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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

北极秋季海冰密集度与中国初冬降雨之间的关系

本文通过对中国地区实测降水及北极海冰卫星数据的分析,研究了北极秋季海冰密集度与中国初冬降雨的关系。合成分析的研究结果表明2000年之前中国南方和北方冬季降水偏少,中部降水偏多,这之后中国南方和北方冬季降水增加,中部降水减少。SVD研究结果显示,北极海冰减少使得近三十年来中国南方和北方冬季降雨呈现逐渐增多,中部地区(从青藏高原向东北方向至日本)降雨逐步减少的趋势。随着北极海冰的进一步减少,如遇合适的气候条件,南方冻雨出现的概率会加大。北极秋季海冰异常的回复过程加之冬季海冰异常的延续信号在中国、蒙古及日本北部激发一个阻塞高压,以巴伦支海/卡拉海为中心激发一个异常低压。这使得来自北冰洋大西洋扇区的冷空气南下至欧洲大陆和亚洲北部,在阻塞高压的影响下,冷空气进一步南下,进入东亚地区。这不仅使得亚洲冬季温度降低,也为中国北部降水增加提供条件。     

2013年北极最小海冰范围比2012年增加的原因分析

北极海冰范围从1979年有卫星观测资料以来呈现明显下降趋势,尤其是9月份。2012年9月北极海冰范围达到有观测记录以来的最小值,而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的区域主要在东西伯利亚海区、楚科奇海和波弗特海区。本文应用距平和经验模态分解方法,分析了美国国家冰雪数据中心的北极海冰卫星数据、欧洲预报中心的夏季底层大气环流数据和上层海洋的温度,指出2013年北极最小海冰范围比2012年在北冰洋太平洋扇区增加的原因,是由于表面气温(SAT)降低、海平面气压(SLP)升高、气旋式风场异常、表面空气中水汽含量(SH)降低以及海表面温度(SST)降低5个条件形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3个正反馈机制共同作用造成的。     

热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响

本文利用1950-2015年间Hadley环流中心海冰和海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响,并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制。结果表明,在ENSO事件发展年的夏、秋季节,EP型与CP型El Niño事件与北极海冰异常的联系无明显信号。而La Niña事件期间北极海冰出现显著异常,并且EP型与CP型La Niña之间存在明显差异。EP型La Niña发生时,北极地区巴伦支海、喀拉海关键区海冰异常减少,CP型La Niña事件则对应着东西伯利亚海、楚科奇海地区海冰异常增加。在EP型La Niña发展年的夏、秋季节,热带太平洋海温异常通过遥相关波列,使得巴伦支海、喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似AO正位相的结构,形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入,同时造成暖平流,偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入,使得巴伦支海、喀拉海海冰异常减少。而在CP型La Niña发展年的夏季,东西伯利亚海、楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响,以异常北风分量占主导,将海冰从极点附近由北向南输送到关键区,海冰异常增加,而净表面热通量的作用较小。     

盛夏北极边缘海冰与来年冬季NAO之联系

许多研究认为,只有北大西洋涛动(NAO)是一种具有物理意义的模态,而北极涛动(AO)则是EOF分解得到的一种统计假象模态。为了从一个新的角度进一步探讨二者的差别,我们运用附条件的最大协方差分析(CMCA)统计了前期北极边缘海冰密集度(MSCI)与来年冬季NAO之间的跨季节遥相关关系,其中的ENSO信号和线性趋势已经在分析之前被去除。统计显著性结果表明:冬季负位相的NAO信号可以追溯到6个月前自盛夏开始至早冬季节北极MSCI异常的逐步演变。然而根据先前的研究,北极海冰异常仅可以超前冬季AO 大概4个月表现出显著信号。这表明盛夏北极MSCI的持续异常对来年冬季NAO的影响比对AO更强,同时也从另一个角度证实了AO与NAO确实存在差异。进一步分析还表明,前期MSCI异常的逐步演变主要与海表面热通量及气温异常有关。此外,我们还重新审视了负位相的NAO对北半球冬季气候异常的影响以及可能的物理机制。     

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。     

1983–2022年南极夏季海冰区反照率的反转变化特征分析

海冰区反照率会影响辐射收支平衡,对全球气候变化有着重要影响。利用遥感反演的反照率数据产品分析了1983–2022年南极及其6个海域夏季海冰区反照率的时空变化,探讨了海冰密集度、气温和大气环流与海冰区反照率的关系。结果表明,卫星反演的南极夏季海冰区反照率与实测反照率结果一致。西威德尔海海冰区多年平均反照率最高（0.61）,罗斯海最低（0.45）。南极夏季海冰区反照率经历了先上升（1983–2015年）后快速下降（2015–2022年）的变化。除了别林斯高晋海–阿蒙森海海冰区反照率前后两个时段均下降外,其余5个海域和南极一样出现了变化趋势的反转。南极海冰区反照率与海冰密集度显著正相关,而与气温显著负相关。1983–2015年夏季气温降低,海冰消融减弱,海冰密集度微弱上升（0.03%/a）,海冰面积平均每10年增加2.07 × 10⁵ km²,导致反射的太阳辐射增多,反照率也微弱上升。2015–2022年夏季气温升高,海冰消融加剧,冰间水道和开阔水域增多,海冰密集度下降,海冰区吸收更多的太阳辐射,造成反射辐射减小,因而海冰区反照率快速下降。此外,南极环状模也是影响罗斯海和威德尔海海冰区反照率变化的因素之一。     

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。     

全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951−2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

