2007和2012年北极最小海冰范围空间分布不同的原因分析

Satellite records show the minimum Arctic sea ice extents(SIEs) were observed in the Septembers of 2007 and2012, but the spatial distributions of sea ice concentration reduction in these two years were quite different.Atmospheric circulation pattern and the upper-ocean state in summer were investigated to explain the difference.By employing the ice-temperature and ice-specific humidity(SH) positive feedbacks in the Arctic Ocean, this paper shows that in 2007 and 2012 the higher surface air temperature(SAT) and sea level pressure(SLP)accompanied by more surface SH and higher sea surface temperature(SST), as a consequence, the strengthened poleward wind was favorable for melting summer Arctic sea ice in different regions in these two years. SAT was the dominant factor influencing the distribution of Arctic sea ice melting. The correlation coefficient is –0.84 between SAT anomalies in summer and the Arctic SIE anomalies in autumn. The increase SAT in different regions in the summers of 2007 and 2012 corresponded to a quicker melting of sea ice in the Arctic. The SLP and related wind were promoting factors connected with SAT. Strengthening poleward winds brought warm moist air to the Arctic and accelerated the melting of sea ice in different regions in the summers of 2007 and 2012. Associated with the rising air temperature, the higher surface SH and SST also played a positive role in reducing summer Arctic sea ice in different regions in these two years, which form two positive feedbacks mechanism.     

基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品,分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征,结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明,结冰期海冰面积的增加量波动较大,海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大,2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似,融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散,在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用,促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。     

CICE5.0与BCC_CSM2.0模式的耦合及对北极海冰的模拟评估

本文将美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式CICE5.0引入国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0,替代原有的海冰模式SIS,形成一个新的耦合模式。在此基础上,评估新耦合模式对1985-2009年北极海冰的模拟性能,检验引入CICE5.0后对耦合模式中北极海冰、海洋和大气模拟结果的改进。结果表明,引入CICE5.0后,模式能较好地模拟出北极海冰的空间分布、季节以及年际变化特征。相比于旧版本耦合模式,新耦合模式模拟的北极多年冰增多、一年冰减少,同时,海冰增厚、海冰流速减慢,模拟效果得到显著改进,对波弗特涡流模拟的改善尤为明显。进一步分析发现,相比于SIS,CICE5.0对北极海冰特别是海冰厚度模拟性能的提升,在耦合进入BCC_CSM2.0后,会触发冰-温的正反馈机制,改进了模式对海平面气压场、表层气温和海表温度的模拟,由此进一步提高了模式对北极海冰的模拟能力。     

对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。     

北极冬季季节性海冰双模态特征分析

近年来北极海冰快速变化,北极中央区边缘正由以多年冰为主转为季节性海冰为主。通过对北极冬季季节性海冰的EOF分解发现,2002-2012年期间北极季节性海冰变化的前两模态主要体现为2005年和2007年的季节性海冰距平。其中第二模态主要体现了北极海冰在2005年的一种极端变化,而第一模态不仅体现了北极海冰在2007年的变化,还体现了北极季节性海冰的从负位相到正位相的转变。通过比较发现,在研究时段北极季节性海冰最主要的变化发生在北极太平洋扇区,在2007年,冬季季节性海冰距平发生位相转变,2007-2010年一直维持正位相,北极太平洋扇区冬季季节性海冰保持显著正距平。太平洋扇区表面温度最大异常也发生在2007年,从大气环流来看,2007年之后波弗特海区异常高压有利于夏季太平洋扇区海冰的减少,而西风急流的减弱有利于夏季波弗特海区异常高压的维持,结合夏季海冰速度,顺时针的冰速分布有利于海冰离开太平洋扇区,因而会导致冬季太平洋扇区季节性海冰转为正距平并且从2007年一直维持到2010年。     

On the future navigability of Arctic sea routes: High-resolution projections of the Arctic Ocean and sea ice

The rapid Arctic summer sea ice reduction in the last decade has lead to debates in the maritime industries on the possibility of an increase in cargo transportation in the region. Average sailing times on the North Sea Route along the Siberian Coast have fallen from 20 days in the 1990s to 11 days in 2012–2013, attributed to easing sea ice conditions along the Siberian coast. However, the economic risk of exploiting the Arctic shipping routes is substantial. Here a detailed high-resolution projection of ocean and sea ice to the end of the 21st century forced with the RCP8.5 IPCC emission scenario is used to examine navigability of the Arctic sea routes. In summer, opening of large areas of the Arctic Ocean previously covered by pack ice to the wind and surface waves leads to Arctic pack ice cover evolving into the Marginal Ice Zone. The emerging state of the Arctic Ocean features more fragmented thinner sea ice, stronger winds, ocean currents and waves. By the mid 21st century, summer season sailing times along the route via the North Pole are estimated to be 13–17 days, which could make this route as fast as the North Sea Route.     

