全球变暖背景下北极海冰与东亚冬季风关系的变化及其机制

为了进一步了解全球变暖背景下北极海冰与东亚冬季风的关系及其变化,本文选用东亚冬季风北模态及南模态作为东亚冬季风指数,利用滑动相关分析、回归分析及合成分析研究了全球变暖背景下1953—2021年北极海冰密集度与东亚冬季风关系的变化特征及其机制。结果表明:11月巴伦支海海冰密集度与东亚冬季风北模态之间的关系发生了显著变化,从1962—1977年显著正相关转为1983—1999年显著负相关,2000年以后两者无显著关系。1962—1977年11月巴伦支海海冰偏多对应东亚冬季风偏强,这是大气环流影响海冰的结果,11月的大气环流异常特征维持到了冬季,使得欧亚大陆上空大气呈现出北极涛动(Arctic Oscillation,AO)负位相,在增强东亚冬季风的同时将中高纬大陆干冷空气输送至巴伦支海,在表面风应力的作用下巴伦支海海冰增多。1983—1999年则由前一时期的大气环流影响海冰变为海冰影响大气环流,11月巴伦支海海冰显著减少在冬季激发出了北极涛动负位相,加强东亚大槽及东亚高空西风急流,从而使得东亚冬季风偏强。2000年以后北极海冰与东亚冬季风北模态的关系明显减弱,此时东亚冬季风与北极涛动的负相关关系更为显著。     

Polar WRF模式海冰密集度方案对北极海雾模拟效果的个例研究

全球变暖的背景下,北极航线的常规通航甚至商业运营有望实现,而海雾会严重影响航道上船只的航行安全。海冰的存在使海气之间相互作用变得更为复杂,是研究北极海雾不可忽略的因素。船载观测发现,与中纬度常见平流冷却雾形成时气温下降速度往往超过海水降温速度不同,北极海雾发生时海冰的存在还会使海水降温速度超过空气降温速度。然而目前海冰分布是否会影响模式模拟海雾的准确性还不得而知,因此本文利用Polar WRF（Polar Weather Research and Forecasting）模式模拟了中国第七次北极考察中观测到的一次海雾过程,并进行海冰密集度敏感性试验。通过与船载观测和欧洲中期天气预报中心再分析数据比对发现,在低浮冰区内（海冰密集度小于50%）考虑海冰分布时可以更加准确地刻画潜热通量与水汽通量,模拟出与观测事实相符的表层空气降温与增湿过程以及相对湿度的变化,因此能够更好地刻画海雾的三维结构及其生消演变。     

深度学习方法在北极海冰预报中的应用

在全球气候变暖背景下,北极海冰呈现出逐年消融的趋势.海冰的消融给北极的开发利用带来了重要机遇,例如北极航道通航潜力的显现.但北极航道开通还面临着诸多困难,尤其是海冰变化机理的复杂性和海冰预报的不确定性以及由此带来的航行安全风险.近年来,深度学习因其强大的非线性拟合能力,逐渐在海冰预报领域中崭露头角.本文对近年来深度学习...     

近20 a驱动北极夏季迅速增暖和融冰的自然因素及过程

北极是全球气候系统平衡的重要一环,近20 a全球变暖现象中,北极迅速增温及融冰是最为引人关注的问题之一.人类影响无疑是过去几十年北极变暖背后的最主要的原因及驱动力,但气候系统的内在自然变率对北极的影响也不容忽视.本文指出,北极变暖的自然影响因子有一部分来源于热带太平洋东部海温的变化,热带太平洋通过由东部海温异常所驱动的...     

从2011/2012和2015/2016年冬季大气环流异常看北极海冰以及前期夏季北极大气环流异常的作用

利用美国NCEP/NCAR、欧洲中心ERA-Interim再分析资料,以及英国哈得来中心海冰密集度资料,通过诊断分析和数值模拟试验,研究了2011/2012和2015/2016年两个冬季大气环流异常的主要特征和可能原因。结果表明,尽管热带太平洋海温背景截然不同（分别为弱的拉尼娜事件和强厄尔尼诺事件）,但这两个冬季西伯利亚高压均异常偏强,自1979年以来其强度分别排第1和第5位。前期秋季北极海冰异常偏少是导致这两个冬季西伯利亚高压偏强的主要原因。更为重要的是,前期夏季北冰洋表面反气旋风场,以及其上空对流层中、低层平均气温偏高,加强了北极海冰偏少对冬季大气变率的负反馈,进一步促进了西伯利亚高压的加强,从而有利于东亚地区冬季阶段性强严寒的出现。因此,夏季北极大气环流的动力和热力状态不仅影响夏、秋季北极海冰,而且对海冰偏少影响亚洲冬季气候变率有重要调节作用。2015/2016年冬季强厄尔尼诺事件并不能掩盖来自北极海冰和大气环流的影响。      