北极海冰密集度预报对大气强迫敏感性的个例研究

A regional Arctic configuration of the Massachusetts Institute of Technology general circulation model （MIT-gcm） is used as the coupled ice-ocean model for forecasting sea ice conditions in the Arctic Ocean at the Na-tional Marine Environmental Forecasting Center of China （NMEFC）, and the numerical weather prediction from the National Center for Environmental Prediction Global Forecast System （NCEP GFS） is used as the atmospheric forcing. To improve the sea ice forecasting, a recently developed Polar Weather Research and Forecasting model （Polar WRF） model prediction is also tested as the atmospheric forcing. Their forecasting performances are evaluated with two different satellite-derived sea ice concentration products as initializa-tions： （1） the Special Sensor Microwave Imager/Sounder （SSMIS） and （2） the Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS （AMSR-E）. Three synoptic cases, which represent the typical atmospheric circulations over the Arctic Ocean in summer 2010, are selected to carry out the Arctic sea ice numerical forecasting experiments. The evaluations suggest that the forecasts of sea ice concentrations using the Polar WRF atmo-spheric forcing show some improvements as compared with that of the NCEP GFS.     

基于高效统计模型预测9月北极航道沿线海冰范围

The rapid decrease in Arctic sea ice cover and thickness not only has a linkage with extreme weather in the midlatitudes but also brings more opportunities for Arctic shipping routes and polar resource exploration, both of which motivate us to further understand causes of sea-ice variations and to obtain more accurate estimates of seaice cover in the future. Here, a novel data-driven method, the causal effect networks algorithm, is applied to identify the direct precursors of September sea-ice extent covering the Northern Sea Route and Transpolar Sea Route at different lead times so that statistical models can be constructed for sea-ice prediction. The whole study area was also divided into two parts: the northern region covered by multiyear ice and the southern region covered by seasonal ice. The forecast models of September sea-ice extent in the whole study area(TSIE) and southern region(SSIE) at lead times of 1–4 months can explain over 65% and 79% of the variances, respectively,but the forecast skill of sea-ice extent in the northern region(NSIE) is limited at a lead time of 1 month. At lead times of 1–4 months, local sea-ice concentration and sea-ice thickness have a larger influence on September TSIE and SSIE than other teleconnection factors. When the lead time is more than 4 months, the surface meridional wind anomaly from northern Europe in the preceding autumn or early winter is dominant for September TSIE variations but is comparable to thermodynamic factors for NSIE and SSIE. We suggest that this study provides a complementary approach for predicting regional sea ice and is helpful in evaluating and improving climate models.     

Spatio-temporal analysis of the melt onset dates over Arctic sea ice from 1979 to 2017

The melt onset dates(MOD) over Arctic sea ice plays an important role in the seasonal cycle of sea ice surface properties, which impacts Arctic surface solar radiation absorbed by the ice-ocean system. Monitoring interannual variations in MOD is valuable for understanding climate change. In this study, we investigated the spatio-temporal variability of MOD over Arctic sea ice and 14 Arctic sub-regions in the period of 1979 to 2017 from passive microwave satellite data. A set of mathematical and ...     

Heat and Freshwater Budgets and Pathways in the Arctic Mediterranean in a Coupled Ocean/Sea-ice Model

The Arctic Mediterranean is important for climate studies because of its unique thermodynamic characteristics and its potential role in freshwater export, which would influences air-sea and ice-sea interactions and may change the North Atlantic thermohaline circulation. It is difficult to obtain consistent and complete estimates of heat and freshwater budgets due to sparse observation. In this paper, we use a coupled Arctic ocean/sea-ice model with NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) reanalysis data, long-term gauged river runoff data, precipitation data and estimates of volume transports to examine heat and freshwater budgets and pathways in dynamically and thermodynamically consistence. The model implements Neptune effect, flux-corrected-transport algorithm and more sophisticated treatments of heat and freshwater fluxes. Uncertainties and deficiencies in the modeling were also evaluated. Results indicate that the Arctic Ocean is provided heat mainly from the Fram Strait branch of Atlantic water at about 46 TW, which is within the range in literature. The Barents Sea branch carries about 43 TW of net heat entering the Barents Sea, but only 2 TW of net heat enters the Arctic Ocean. The Atlantic water is significantly modified in the Barents Sea. About 39 TW of heat is lost, which is consistent with the range of estimates by Simonsen and Haugan (1996). The model suggests 79,422 km³ of freshwater storage mainly distributing the Canada Basin, the Beaufort Sea and the Eurasian coast, which is in a good agreement with estimate by Aagaard and Carmack (1989). Freshwater origins from river runoff, precipitation and the Bering Strait throughflow. Liquid freshwater mainly exports via the Canadian Archipelago and Fram Strait at the rates of 3100 km³/yr and 1400 km³/yr. Sea-ice is dominantly transported through Fram Strait with 1923 km³/yr. Model discrepancies exist and climate drift is clear, which require comprehensive physical treatments of mixing processes and dense water processes in the model.     

利用综合评分方法评估CMIP5模式对北极海冰的模拟能力

北极海冰冰盖自20世纪以来经历了前所未有的缩减,这使得北极海冰异常对大气环流的反馈作用日益显现。尽管目前的气候模式模拟北极海冰均为减少的趋势,但各模式间仍然存在较大的分散性。为了评估模式对于北极海冰变化及其气候效应的模拟能力,我们将海冰线性趋势和年际异常两者结合起来构造了一种合理的衡量指标。我们还强调巴伦支与卡拉海的重要性,因为前人研究证明此区域海冰异常是近年来影响大尺度大气环流变异的关键因子。根据我们设定的标准,CMIP5模式对海冰的模拟可被归为三种类型。这三组多模式集合平均之间存在巨大的差异,验证了这种分组方法的合理性。此外,我们还进一步探讨了造成模式海冰模拟能力差别的潜在物理因子。结果表明模式所采用的臭氧资料集对海冰模拟能力有显著的影响。     

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。