺年夏季Ⅱ区海冰是对埃尔-尼诺强迫的响应结果。     

Nudging资料同化对北极海冰密集度预报的改进

北极夏季海冰的快速减少使得北极航道提前开通成为可能。为了给北极冰区船运活动提供及时可靠有效的海冰预报保障,急需提高海冰预报水平。本文基于麻省理工大学通用环流模式(MITgcm),使用牛顿松弛逼近(Nudging)资料同化方法将德国不莱梅大学的第二代先进微波辐射成像仪(AMSR2)海冰密集度资料同化到模式中,建立了北极海冰数值预报系统。设计试验对比3种不同Nudging系数计算方案的改进效果,结果表明选择合适参数后,不同方案均能显著改进海冰密集度初始场。通过设计有无Nudging同化的两组预报试验,结合卫星遥感海冰密集度及中国第五次北极科学考察期间"雪龙"船的走航海冰密集度观测数据,定量分析了Nudging同化方案对北极海冰密集度的24~120 h预报结果的改进效果。结果表明,Nudging同化对120 h内全北极海冰密集度的空间分布和移动单点目标的海冰密集度预报结果均有显著改善;但在海冰变化很小的情况下,Nudging同化试验的24~120 h预报结果均劣于惯性预报结果,说明基于Nudging同化的数值预报系统还需进一步提高预报技巧。     

北极海冰的变化特征

本文使用了北极海冰１９７２～１９８９年的资料，分析了北极海冰的区域特征、季节变化和长期变化的特征。发现由于北极海冰南侧被殴亚和北美大陆所包围，处于基本封闭状态，只有通过白令海峡与太平洋相连和格陵兰海和娜威海与大西洋相连的两个通道，其环境条件与南极海冰绝然不同，因此其特征也明显不同。１、季节变化小。净冰面积冬季是夏季的２倍左右，而南极海有６倍之差。２、海冰寿命较长。以多年冰为主，平均寿命为１．３年。     

北极秋季海冰减少与亚洲大陆冬季温度异常

本文使用SVD等诊断分析方法探讨北极秋季海冰密集度与亚洲冬季温度异常之间的关系。结果表明,近30余年来,北极秋季海冰减少伴随着亚洲大陆冬季温度降低,但青藏高原地区、北冰洋和北太平洋沿岸除外。北极秋季海冰密集度减小激发欧亚大陆和北冰洋北部两个区域位势高度的改变,这种异常的变化模态从秋季持续到冬季。位势高度异常的负值中心位于巴伦支海和喀拉海。位势高度异常的正值中心位于蒙古区域。与重力位势高度异常伴随的风场异常为亚洲冬季温度降低提供自北向南的冷气流。随着北极海冰的不断减少,其与亚洲大陆冬季温度降低之间的关系将为气候长期预测提供参考。     

北极海冰输出研究综述

北极海冰对全球气候变化起重要的指示作用。除了海水冻结和融化过程以外,通过弗拉姆海峡(Fram Strait)的海冰输出也是影响北极海冰质量变化的重要动力机制。观测数据中的多源卫星遥感数据(尤其是辐射计观测数据)在获取大尺度连续观测方面具有独特的优势,在研究北极海冰输出面积通量变化方面有着广泛应用。本文总结了北极弗拉姆海峡、其他通道(S-FJL、FJL-SZ、加拿大群岛、Nares海峡通道)海冰输出面积或体积通量,着重介绍了弗拉姆海峡不同年龄海冰输出情况,并总结和分析了影响北极海冰输运的大尺度大气活动模态。最后,本文阐明北极海冰输出方面现有研究的不足之处以及未来的突破方向。     

2017年夏季北极中央航道海冰观测特征及海冰密集度遥感产品评估

2017年夏季中国第八次北极科学考察期间,"雪龙"号极地考察船首次成功穿越北极中央航道,期间全程开展了海冰要素的人工观测。中央航道走航期间的平均海冰密集度和平均冰厚分别为0.64和1.5 m,海冰密集度时空变化大且以厚当年冰为主,高纬密集冰区的浮冰大小显著高于海冰边缘区。基于"雪龙"号的船基走航观测海冰密集度评估比较了国际上常用的5种常用的微波遥感反演海冰密集度产品,同走航目测海冰密集度点对点的比较,误差最大的为德国不来梅大学AMSR2基于Bootstrap算法的产品,平均误差和均方根误差分别为0.19和0.28;误差最小的为欧洲气象卫星应用组织基于AMSR2数据和OSHD和TUD两种不同算法的产品,平均误差分别为-0.02和0.01,均方根误差均为0.20。从日平均比较来看,AMSR2基于Bootstrap算法的误差最大,平均误差和均方根误差分别为0.15和0.20;AMSR2/OSI SAF（TUD）的误差最小,平均误差和均方根误差分别为0.0和0.11,OSI SAF产品更接近人工观测结果。     