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。     

1979-2012年北极海冰运动学特征初步分析

利用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰速度和范围数据,本文分析了1979—2012年间北极海冰的运动学特征,以及北极海冰运动与分布范围演变之间的关系。结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的2007和2012年高分辨率的气压场、风场数据,探讨了北极风场和气压场与海冰运动、辐散辐合和海冰面积的关系。结果表明,在1979-2012年间北极海冰平均运动速度呈显著增强的趋势,冬季海冰平均运动速度增加趋势明显强于夏季;北极、波弗特-楚科奇海域和弗拉姆海峡的冬、夏季海冰平均运动速度的增加率分别为2.1%/a和1.7%/a、2.0%/a和1.6%/a以及4.9%/a和2.2%/a。1979-2012年北极海冰平均运动速度和范围的相关性为-0.77,二者存在显著的负相关关系。北极冬季和夏季风场的长期变化趋势与海冰平均运动速度的变化趋势一致,冬季和夏季的相关系数分别为0.50和0.48。风场和气压场对海冰的运动、辐散及重新分布发挥着重要作用。2007年夏季,第234~273天波弗特海域一直被高压系统控制,波弗特涡旋加强,使得波弗特海域海冰聚集在北极中央区;顺时针的风场促使海冰向格陵兰岛和加拿大北极群岛以北聚合。2012年,白令海峡和楚科奇海域处于低压和高压系统的交界处,盛行偏北风,海冰从北极东部往西部输运,加拿大海盆的多年海冰因离岸运动而辐散,向楚科奇海域的海冰输运增加,受太平洋入流暖水影响,移入此区域的海冰加速融化,从而加剧海冰的减少。     

Arctic summer sea ice phenology including ponding from 1982 to 2017

Information on the Arctic sea ice climate indicators is crucial to business strategic planning and climate monitoring. Data on the evolvement of the Arctic sea ice and decadal trends of phenology factors during melt season are necessary for climate prediction under global warming. Previous studies on Arctic sea ice phenology did not involve melt ponds that dramatically lower the ice surface albedo and tremendously affect the process of sea ice surface melt. Temporal means and trends of the Arctic sea ice phenology from 1982 to 2017 were examined based on satellite-derived sea ice concentration and albedo measurements. Moreover, the timing of ice ponding and two periods corresponding to it were newly proposed as key stages in the melt season. Therefore, four timings, i.e., date of snow and ice surface melt onset (MO), date of pond onset (PO), date of sea ice opening (DOO), and date of sea ice retreat (DOR); and three durations, i.e., melt pond formation period (MPFP, i.e., MO–PO), melt pond extension period (MPEP, i.e., PO–DOR), and seasonal loss of ice period (SLIP, i.e., DOO–DOR), were used. PO ranged from late April in the peripheral seas to late June in the central Arctic Ocean in Bootstrap results, whereas the pan-Arctic was observed nearly 4 days later in NASA Team results. Significant negative trends were presented in the MPEP in the Hudson Bay, the Baffin Bay, the Greenland Sea, the Kara and Barents seas in both results, indicating that the Arctic sea ice undergoes a quick transition from ice to open water, thereby extending the melt season year to year. The high correlation coefficient between MO and PO, MPFP illustrated that MO predominates the process of pond formation.     

1982—2001年与2002—2021年北极秋季海冰的时空变化及原因

基于北极海冰密集度、海冰范围、大气环流和海温数据,研究了1982—2001年与2002—2021年两阶段各20 a间北极秋季海冰的时空变化特征及其原因。结果表明,近20 a（2002—2021年）北极海冰密集度的下降中心由过去（1982—2001年）的楚科奇海及白令海峡一带,转移至亚欧大陆海岸的巴伦支海附近,且海冰范围每10 a减少量由0.44×10⁶ km²增长至0.72×10⁶ km²,减少速度加快约64%。秋季北极海冰范围与海水表面温度（Sea Surface Temperature,SST）、表面气温（Surface Air Temperature,SAT）及比湿（Specific Humidity）均呈显著负相关。2002—2021年的相关系数较1982—2001年有所提高,且与温度相关系数最高的月份提前了一个月。通过对海水表面温度、表面气温、比湿、气压场和风场的经验正交分解（Empirical Orthogonal Function,EOF）可知,1982—2001年间,北极地区的温度及比湿的上升中心集中在楚科奇海及白令海峡一带;2002—2021年间,上升中心则转移至巴伦支海一带。气压场和风场在前后两阶段也出现了中心转移的分布变化。北极地区大气与海洋环流各因素的协同变化影响着北极海冰的消融。     

