热带气旋下海浪对大气向海洋输入的动量和能量的影响

海浪不仅决定着海洋表面的粗糙度,由热带气旋引起的海浪,还通过其发展演化控制着大部分的海气之间的动量和能量传递。本文采用热带气旋观测数据IBTrACS和海浪模式WW III的模拟结果探究了热带气旋下海浪对大气向海洋输入的动量和能量的影响。结果发现,近30 a热带气旋的强度约每10 a增加 1 m/s,但移速没有明显变化。热带气旋的强度越大,从大气输入到海浪和从海浪输入到海流中的动量之差和能量之差也越大。由于热带气旋的风场和海浪场都有较强的不对称性,海气动量差和能量差也表现出非均匀分布：动量差较大的区域在热带气旋移动方向的后方,能量差的最大值则分布在右后象限,且二者均为左前方比较小。逆波龄与动量差和能量差呈高度正相关,相关系数约为0.95,说明波越年轻吸收的动量和能量越多。气旋移速越快逆波龄越大,且热带气旋移动速度与动量差和能量差呈正相关,相关系数在0.8以上。因此,海浪影响着大气向海洋输入的动量和能量的分布和大小,在以后关于海洋边界动力学和热力学的研究中,考虑海浪的演化可能会使结果更加准确。     

北半球中高纬度大气环流主模态的季节演变及其与北极海冰变化的联系

利用31a(1979—2009)气候月平均的海平面气压(SLP)资料,提出1种与北半球中高纬度环流转变相适应的分季法。并根据这个客观分季方法,通过SEOF分析,发现大气环流主模态的季节演变有着典型的北极涛动(AO)空间结构,其时间系数在1990年代中期发生转型。500hPa上纬向波的涡度有着南北反位相的分布特征,冬季正涡度的区域对应着气旋性环流,其覆盖范围广,而夏季正涡度区域更偏北,可见AO在冬季增强,夏季减弱。北半球SLP异常的EOF分解第一模态为北极涛动(AO),第二模态是偶极异常(DA);将这2个模态称之为北半球中高纬度大气环流异常的优势模态。通过计算优势模态与海冰面积的超前滞后相关性,发现AO依然是控制海冰变化的前期大气环流异常的模态,而DA则可能是海冰快速变化后期大气环流的主导模态。     

北极海冰对大气环流与气候影响的观测分析和数值试验研究

本文主要根据1953～1977年资料,从观测分析和数值试验两方面研究了北极海冰覆盖面积异常对全球的大气环流和气候、特别是对中国气候的影响,发现北极海冰的影响可与中东赤道太平洋海温异常的影响相比拟,甚或可以超过,指出在气候和长期天气预报研究工作中,极冰变异及其影响需要很好重视。     

200O～2001年冬季北半球大气环流变化对渤海气候及海冰的影响

本文通过对2000－2001年冬季（12－2月）大气环流特征的分析，尤其关于东亚大气活动中心的位置，强度的不同会造成渤海海域气候与冰情的差异，表明由于乌拉尔山和北太平洋两大高压脊的变化，造成亚洲极涡与东亚大槽的加强和减弱，并对渤海气温变化和海冰生消的影响起着直接作用。此外，分析还表明，前期拉尼娜现象可能是造成气候变化的重要原因之一。     

海平面长期变化对东中国海潮波的影响

对1992年10月～2007年9月AVISO高度计融合资料进行分析,得到东中国海海平面变化速率。根据计算出的海平面变化速率,线性外推50和100a后东中国海海平面。采用ECOMSED模式,模拟出当前以及50a,100a后东中国海潮波,分析海平面长期变化对东中国海潮波的影响。结果表明,各分潮振幅、迟角与现有各分潮振幅、迟角之差有一定的分布模式,振幅在大部分地区增大,迟角在大部分地区减小,在深水大洋区振幅和迟角基本不变,无潮点位置相对于现有各分潮无潮点位置均发生偏移。     