秋季北极海冰对EP型ENSO的非线性响应

利用1961—2015年Hadley中心逐月海表温度资料、海冰密集度资料以及NCEP/NCAR再分析资料,探讨了秋季北极海冰对于EP型ENSO事件的异常响应,并进一步研究了这种异常响应的可能原因。结果表明,秋季北极海冰对EP型ENSO的响应具有非线性,特别是喀拉海海域(60°～90°E,70°～80°N)海冰无论在EP型El Ni?o或是La Ni?a位相,均表现为显著的负异常。进一步研究发现,不同ENSO位相造成该区域海冰异常偏少的机制有明显不同。EP型El Ni?o年秋季菲律宾附近海域对流活动被抑制,所激发的经向波列在高纬地区形成异常反气旋环流,其南风分量向喀拉海输送暖平流,造成海冰异常偏少。而EP型La Ni?a年喀拉海海域则主要受到来自大西洋开放性海域西风异常的影响,合成结果和个例年均显示EP型La Ni?a年秋季北大西洋上空存在一个显著的西风急流中心,有利于北大西洋开放性海域较暖海水向下游输送,进而影响喀拉海海冰。这些结果表明,热带外地区大气环流场对EP型ENSO的非线性响应导致了喀拉海海冰对EP型ENSO事件的响应也表现出明显的非线性。     

Relationship between Arctic sea ice thickness distribution and climate of China

Based on the simulated ice thickness data from 1949 to 1999,monthly mean temperature data from 160 stations,and monthly mean 1 × 1 precipitation data reconstructed from 749 stations in China from 1951 to 2000,the relationship between the Arctic sea ice thickness distribution and the climate of China is analyzed by using the singular value decomposition method.Climate patterns of temperature and precipitation are obtained through the rotated empirical orthogonal function analysis.The results are as follows.(1) Sea ice in Arctic Ocean has a decreasing trend as a whole,and varies with two major periods of 12-14 and 16-20 yr,respectively.(2) When sea ice is thicker in central Arctic Ocean and Beaufort-Chukchi Seas,thinner in Barents-Kara Seas and Baffin Bay-Labrador Sea,precipitation is less in southern China,Tibetan Plateau,and the north part of northeastern China than normal,and vice versa.(3) When sea ice is thinner in the whole Arctic seas,precipitation is less over the middle and lower reaches of Yellow River and north part of northeastern China,more in Tibetan Plateau and south part of northeastern China than normal,and the reverse is also true.(4) When sea ice is thinner in central Arctic Ocean,East Siberian Sea,Beaufort-Chukchi Seas,and Greenland Sea;and thicker in Baffin Bay-Labrador Sea,air temperature is higher in northeastern China,southern Tibetan Plateau,and Hainan Island than normal.(5) When sea ice is thicker in East Siberian Sea 5 months earlier,thinner in Baffin Bay-Labrador Sea 7-15 months earlier,air temperature is lower over the north of Tibetan Plateau and higher in the north part of northwestern China than normal,and a reverse correlation also exists.     

北极海冰及其与气象要素年际关系的年代际变化

利用Hadley海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系的年代际变化。结果表明,北极海冰存在显著的年代际变化,且有较强的区域性。东西伯利亚海和波弗特海海冰融冰量的平均值变大且方差增大,格陵兰岛以东洋面海冰融冰量的量值和变率均在减弱。对3个不同气候时段内北极海冰融冰量进行EOF分解,前两个模态均在3个气候时段发生显著的年代际变化,东西伯利亚海海冰融冰量的增加与EOF第一模态年代际变化相关,而EOF第二模态则明显造成了波弗特海海冰的年代际消融。并且,与之相应的大气环流也出现了明显的年代际变化,它们与AO/NAO的年际关系也存在年代际转折,融冰量第二模态与AO的年际关系更为紧密,1960—1990年第二模态与AO的相关系数仅为0.186,而1980—2010年相关系数已升高至0.367。整个北冰洋的海冰融冰量与AO的年际关系也出现了年代际增强,尤其是东西伯利亚地区海冰融冰量与AO的年际关系发生了年代际增强,1980—2010年两者相关达到了0.4以上。而波弗特海融冰量与AO相关系数变化较大,1960—1990年其的相关系数高达-0.488,1980年后却减少至0.161。然而AO却未发生明显的年代际变化。造成北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系发生年代际变化的主要因子之一是波弗特高压,其年代际减弱使得极区向东西伯利亚海和波弗特海的海冰输送减弱,导致这两个区域海冰减少,使得AO与北极海冰的年际关系发生了年代际转折。     