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。     

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%。     

BCC_CSM对北极海冰的模拟:CMIP5和CMIP6历史试验比较

本文利用北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)在最近两个耦合模式比较计划(CMIP5和CMIP6)的历史试验模拟结果,对北极海冰范围和冰厚的模拟性能进行了比较,结果表明:(1) CMIP6改善了CMIP5模拟海冰范围季节变化过大的问题,总体上更接近观测结果;(2)两个CMIP试验阶段中BCC_CSM模拟的海冰厚度都偏小,但CMIP6试验对夏季海冰厚度过薄问题有所改进。通过对影响海冰生消过程的冰面和冰底热收支的分析,我们探讨了上述模拟偏差以及CMIP6模拟结果改善的成因。分析表明,8?9月海洋热通量、向下短波辐射和反照率对模拟结果的误差影响较大,CMIP6试验在这些方面有较大改善;而12月至翌年2月,CMIP5模拟的北极海冰范围偏大主要是海洋热通量偏低所导致,CMIP6模拟的海洋热通量较CMIP5大,但北大西洋表层海流的改善才是巴芬湾附近海冰外缘线位置改善的主要原因。CMIP试验模拟的夏季海冰厚度偏薄主要是因为6?8月海洋热通量和冰面热收支都偏大,而CMIP6试验模拟的夏季海冰厚度有所改善主要是由于海洋热通量和净短波辐射的改善。海冰模拟结果的改善与CMIP6海冰模块和大气模块参数化的改进有直接和间接的关系,通过改变短波辐射、冰面反照率和海洋热通量,使BCC_CSM模式对北极海冰的模拟性能也得到有效提高。     

Impact of Arctic Oscillation on cloud radiative forcing and September sea ice retreat

The Arctic Oscillation (AO) has important effects on the sea ice change in terms of the dynamic and thermodynamic processes. However, while the dynamic processes of AO have been widely explored, the thermodynamic processes of AO need to be further discussed. In this paper, we use the fifth state-of-the-art reanalysis at European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ERA5) from 1979 to 2020 to investigate the relationship between AO and the surface springtime longwave (LW) cloud radiative forcing (CRF), summertime shortwave (SW) CRF in the Arctic region (65°?90°N). In addition, the contribution of CRF induced by AO to the sea ice change is also discussed. Results indicate that the positive (negative) anomalies of springtime LW CRF and summertime SW CRF are generally detected over the Arctic Ocean during the enhanced positive (negative) AO phase in spring and summer, respectively. Meanwhile, while the LW (SW) CRF generally has a positive correlation with AO index (AOI) in spring (summer) over the entire Arctic Ocean, this correlation is statistically significant over 70°?85°N and 120°W?90°E (i.e., region of interest (ROI)) in both seasons. Moreover, the response of CRF to the atmospheric conditions varies in spring and summer. We also find that the positive springtime (summertime) AOI tends to decrease (increase) the sea ice in September, and this phenomenon is especially prominent over the ROI. The sensitivity study among sea ice extent, CRF and AOI further reveals that decreases (increases) in September sea ice over the ROI are partly attributed to the springtime LW (summertime SW) CRF during the positive AOI. The present study provides a new pattern of AO affecting sea ice change via cloud radiative effects, which might benefit the sea ice forecast improvement.     