白令海和鄂霍次克海的海冰偶极子及其对大气环流的影响

基于海冰历史资料的分析表明,白令海和鄂霍次克海的海冰密集度分布在某些年份表现出反位相变化的特征,尤其以冬季最为明显.合成分析的结果表明这种偶极子型海冰异常可能对大气环流(气温和位势高度)产生一定的影响.利用大气环流模式,在给定理想化的白令海、鄂霍次克海偶极子型海冰异常的情况下,通过20个冬季(1-2月)大气环流模式的集合强迫试验,研究了大气环流对这种偶极子型海冰异常的响应特征,数值试验结果与基于观测资料的合成分析比较一致:低空气温对于偶极子型海冰强迫表现为比较明显的对称性响应,气温变化具有垂直斜压的结构,气温变化主要集中在低空;高空大气温度和各层的位势高度的变化均具有显著的非对称性特征,位势高度的变化具有垂直正压结构.参考已有的理论和模拟研究结果,指出高纬地区低空大气的温度变化受直接热力学调整过程的影响明显,对称性响应分量明显,而高层大气温度和各层的大气位势高度变化是由直接热力学调整和间接动力过程响应所共同控制,非对称分量占主导.     

南极威德尔海区域海冰异常对初夏东亚大气环流和天气影响的数值研究

利用经过改变用于长期数值预报的CCM1(R15L7)模式以1975年1月16日00Z模式适应场为初始场积分5个月,研究南极威德尔海附近(60°W～30°E)海冰的面积异常对东亚初夏环流转换季节的影响.发现当南极海冰偏多时,在亚洲北部冷空气活动在初夏仍然很多,势力还很强,东亚南北两支急流分支仍很明显,各种环流特征更偏向于冬季型,不利于东亚初夏的环流季节转换.海冰异常偏少时则相反,亚洲北部的冷空气活动明显减弱,南方暖气流势力明显加强北移,东亚的两支急流也趋于合并北抬,环流形势更接近于夏季型,海冰的减少促进了东亚初夏的环流季节转换过程.     

大气环流优势模态对北极海冰变化的响应Ⅰ.北极涛动

利用美国冰雪中心海冰密集度数据,分析了1979-2012年北极海冰面积的时间变化特征,发现北极海冰具有显著的年代际变化特征,分别在1997和2007年前后存在两次年代际转型突变点,相应的大气环流优势模态——北极涛动(AO)也存在显著的时空变化。1979-1996年阶段海冰下降趋势较弱并以较强的年际振荡为主,AO模态较强且显示出低频振荡特征;1997-2006年阶段北极海冰快速减退趋势占优,同时伴随着较弱的年际振荡,AO模态减弱且振荡周期缩短;2007-2012年阶段海冰范围较快下降同时具有极强的年际振荡,方差变化是前两个阶段的2~3倍,AO不仅强度加强,空间结构也发生了变化,极涡中心分别向格陵兰岛和白令海峡一侧延伸,这种结构有利于极地冷空气入侵欧洲和北美。利用ECHAM5大气模式进行的数值试验结果也证实了较强振荡的海冰强迫对AO模态的改变具有决定作用。     

东亚春季大气环流及山东4月降水对Nino3区SST变化响应的年代际特征

利用1951～2007年的月平均500hPa高度场、海温场等资料,在定义Nino3区SST变化特征指数(ⅠSSTA)的基础上,利用合成、相关等方法分析了东亚春季500hpa环流及山东4月降水对Nino3区SST变化的响应及其年代际特征,结果表明,东亚500hPa环流对ⅠSSTA升高(降低)有着显著响应且具有明显的年代际...     

