20世纪90年代以来北极海冰减少的热动力分析——基于PIOMAS模式结果

本文利用美国华盛顿大学的PIOMAS海冰模式输出结果,分析了20世纪90年代以来北极海冰减少的动力和热力过程的特征,并探讨了海冰减少与北极大气环流模态之间的关系。结果表明:（1）通过弗拉姆海峡输出的多年冰的厚度自1995年以来有显著减少;（2）海冰的热力过程在20世纪90年代以后特别是21世纪以来是海冰减少的主导因素;（3）大气模态中的北极涛动（AO）和北极偶极子（AD）均对北极海冰的动力输出有影响,各自与海冰输出量的相关关系显著,并且AO和AD的多元线性回归能很好的拟合出海冰输出量的减少。     

极地海冰异常对我国夏季大气环流和降水影响的数值研究

利用全球大气环流谱模式分别进行了南极和北极海冰面积异常偏大和偏小的数值试验，对６－８月的结果进行了对比分析，讨论了极地海冰异常对我国夏季大气环流和降水的可能影响。结果表明，南极或北极海冰面积异常偏大，则我国夏季风变弱，特别蝇使得南亚高压、西北太平洋副热带高压等减弱。南极海冰面积偏大使得我国黄河－长江－带地区降水减少，北极海冰面积偏大，造成我国东部地区的降水量有所减少，模拟结果与统计分析相一致。可同     

Delving into the relationship between autumn Arctic sea ice and central–eastern Eurasian winter climate

北极海冰的快速减少是否已经显著地影响了最近中纬度大陆冬季极端天气气候事件引起了气候学家的广泛争论。问题的争论是来源于观测数据的年限很短以及中高纬度复杂的内部变率。在本研究中,采用气候突变检测的方法,我们将秋季海冰覆盖面积的变化分为三个阶段:1979–1986(高海冰阶段),1987–2006(海冰缓慢减少阶段)和2007–2014(海冰快速减少阶段)。然后,我们分析了与每一个阶段秋季海冰变化相联系的中-东欧亚地区冬季气候(尤其极端天气事件)是什么。结果表明北极海冰减少对西伯利亚西部和东亚极端天气事件影响的信号是稳健可测的。伴随着海冰的快速减少,高低空急流速度的减弱和急流位置的南移;波动振幅的加强、乌拉尔山阻塞频率的增多。这些导致了寒潮事件从亚洲中部到中国东北部地区显著增多。并且,与北极海冰的快速减少相关的环流异常与观测到的环流异常基本一致。相反地,在高海冰阶段,与海冰相关的环流异常和观测的异常并不一致。这个阶段的环流异常是与北极涛动处于持续的负位相有关的。     

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。     

中国夏季高温与北极海冰的联系特征

为研究前期以及同时期北极海冰异常对中国夏季高温的影响,根据近50年来中国160个台站的夏季高温资料以及近50年来的北极海冰资料,用SVD诊断分析方法,提取出两场相关最强,协方差最大的三个时次--分别为同期、海冰超前夏季高温9个月和超前13个月.分析研究表明:当北极海冰发生异常时,中国夏季高温异常的响应是滞后的,尤其是滞后9个月、13个月时;北极海冰在1978-1979年突然异常减少,且1979年以后维持海冰偏少的态势;当前期或同时期的北极海冰出现异常增多(减少)时,在中国夏季高温场上的响应以"南区"、"北区"夏季高温异常偏低(偏高),与海冰变化反位相;"中区"夏季高温异常偏高(偏低),与海冰变化同位相.     

北极海冰融化影响东亚冬季天气和气候的研究进展以及学术争论焦点问题

北极历来是影响东亚冬季天气、气候的关键区域之一。北极表面增暖要比全球平均快2~3倍,即所谓北极的放大效应。随着全球增暖的持续以及北极海冰的持续融化,北极的生态环境正在发生显著的变化,进而可能对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。本文概述了有关北极海冰融化影响冬季东亚天气、气候的主要研究进展,特别是自2000年以来,北极海冰异常偏少影响东亚冬季气候变率以及极端严寒事件的可能途径、存在的科学问题,以及学术界的争论焦点。秋、冬季节是北极海冰快速形成时期,此时北极海冰对大气环流的影响要强于大气对海冰的影响。近二十年来的研究结果表明,北极海冰异常偏少,不仅影响北冰洋局地的气温和降水变化,而且通过复杂的相互作用和反馈过程,对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。北极海冰通过以下两个可能机制来影响东亚冬季的天气、气候:（1）北极海冰的负反馈机制;（2）由海冰异常偏少引起的平流层-对流层相互作用机制。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,特别是,巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少,既可以加强冬季西伯利亚高压（东亚冬季风偏强）,也可以导致冬季风偏弱。导致海冰影响不确定性的部分原因是:（1）夏季北极大气环流状态影响北极海冰异常偏少对冬季大气环流的反馈效果;（2）冬季大气环流对北极海冰异常偏少响应的位置、强度不同造成的。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,在适宜的条件下（例如,前期夏季北极大气环流的热力和动力条件,有利于加强北极海冰偏少对冬季大气的反馈作用）,可以激发出有利于冬季亚洲大陆极端严寒过程的大气环流异常。目前学术界争论焦点主要集中在以下两个方面:（1）关于北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响的争论;（2）关于1980年代后期以来,冬季欧亚大陆表面气温呈现降温趋势的原因。目前,有关北极海冰融化影响冬季欧亚大陆次季节变化以及极端天气、气候事件的过程和机制,我们认知非常有限,亟需开展深入细致的研究。     