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。     

地球系统模式FIO-ESM对北极海冰的模拟和预估

评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)的历史实验对北极海冰的模拟能力,分析了该模式基于CMIP5未来情景实验在不同典型浓度路径(RCPs,Representative Concentration Pathways)下对北极海冰的预估情况。通过与卫星观测的海冰覆盖范围资料相比,该模式能够很好地模拟出多年平均海冰覆盖范围的季节变化特征,模拟的气候态月平均海冰覆盖范围均在卫星观测值±15%范围以内。FIO-ESM能够较好地模拟1979-2005年期间北极海冰的衰减趋势,模拟衰减速度为每年减少2.24×104 km2,但仍小于观测衰减速度(每年减少4.72×104 km2)。特别值得注意的是:不同于其他模式所预估的海冰一直衰减,FIO-ESM对21世纪北极海冰预估在不同情景下呈现不同的变化趋势,在RCP2.6和RCP4.5情景下,北极海冰总体呈增加趋势,在RCP6情景下,北极海冰基本维持不变,而在RCP8.5情景下,北极海冰呈现继续衰减趋势。     

基于卫星观测的2003-2013年北极海冰体积变化估算

北极海冰正处于快速减退时期,北极海冰体积变化是全球气候变化的重要指示因子。本文利用两种卫星高度计数据（ICESat和CryoSat-2）反演得到的海冰厚度数据,结合星载辐射计提取的海冰密集度数据以及海冰年龄数据,估算了近期的北极海冰体积以及一年冰和多年冰体积变化。CryoSat-2观测时段（2011-2013年）与ICESat观测时段（2003-2008年）相比,北极海冰体积在秋季（10-11月）和冬季（2-3月）分别减少了1 426 km3和412 km3。其中,秋季和冬季的一年冰的体积增加了702 km3和2 975 km3。相反,多年冰分别减少了2 108 km3和3 206 km3。多年冰的大量流失是造成北极海冰净储量下降的主要原因。     

北极海冰输出区域海冰运动变化特征及其与北极航道适航性的关系

随着北极地区气候变暖的加剧,北极海冰正在急剧消融,海冰的减少增加了北极地区航道的适航性。本文利用遥感数据反演得到的海冰运动产品对北极海冰输出区域以及东北航道以北区域的海冰运动特征进行了量化。结果显示,从北极中央海域向弗拉姆海峡以及格陵兰海流出海冰的南向位移量呈现出显著增长趋势,海冰的平均南向位移量在2007-2014年间达到1511 km,是2007年之前（617 km）的两倍以上,反映了北极穿极流（TDS）强度在不断增强。通过长时间序列分析发现,春季东北航道以北区域的海冰北向漂移速度在喀拉海呈现+0.04 厘米/秒/年的显著增长趋势（P<0.05）。海冰北向漂移对于东北航道的开通具有显著的影响,在拉普捷夫海与喀拉海,海冰北向运动速度与航道适航期的决定系数分别达到0.33（P<0.001）和0.15（P<0.05）。东西伯利亚海、拉普捷夫海以及喀拉海存在冰间湖区域的春季海冰面积变化与航道的适航期密切相关,海冰的北向漂移对拉普捷夫海和喀拉海的海冰面积减少也有显著影响,这说明北向漂移促进了海冰的离岸输送,造成海冰面积减少的同时形成冰间水道或冰间湖促使航道开通。为探究大气环流指数对海冰运动以及东北航道适航期的影响,本文利用大气再分析数据计算了中央北极指数（CAI）和北极大气偶极子异常（DA）指数。相关性分析表明,CAI比DA更能解释东北航道的适航期,而且CAI能够解释北极海冰输出区域海冰南向位移量变化的45%。最近10年,夏季正相位的CAI进一步加强,通过加强海冰离岸输运和冰间湖活动加剧了东北航道区域海冰变薄及其强度变弱,从而促进了东北航道的开通。     

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。     

近年北极东北和西北航道开通状况分析

利用微波卫星遥感数据对北极东北航道和西北航道近年来的冰情变化,以及影响航道开通的关键区域和每年的开通状况进行了分析和总结,并对航道未来的可能冰情状况进行了展望,期望对航道利用者有所帮助。东北航道全线开通期主要集中在8月下旬至10月上旬,开通总天数多在40~50d;西北航道南线开通期主要集中在8月上中旬至10月上旬,开通总天数多在50~60d;西北航道北线开通时间主要集中在9月。东北航道冰情最为复杂的是连接拉普捷夫海和喀拉海的北地群岛区域海冰,也是影响航道开通的关键区。影响西北航道南线开通的关键主要是威廉王岛附近维多利亚海峡、威尔士王子岛东侧的皮尔海峡和北侧巴罗海峡区域的海冰状况;影响北线开通的关键区域是班克斯岛西北部的麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡;东北航道可通航性优于西北航道。虽然气候变化大背景下北极海冰总量减少,但由于海冰流动性增强,局部海冰变化愈发复杂,海冰分布年际差异较大,需要加强北极海冰监测和预报能力,为未来航道利用提供保障。