BCC_CSM北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候模拟的影响

国家气候中心气候系统模式(BCC_CSM)将美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0替代原有的海冰模式SIS,形成一个新版本耦合模式,很好地提高了模式对北极海冰和北极气候的模拟能力.在此基础上,本文评估新耦合模式对1985-2014年东亚冬季气候的模拟性能,检验北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候...     

北极海冰年际变化对东亚中纬度夏季陆面热力异常的指示作用及其可能原因

本文分析了夏季东亚中纬度近地面温度和春、夏北极海冰时空变化特征,探讨了格陵兰海、巴伦支海海冰异常变化与夏季东亚中纬度陆面热力异常在年际上的可能联系。结果表明:(1)1950—2014年,东亚中纬度夏季近地面温度明显增暖,并伴有明显的年际变化,年际变率最大值的区域主要位于40°N以北至贝加尔湖地区;春、夏格陵兰海和巴伦支海的海冰也呈现明显的减少趋势,同时表现出较强的年际变化特征。(2)春、夏格陵兰海、巴伦支海海冰异常对东亚中纬度夏季陆面热力异常具有一定的指示作用:春、夏格陵兰海、巴伦支海海冰异常偏多,通常对应夏季东亚中纬度近地面的东亚中纬度夏季增暖现象;反之亦然。(3)春、季格陵兰海、巴伦支海北极海冰指数(Arctic Sea Ice Index,ASII)高值年(海冰异常偏多年份),贝加尔湖及西南的蒙古高原地区通常为大范围的异常高压控制,有利于近地面温度升高;同时由于乌拉尔山阻塞高压减弱,极地南下的冷空气减弱,有利于东亚中纬度区域的温度升高。而ASII低值年的情形则相反,贝加尔湖以南地区受异常低压控制,乌拉尔山阻塞高压增强,冷空气易向南侵袭,不利于东亚中纬度近地面升温。     

北极增幅性变暖对欧亚大陆冬季极端天气和气候的影响:共识、问题和争议

北极增幅性变暖和北极海冰快速减少不仅使北极气候系统成为国际前沿性问题,且对其导致的中纬度极端天气气候的影响研究也备受关注,这一研究成为目前少数几个最活跃的气候研究领域之一。本文回顾了这一研究领域的早期探索,总结了最新的科学假设和科学问题、研究的进展、目前的共识以及亟待解决的问题和主要争论。最后提出了未来取得新进展的共性问题。     

1981—2018年中国东北地区秋冬季霾日变化及其与北极海冰的关系

利用中国东北地区1981—2018年166个地面气象观测站资料,定义了中国东北地区秋冬季霾日指数,分析了年际尺度上该地区霾日数与同期大气环流异常的内在关系。结果表明：中国东北地区秋冬季霾日指数存在显著的年际变化特征,欧亚—太平洋遥相关型(Eurasia-Pacific Teleconnection Pattern, EUP)负位相、东亚大槽偏弱等大气环流异常配置导致中国东北地区秋冬季霾的发生频次增加。巴伦支海与喀拉海北部海域是影响中国东北地区秋冬季霾日年际变化的海冰关键区,该区域海冰面积与霾日数呈显著负相关,北极海冰通过改变大气环流间接影响中国东北地区秋冬季霾日发生频次,当北极海冰异常偏少时,东亚冬季风偏弱,近地面风速偏低,环境湿度偏高,中国东北地区受东北亚异常反气旋西侧的异常偏南风控制,且受“EUP”负位相模态影响,东亚大槽减弱,有利于大气污染物和水汽向中国东北地区输送,该地区秋冬季霾的发生频次增加。     

不同类型ENSO事件对初冬北极海冰的影响

基于1951—2019年NCEP/NCAR再分析资料、Hadley环流中心海温、海冰密集度资料,通过合成分析和诊断温度异常方程,研究不同类型ENSO对初冬北极海冰的影响。结果表明,EP La Ni1a发展年初冬(11—12月),巴伦支—喀拉海海冰异常减少;CP La Ni1a发展初冬,巴伦支—喀拉海海冰异常增加。EP和CP型El Ni1o对初冬北极海冰的影响类似：格陵兰海海冰异常减少,而哈德逊—巴芬湾海冰异常增加。不同类型ENSO对初冬北极海冰的影响主要通过产生不同的大气遥相关,引起同期和前期的海表气温异常而实现。     