空间变化的涡粘系数对线性Munk边界层解的影响(英文)

基于Ｐｅｄｌｏｓｋｙ（１９８７）的线性Ｍｕｃｋ边界层模型,引入一随纬向空间变化的侧摩擦系数ＡＨ（ｘ）,以探讨该参数对西边界流的强化结构的影响。结果发现,在风应力和内区解保持不变的情况下,适中线性变化的ＡＨ（ｘ）会使西边界层内的向北急流和其靠内区一侧的逆流均得到加强。文中还给出摩擦应力、相对涡度及平均动能向涡动能的转化率在西边界层内的分布情况。     

北极地区不同冰龄的海冰厚度变化研究

In this study, changes in Arctic sea ice thickness for each ice age category were examined based on satellite observations and modelled results. Interannual changes obtained from Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite(ICESat)-based results show a thickness reduction over perennial sea ice(ice that survives at least one melt season with an age of no less than 2 year) up to approximately 0.5–1.0 m and 0.6–0.8 m(depending on ice age) during the investigated winter and autumn ICESat periods, respectively. Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System(PIOMAS)-based results provide a view of a continued thickness reduction over the past four decades. Compared to 1980 s, there is a clear thickness drop of roughly 0.50 m in 2010 s for perennial ice. This overall decrease in sea ice thickness can be in part attributed to the amplified warming climate in north latitudes. Besides, we figure out that strongly anomalous southerly summer surface winds may play an important role in prompting the thickness decline in perennial ice zone through transporting heat deposited in open water(primarily via albedo feedback) in Eurasian sector deep into a broader sea ice regime in central Arctic Ocean. This heat source is responsible for enhanced ice bottom melting, leading to further reduction in ice thickness.     

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.     

北极海冰变率的独特模式及其与大气强迫的关系

The spatial structure of the Arctic sea ice concentration(SIC) variability and the connection to atmospheric as well as radiative forcing during winter and summer for the 1979–2017 period are investigated. The interannual variability with different spatial characteristics of SIC in summer and winter is extracted using the empirical orthogonal function(EOF) analysis. The present study confirms that the atmospheric circulation has a strong influence on the SIC through both dynamic and thermodynamic processes, as the heat flux anomalies in summer are radiatively forced while those in winter contain both radiative and "circulation-induced" components. Thus,atmospheric fluctuations have an explicit and extensive influence to the SIC through complex mechanisms during both seasons. Moreover, analysis of a variety of atmospheric variables indicates that the primary mechanism about specific regional SIC patterns in Arctic marginal seas are different with special characteristics.     

350 ka以来北冰洋波弗特环流演变及其沉积响应

波弗特环流(Beaufort Gyre)是决定北冰洋海冰运移方向和滞留时间的主要因素.依据沉积物的颜色旋回、Mn元素含量和有孔虫丰度,本文建立了阿尔法洋脊(Alpha Ridge) B85-D孔轨道尺度上的年龄框架,并深入分析了该孔晚第四纪以来冰筏碎屑(IRD＞154 μm)含量、组分及其源区的变化特点.结果表明,350 ka以来最显著的变化发生在末次冰期(MIS2～4期),期间沉积物中Ca元素和白云石含量都接近于零,大部分来自班克斯岛、维多利亚岛和麦肯齐地区的碳酸盐岩碎屑没有在阿尔法洋脊沉积;随着波弗特环流的消亡,搬运陆源碎屑的海冰很可能沿着北美海岸线直接进入了欧亚海盆.而在末次间冰期(MIS5期),波弗特环流却十分流畅,并将大量碳酸盐岩碎屑限制在美亚海盆内,导致阿尔法洋脊沉积物中Ca元素含量急剧升高,与之对应的白云石含量高达16.4％.通过类比可知,在MIS6期波弗特环流的状态可能与MIS2～4期相似,而在MIS8和MIS10这两大冰期,波弗特环流却类似于MIS5期.显然,波弗特环流的存在与否并不严格遵循“冰期-间冰期”旋回,这种变化很可能是风场强度和海冰浓度双重作用的结果.     