北极海冰“强信号”影响域

冰冻圈作为下垫面的一个重要组成部分 ,与大气处于不断的相互作用过程中。文中主要研究了北极海冰与中国华北地区降水的关系。研究结果揭示了中国区域与北半球季尺度气候变异前期北极海冰“强信号”现象。探讨了中国华北地区旱涝前期北极海冰特征 ,比较了华北旱涝前期北极海冰相关区域特征分布 ,并揭示出北极海冰“强信号”区与中国区域夏季降水的相关分布 ,分析了北极海冰“强信号”区对华北地区夏季旱涝影响的动力结构特征。     

南、北极海冰的长期变化趋势及其与大气环流的联系

采用南、北极海冰面积指数 1°× 1°经纬度格点资料及海平面气压资料 ,运用多种统计方法 ,研究了南、北极海冰的长期变化趋势、突变特征及其与大气环流的联系 ,发现近年来南极冬、春、秋季海冰逐渐减少 ,夏季海冰逐渐增加 ;北极春、夏、秋季海冰均不同程度地减少 ,冬季海冰变化趋势不明显 ;南、北极各季海冰的年际变化均存在一定的突发性 ,大气环流在海冰突变年前后有显著的差异     

北极海冰的气候变化与20世纪90年代的突变

应用英国Had ley气候研究中心1968~2000年的1°×1°的北半球逐月海冰密集度资料,使用EOF分解等统计方法,探讨北极海冰的气候变化趋势、海冰的突变、海冰的季节持续性和各季的特色。结果表明:(1)自1968年以来,北极海冰的减小是北半球海冰变化的总趋势;海冰的趋势变化在海冰的年际总变化中占有相当重要的地位,可达50%左右。冬春季主要减少区域在格陵兰海、巴伦支海和白令海;夏秋季海冰减少是唯一趋势,中心在北冰洋边缘的喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海、波弗特海。(2)20世纪80年代中后期北极海冰已出现减小趋势,在20世纪90年代,海冰又出现范围和面积的突然减少,中心在格陵兰海和巴伦支海;即海冰减少是加速的,其变化程度已远远超过一般的自然变化。(3)海冰有很好的季节持续性,有很强的隔季相关,也有较好的隔年相关;各季节海冰分布型之间有很好的联系,表现为海冰分布型的总体变化趋势是一致的,在海冰的减少中也体现了分布型的特征。     

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。     

北极海冰及其与气候变化的关系研究进展

简要介绍国内外关于北极海冰及其与气候变化的关系:北极海冰面积变化的时空分布特征,大气对北极海冰面积变化的影响,以及北极海冰面积异常与气候变化的关系。其中北极海冰面积异常与气候变化的关系研究主要是基于遥相关型、三大涛动、季风系统和冰-海-气耦合系统等几方面的研究。结果可供基层台站寻找影响当地区域气候变化的北极海冰“强信号”域。

     

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。      

北极海冰变化及其与中国秋季气温的相关分析

采用Hadley中心1953年1月—2003年2月逐月1°×1°海冰密集度资料和中国1951年1月—2001年2月160站逐月气温资料,对北极海冰的4个区域进行了研究,并考察了主要影响区与我国秋季气温的关系。结果表明:近50 a北极各区海冰在不同季节几乎都有显著的线性下降趋势,欧洲部分减少最快;海冰突变开始时间不同,春夏季大约在20世纪70年代、秋冬季在80年代左右;各区域海冰周期变化具有年代际特征,同时又有显著的季节差异和地域特性。主要影响区海冰与我国秋季气温的显著相关区在河套、长江中游和新疆的部分地区。不同区域海冰的显著相关时段不同,基本集中在海冰超前气温1~2 a的时间里。     

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...     