海冰覆盖度变化下北冰洋海浪研究进展

北冰洋地区海浪的生成和发展会受到海冰范围变化的显著影响.本文介绍了近年来基于浮标、潜标和走航观测,以及卫星遥感和数值模拟等方法开展的不同海冰覆盖度下北冰洋海浪的研究进展,包括海冰覆盖区海浪的传播机制等.北冰洋夏季开阔海域的平均有效波高可达3 m,在风暴期间,波弗特海有效波高可达5 m.除大西洋一侧,夏季北冰洋大部分海域...     

Vertical Heat Transfer in the Lower Atmosphere over the Arctic Ocean During Clear-sky Periods

A diagnostic study of heat transfer within the lower atmosphere and between the atmosphere and the surface of the Arctic Ocean snow/ice pack during clear-sky conditions is conducted using data from the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA) field experiment. Surface heat budgets computed for four cloudy and four clear periods show that, while the net turbulent heat fluxes at the surface are small during the cloudy periods, during the clear-sky periods they are a considerable source of surface heating, balancing significant portions of the conductive heat fluxes from within the snow/ice pack. Analysis of the dynamics and thermodynamics of the lower atmosphere during the clear-sky periods reveals that a considerable portion of the heat lost to the surface by turbulent heat fluxes is balanced by locally strong heating near the atmospheric boundary-layer (ABL) top due to the interaction of subsiding motions with the strong overlying temperature inversions surmounting the ABL. This heat is then entrained into the ABL and transported to the surface by turbulent mixing, maintained by a combination of vertical wind shear and wave-turbulence interactions. The frequency of stable, clear-sky periods, particularly during the winter, combined with these results, suggests that the downward transfer of heat through the lower atmosphere and into the surface represents an important component of the heat budgets of the lower atmosphere and snow/ice pack over the annual cycle     

秋季北极海冰对中国冬季气温的影响

利用海冰资料、中国地面气候资料、环流特征量资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了秋季北极海冰变化对中国冬季平均气温、日气温变率以及异常低温天气的影响。分析结果表明,秋季北极海冰异常偏多年中国冬季常为暖冬;异常偏少年中国冬季常为冷冬,且异常低温天气出现频率更高,常发生低温灾害事件。秋季北极海冰通过影响后期的北半球极涡、东亚冬季风和西伯利亚高压进而影响中国冬季的平均气温,且通过影响冬季异常强西伯利亚高压的出现频次,影响中国冬季异常低温天气的发生频次。合成分析结果表明,秋季北极海冰异常偏少年的冬季,中国以北亚欧大陆高纬度的偏北风较强,且中国及其以北的中高纬度地区空气异常偏冷,导致极地和高纬度的冷空气易向南爆发,造成中国冬季气温偏低,异常低温天气频发。     

CICE海冰模式中反照率相关参数对北极海冰模拟的影响

国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0最新耦合了美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0,为试验模式中与反照率相关参数的敏感性及其对模拟结果的影响,提高模式对北极海冰的模拟能力,选取海冰模式中3个主要参数进行了敏感性试验。利用以BCC_CSM2.0耦合框架为基础建立的海冰-海洋耦合模式,选取CORE资料为大气强迫场开展试验,试验的3个参数分别为冰/雪表面反射率、雪粒半径和雪粒半径参考温度。结果表明,参数取值的不同对北极海冰的模拟有显著的影响,优化后的取值组合极大提高了模式的模拟能力,主要表现在:（1）改善了对北极冬季海冰厚度的模拟,海冰厚度增大,与观测资料更为吻合;（2）显著提高了对北极夏季海冰密集度的模拟能力,从而模拟的北极海冰范围年际循环与观测更为一致。参数取值的优化改进了模式对海冰反照率的模拟,进而影响了冰面短波辐射的吸收和海冰表层的融化,最终提高了模式对海冰密集度和厚度的模拟效果。      