北冰洋高纬度区域海冰及气象特征分析

基于2018年8月至2019年5月布放在北极随海冰漂流的自动气象站和温度链浮标获取的观测数据,分析了北极高纬度区域的大气特征和海冰生消过程。根据海冰的漂移轨迹分为两个阶段分析,第1阶段,海冰主要向东南漂移;第2阶段,海冰主要向东北漂移。第1阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–6.6℃和93%,第2阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–29.3℃和76%,第2阶段平均气压高于第1阶段。海冰的漂移轨迹主要受到波弗特高压外围气流的影响。利用自动气象站漂移轨迹计算得到海冰漂移速度,与美国国家冰雪数据中心海冰漂移速度比较显示,两者纬向速度更为接近。海冰在第1阶段以融化为主,海冰厚度略有减小,8月份海冰生长率为–0.11 cm/d;海冰的生长过程主要发生在第2阶段,1–3月生长率均超过0.9 cm/d,2019年3月海冰生长最快,平均生长率为1.3 cm/d,海冰的增长一直持续至观测结束。     

北极气旋的季节、年际变化及其与北极海冰、大气遥相关的关系

The seasonal and inter-annual variations of Arctic cyclone are investigated. An automatic cyclone tracking algorithm developed by University of Reading was applied on the basis of European Center for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF) ERA-interim mean sea level pressure field with 6 h interval for 34 a period. The maximum number of the Arctic cyclones is counted in winter, and the minimum is in spring not in summer.About 50% of Arctic cyclones in summer generated from south of 70°N, moving into the Arctic. The number of Arctic cyclones has large inter-annual and seasonal variabilities, but no significant linear trend is detected for the period 1979–2012. The spatial distribution and linear trends of the Arctic cyclones track density show that the cyclone activity extent is the widest in summer with significant increasing trend in CRU(central Russia)subregion, and the largest track density is in winter with decreasing trend in the same subregion. The linear regressions between the cyclone track density and large-scale indices for the same period and pre-period sea ice area indices show that Arctic cyclone activities are closely linked to large-scale atmospheric circulations, such as Arctic Oscillation(AO), North Atlantic Oscillation(NAO) and Pacific-North American Pattern(PNA). Moreover,the pre-period sea ice area is significantly associated with the cyclone activities in some regions.     

基于大气海洋多变量与海冰时序特征的北极海冰范围预测研究

随着全球气候变暖加剧,北极地区的大气海洋环境剧烈变化,导致海冰变化更加不稳定,使得海冰预测的难度增大。本研究选择海表温度、2 m平均气温、二氧化碳浓度为大气海洋变量,海冰范围距平为时序特征参数,将上述参量作为北极海冰范围 （Sea Ice Extent,SIE） 的预测要素,建立了面向SIE的多变量长短期记忆 （Long Short Term Memory,LSTM） 神经网络模型,对比分析了2015－2021年不同时间序列预测模型的预测结果。结果显示：本研究所构建模型的RMSE、MAE、MAPE分别为0.353×106 km2、0.261×106 km2和3.191%。相比于其他预测模型,结合大气海洋变量和时序特征参数后的LSTM模型预测结果误差更小,拟合效果更好,可以消除夏季海冰剧烈变化对预测效果的影响,提高海冰范围的预测精度,对北极航道的通航安全保障工作具有重要的研究与应用价值。     

北极海冰与北半球大气环流及气温的相关性分析

利用NASA的北极海冰密集度资料(分辨率1.0°×0.25°,时间1979.10-2002.8)对冬季(12-2月)鄂霍次克海到白令海(42°-66°N、131°-158°W)的海冰场进行EOF分解,得到特征向量的空间分布及时间系数.利用NCEP再分析月资料(分辨率2.5°×2.5°,时间1979-2002年),采用合成分析的方法,分别对该区域海冰分布第一特征向量时间系数超过+0.5和低于-0.5年份做冬季500hPa高度、l000hPa高度、1000hPa气温的合成距平场.分析结果表明该区域的海冰分布与北半球中高纬度的大气环流和气温有显著的关系,同一模态下的海冰分布反位相时对应的大气状况也有明显的相反趋势.