变暖背景下北极海冰减少在冬季北半球高纬大陆降雪增加中的作用

过去的几个冬季中,北美、欧洲、西伯利亚和东亚大部分地区经历了冷冬和强降雪,而这与北极海冰的快速减少有关。尽管北极海冰减少在冷冬和强降雪中的作用仍存在争议,但这种新兴的气候反馈在未来变暖背景下是否会持续仍值得关注。中等排放情境下的气候模式模拟结果揭示,欧洲东北部、亚洲中部北部、北美北部的冬季降雪增加会成为贯穿21世纪的一个稳健的特征。21世纪这些区域冬季降雪增加的主要原因是北极秋季海冰的减少（很大的外部强迫）,而冬季北极涛动的变化（北半球主要的自然变化形态）对降雪增加的作用很小。这一结果不仅体现在多模式平均上,而且每个单独模式的结果依然如此。我们认为海冰-降雪之间的强反馈作用可能已经出现,并且在接下来的几十年中这种强反馈作用可能会增强,北半球高纬地区的强降雪事件也会增加。     

液态降水与地表气温对北极海冰开始融化时间的影响

海冰最早开始融化时间（EMO）是体现海冰融化的重要指标,也是影响海冰热收支的关键因素。本文使用EMO遥感数据、ERA5再分析资料和海冰密集度数据分析研究了地表气温和液态降水对EMO影响的相对贡献。研究显示,在5个研究海区中,大西洋扇区南区EMO提前最显著,1979− 2021年的变化率为−3.3 d/(10 a)。北极各海区的地表气温与EMO有着持续1～2个月的显著相关时段,其中太平洋扇区南区、大西洋扇区北区和南区的地表气温较液态降水与EMO相关的持续时间更长,相关性也更强;而对太平洋扇区北区和北极中央区,只有在EMO发生前的2～3周,液态降水对其EMO有着更高的贡献。对于太平洋扇区北区,大气环流提供的强水汽输送通道伸入该海区,使对流层低层饱和水汽增多,500 hPa位势高度的多年变化趋势具有三波绕极环流加强的结构,也有利于经向的热量交换,使比湿的垂向梯度进一步增加,为该海区EMO的提前起到一定的促进作用。对于北极中央区,在EMO提前的年份,液态降水较常年偏高33%,不仅气候态意义下的太平洋水汽通道的输送加强,欧亚大陆上空的水汽通道也与之汇合,促使北极东部形成气旋式水汽输送模态,为EMO的提前发生提供了有利条件。     

Dominant climate factors influencing the Arctic runoff and association between the Arctic runoff and sea ice

By using the Arctic runoff data from R-ArcticNET V4.0 and ArcticRIMS, trends of four major rivers flowing into the Arctic Ocean, whose climate factor plays an important role in determining the variability of the Arctic runoff, are investigated. The results show that for the past 30 years, the trend of the Arctic runoff is seasonally dependent. There is a significant trend in spring and winter and a significant decreasing trend in summer, leading to the reduced seasonal cycle. In spring, surface air temperature is the dominant factor influencing the four rivers. In summer, precipitation is the most important factor for Lena and Mackenzie, while snow cover is the most important factor for Yenisei and Ob. For Mackenzie, atmospheric circulation does play an important role for all the seasons, which is not the case for the Eurasian rivers. The authors further discuss the relationships between the Arctic runoff and sea ice. Significant negative correlation is found at the mouth of the rivers into the Arctic Ocean in spring, while significant positive correlation is observed just at the north of the mouths of the rivers into the Arctic in summer. In addition, each river has different relationship with sea ice in the eastern Greenland Sea.     

Arctic sea ice distribution in summer based on aerial photos

1Introduction TheArcticOceanisoneoftheimportantcold sourcesontheearth,whichaffectsglobalclimateand oceancirculationseriously.Itsinteractionwithglobal climatesystemisrepresentedbyseaice,whichisthe mainfeatureonthesurfaceoftheArcticOcean(Aa- gaard,etal.,1989).Firstly,seaiceplaysapivotalrole intheheatandmassbalanceonthesurfaceoftheArc- ticOcean.Seaicenotonlyobstructstheheatexchange betweenatmosphereandocean,butalsoreflectsthe mostofthelocalsolarradiationbacktotheatmo- spherebecauseofitshighalb…