中国北方暴雪的年代际变化及其与大气环流和北极海冰的联系

采用相关、回归等统计方法,对中国北方暴雪的年代际变化特征及其与大气环流和北极海冰的联系进行探讨。结果表明:中国北方冬季暴雪发生频次较高区域主要位于东北,在空间分布上呈现由西北向东南增加的态势,且存在明显的年代际变化特征:1965—1980年为东北暴雪少发期; 2002—2011年为东北暴雪多发期。分析表明:暴雪少发期,输送至东北的水汽较少;暴雪多发期,更多的水汽输送来自于西北太平洋,同时偏北气流引导的极地冷空气与偏南风引导的太平洋暖湿空气在东北地区汇合,提供暴雪频发的动力条件,造成东北暴雪出现年代际增多。此外,研究发现:前期秋季北极海冰的年代际减少与东北暴雪的年代际增加存在很好的相关性;秋季北极海冰异常偏少导致的大气环流异常主要表现为纬向西风减弱和NAO负位相,由此导致大气经向活动增强,利于极地冷空气向南入侵,且冷空气与暖湿空气在东北地区汇合,这是东北暴雪年代际增加的重要原因之一。     

冬季北极涛动对西伯利亚高压、东亚冬季风以及海冰范围的可能影响

利用NCEP／NCAR月平均再分析资料（1958－1997），月平均海表面温度资料（1950－1992）以及月的海冰密集度资料（1953－1995），研究了冬季北极涛动与西伯利亚高压、东亚冬季风以及巴伦支海海冰范围之间的联系。研究结果表明，冬季北极涛动不仅影响北极和北大西洋区域气候变化，并且可能影响冬季西伯利亚高压，进而影响东亚冬季风。当冬季北极涛动处于正位相时，冬季西伯利亚高压和东亚冬季风都偏弱，在西伯利亚南部和东亚沿岸，包括中国东部、韩国和日本，从地表面到对流层中部气温偏高0.5-2℃。当冬季北极涛动处于负位相时，结果正相反。研究结果还表明，冬季西伯利亚高压对北极以及北大西洋区域气候变化没有显的影响，与北极涛动的影响相比，西伯利亚的影响强度和范围明显偏弱。研究进一步揭示了冬季北极涛动可能影响西伯利亚高压的可能机理。冬季西伯利亚高压与动力过程以及从地表面到对流层中部的气温变化有密切的关系。西伯利亚高压的西部变化主要依赖于动力过程，而其东部与气温变化更为密切。冬季西伯利亚高压的维持主要依赖于对流层中的下沉气流，这种下沉气流源于北大西洋区域，其变化受到北极涛动的影响。当冬季北极涛动处于正（负）位相时，气流的下沉运动明显减弱（增强），进而影响冬季西伯利亚高压。此处，冬季北极涛动对同时期的巴伦支海海冰范围有显的影响。     

2012年1月、2016年1月东亚两次极端严寒事件及其与北极增暖的可能联系

自20世纪80年代后期以来,我国频繁出现暖冬,直到2004年以后这种状况出现明显的变化,冷冬出现的频次明显增多了。在全球增暖、北极海冰减少明显的背景下,冬季极端严寒的强度非但没有减弱反而似乎还在增强,造成灾害性的影响也越发引人关注。在上述背景下,2012年1月、2016年1月在东亚发生了两次极端严寒事件。本文的目的就是通过合成和相关分析,研究这两次极端严寒事件演变的主要特征,及其与北极增暖的可能联系。这两次极端严寒事件的环流演变截然不同。对于2012年1月的极端严寒事件,海平面气压异常主要呈现由东向西传播,在演变过程中,阿留申区域海平面气压超前西伯利亚高压,因此大气环流的下游效应起主要作用。对于2016年1月的极端严寒事件,冷空气主要由西北向东南传播。两次极端事件的主要降温区域的移动路径截然不同。2012年1月冷空气爆发以后主要在亚洲大陆中、高纬度维持并向西传播,其南传影响亚洲低纬度区域明显弱于2016年的冷事件。而2016年1月的主要降温区以沿东亚向南移动为主,强降温区直接南下至热带区域。两次极端严寒事件爆发前期大气环流演变的共同点:中、高纬度区域环流能量交换活跃,表现为中纬度高度脊加强北伸,从而把较低纬度的暖空气输送至北极区域,高纬度区域对流层中层呈现多极结构。这种多极空间结构是亚洲冷空气向南爆发的重要前兆信号。冬季北极阶段性增暖过程首先是中纬度高度脊加强北伸的结果。对影响东亚的极端严寒过程,乌拉尔附近区域的高压脊以及位于北美西部的高压脊加强北上、协同演变是至关重要的。2016年1月东亚极端严寒过程与2015年12月末北极快速增暖没有必然联系。