冬季北极海冰运动主模态的构成及其与海平面气压变化的关系

利用国际北极浮冰运动观测资料（IABP）（1979-1998）以及NCEP／NCAR月平均海平面气压再分析资料（1960-2002）,通过求解海冰运动异常的复斜方差矩阵,研究了冬季北极海冰运动主模态构成及其与海平面气压变化的关系。冬季海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成,与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极海盆及其边缘海区。尽管北极涛动（北大西洋涛动）通过影响海平面气压进而影响北极海冰运动,但是,北极涛动（北大西洋涛动）并不是决定海冰运动主模态的关键性因素。     

北极海冰与赤道东太平洋海温的相互影响及其与El Nino的联系

对北极海冰面积与赤道东太平洋海温作了交叉相关分析，揭示了北极海冰与赤道东太平洋海温间相互影响的关系及其时空特点，并讨论了Ｅｌ Ｎｉｎｏ与北极海冰间的联系。结果表明，北极Ⅴ－Ⅵ区冬季海冰面积能够对以后冬季的赤道东太平洋海温产生持续的影响，而北极Ⅶ区夏秋季的海冰面积能够影响来年夏秋季的海温；赤道东太平洋海温对海冰的影响表现为前期海温能够影响北极Ｉ区春季海冰的消融。此外，前期北极海冰状况对Ｅｌ Ｎｉｎｏ     

宁夏冬季极端低温事件特征及其与秋季北极海冰异常的联系

利用1961-2018年我国宁夏全区平均逐日观测最高和最低气温数据,英国哈德莱(Hadley)中心的逐月海冰密集度资料,美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐月大气再分析资料以及中国气象局国家气候中心的逐月东亚冬季风指数和西伯利亚高压指数系统地研究了宁夏冬季极端低温事件的特征及其与北极关键影响区域海冰异常的联系。结果表明:20世纪60年代以来,宁夏冬季冷日与冷夜频次呈现明显的减少趋势,极端低温事件强度总体趋于减弱,日极端低温升高趋势较为明显。秋季北极海冰异常与之后冬季海冰异常显著相关,前秋海冰异常通过季节持续性实现对后期冬季大气环流的影响,进而影响冬季气温。前期秋季拉普捷夫海-东西伯利亚海海冰密集度偏小、格陵兰海海冰密度偏大时,冬季西伯利亚高压指数和冬季风指数偏强,有利于宁夏日极端低温事件频次偏多;500 hPa高度场上,极地-欧亚大陆-阿留申地区有一个显著的"L"型的位相波列形态,使得北极与欧亚大陆中高纬地区的位势高度差减弱,中高纬地区西风气流偏弱,减弱的西风使得经向活动加强,利于北极的冷空气向低纬地区侵袭;在海平面气压场上,西伯利亚地区气压偏高,冷空气由极地挤压至中高纬度地区,造成冷空气南下,有利于宁夏冬季发生极端低温事件。     

2002年南海夏季风爆发期间南海北部海气通量分析与比较

利用国际北极浮冰运动观测资料 (IABP)(1979～1998)以及NCEP/NCAR月平均海平面气压再分析资料(1960～2002), 通过求解海冰运动异常的复斜方差矩阵, 研究了冬季北极海冰运动主模态构成及其与海平面气压变化的关系.冬季海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成, 与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极海盆及其边缘海区.尽管北极涛动(北大西洋涛动)通过影响海平面气压进而影响北极海冰运动, 但是, 北极涛动(北大西洋涛动)并不是决定海冰运动主模态的关键性因素.     

夏季北极冰雪更为脆弱

NCAR与科罗拉多州立大学研究人员新的研究表明,北极大范围海冰的收缩对于夏季阳光的照射变得更加脆弱。2007年的反常晴好天气引起的北极海冰范围缩小达到记录高值（9月海冰范围缩小到4．1×10^4km^2,与开始有准确卫星测量的1979年相比减少了43％）,以前类似的夏季没有观测到如此严重的影响。     

“北极放大”现象驱动因素及其影响的研究进展综述

21世纪以来,受全球变暖的影响,北极近地表快速升温,升温速率可达全球平均水平的2倍,称为“北极放大”（Arctic Amplification, AA）现象。本文首先探讨了北极放大效应产生的原因：在局地气候反馈方面,海冰减少导致开阔水面增多,水体吸收太阳辐射增多使海-气相互作用增强,海冰进一步融化,形成正反馈;由于北极地区绝对温度较低,根据普朗克黑体辐射定律,普朗克反馈在北极为负反馈,促进北极放大效应;开阔水面和增温使北极地区大气湿度增加导致云量增多,从而使下行长波辐射增加,促使近地面层升温,这种水汽和云反馈对北极变暖的贡献有显著的季节性,主要发生在冬季;在北极以外地区水汽和热量的极向输送方面,温度的升高使大气柱增厚,高层气压梯度的变化引起纬向风变化,纬向分量减少,经向分量增加,形成槽脊,较低纬度地区可通过槽脊实现与北极的热量和水汽交换。此外,北极涛动（Arctic Oscillation, AO）与北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）也被证实与北极变暖有关。大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning C...