南极地区温度和海冰的变化特征及相互关系

对南极地区温度和海冰的时空变化特征及相互关系进行的初步研究结果表明:近30余年来南极地区有显著的变暖趋势，时空差异比较明显。 其中以南极半岛地区的变暖趋势最大，为整个东南极沿岸增温率的2～3倍。近20年来，整个平均的南极海冰和温度的变化趋势相反，年际变化的相关关系不显著。经过聚类分析划分出不同的气候区，能清楚地显示出某些区两者的关系。海冰与同区沿岸温度距平相关信号最强区在南大西洋至西南太平洋海域。     

国外关于冰雪和大气相互作用的研究

国外对冰雪和大气相互作用作了大量研究,并把其成果应用于长期天气预报。现分以下几方面介绍其成果。一、主要海冰型和大气变化的关系北极海冰范围变化共有四个代表型: 第一型(I_1)最大海冰范围平均距平在白令海、巴芬湾地区和巴伦支海。巴伦支海的海冰距平与白令海和巴芬湾的海冰距平符号相反,此为冬季型。第二型(I_2)赫德森湾、巴芬湾、东格陵兰海和巴伦支海的距平符号与白令海的海冰距平符号相     

北半球海冰与登陆广东台风的特征及关系分析

采用NOAA冰雪数据中心1979—2017年北半球海冰资料、中国气象局热带气旋资料中心1979—2018年台风资料,对登陆广东台风和北半球海冰的主要特征进行统计和分析,并对上一年和当年上半年北半球海冰范围与登陆广东台风的关系进行探讨。结果表明:每年均有台风登陆广东,常年平均3. 5个。登陆台风中,STS级别最多,常年平均1. 3个; TY、TD、TS、STY次之; Super TY级别有2个。北半球海冰范围有明显的时间变化,1—5月为正距平,7—11月为负距平,其中6月正距平占54%,负距平占46%,1994年前为正距平,2001年转为负距平后一直维持; 12月在2016年首次出现负距平,发生质变,其它为正距平。逐月分布呈单峰型,3月达到峰值,9月是谷值。年代际变化呈减少趋势。前期北半球海冰范围距平百分率与登陆广东的STY、STS和TD相关性高,可作为预测依据;其相关系数通过显著性水平0. 05检验且排位前3位的分别是当年6、2月的北半球海冰范围距平与登陆广东的STY,上一年5月、当年2月与登陆广东的STS,当年5月与登陆广东的TD。     

南极海冰与南半球大气环流关系的初步探讨

本文利用１９７３—１９８２年南极海冰北界资料，分析了南极海冰平均北界（海冰范围）的变化及其与南半球大气环流变化间的联系。１９７６年前，南极海冰平均北界偏北（海冰范围扩大），而１９７７年－１９８０年，南极海冰平均北界偏南（海冰范围缩小）。与此相对应，这两个时期的南半球大气环流具有明显不同的特点。在南极海冰平均北界偏北、海冰范围扩大时期，南极高压和绕极低压带偏弱，南半球中高纬度地区槽脊位置偏西，南印度洋和南大晒洋副热带高压偏弱，南太平洋副热带西凤减弱、中纬度西风加强，而南太平洋副热带高压和印度尼西亚低压带发展，南方涛动处于正位相阶段；在南极海冰平均北界偏南、海冰范围缩小时期，则相反。分析表明，南方涛动与南极海冰之间存在相互联系，并以南极海冰超前南方涛动约２个月时的关系最好，其次是南极海冰落后南方涛动４个月。     

太阳黑子相对数与毕节地区夏季气温的长期预测

利用1月份太阳黑子相对数与夏季平均气温制作图表进行对比分析,通过分析发现,当太阳黑子相对数处于峰顶(极大值)时,气温为正距平;当太阳黑子相对数处于谷底(极小值)以及谷底区域时,气温为负距平.并且夏季各月与太阳黑子相对数之间也有较好的相关性.夏季是一年中气温最高的季节,夏季气温不仅对人们的日常生活产生重大影响,而且对农作物的发育、生长也起着重要作用.     

南极海冰变异对华南后汛期旱涝的影响

应用逐月南极海冰北界资料和南半球海平面气压场资料,研究了南极海冰变异对华南后汛期旱涝的显著影响作用和可能机理,认为：南极总海冰、威德尔海海冰冰长期和罗斯海海冰最大面积的变异对后汛期的作用最为显著。９月罗斯海海冰最大面积变化与次年７～９月西太平洋副高关系密切,副高在海冰与后汛期关系中起重要纽带作用。后汛期旱涝可能是南极海冰变异产生的全球短期气候效应的结果之一     

南极海冰的年际变化对中国东部夏季降水的影响

根据Hadley中心提供的1969—1998年的南极海冰再分析资料和其它多种观测资料，分析了南极海冰的年际和季节变化，指出南极海冰具有显著的年际变化，但与ENSO的关系则较为复杂。南极海冰维持了南半球高纬地区大气环流的季节持续性，因而对短期气候预测有较大帮助。相关分析和时间序列分析均证实中国东部夏季降水与南极海冰的年际变化有关，当北半球春夏季南极海冰增多时，华北降水增多而华南和东北降水减少。研究还表明，此种雨型分布与南极海冰变化引起的东亚夏季风环流变化有关。     

太阳黑子相对数与毕节地区夏季气温的长期预测

利用1月份太阳黑子相对数与夏季平均气温制作图表进行对比分析，通过分析发现，当太阳黑子相对数处于峰顶（极大值）时，气温为正距平；当太阳黑子相对数处于谷底（极小值）以及谷底区域时，气温为负距平。并且夏季各月与太阳黑子相对数之间也有较好的相关性。夏季是一年中气温最高的季节，夏季气温不仅对人们的日常生活产生重大影响，而且对农作物的发育、生长也起着重要作用。     

南极海冰的变动与赤道SST的关系

本文利用1973—1982年卫星观测的南极海冰资料，借助于谐波分析和谱分析计算方法，探讨了南极海冰与东、西太平洋赤道海温（SST）的关系。发现南极海冰和东太平洋赤道海温都存在准三年振荡周期，并且它们之间还存在着明显的相关关系。     

华南后汛期降雨与南极海冰变异和南半球大气环流异常的关系

利用１９７３￣１９８９年南极海冰北界资料研究海冰变异对华南不同区域后汛期降雨的影响。认为,华南后汛期降雨与南极海冰和南半球大气环流间存在遥相关显著性。分析海洋与南半球大气环流,副高、热带气旋、南亚高压等系统间的相关关系表明,海冰变异是通过影响这些系统,而对后汛期降雨产生影响作用的,其中上年９月罗斯海海冰、７月全南极海冰和威德尔海海冰的作用更明显,当年１月低纬气旋烽和前期南美深对流区强弱与广西后汛期     

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     

厄尔尼诺事件和拉尼娜事件的成因与预测

通过对南极气温资料、环南极海冰资料、臭氧变化资料、太平洋海温资料、地球自转速度变化资料、厄尔尼诺和拉尼娜资料的综合验证,发现了构造运动与厄尔尼诺因果关系。大气、海洋与岩石圈的角动量交换在南半球和北半球有不同的形式,这是由陆海分布的差异决定的。南极上空臭氧变化和环南极海冰变化是赤道海温和全球气候准两年振荡的原因。其中,德雷克海峡的海冰变化起主要作用。这个结论给出了作者提出的“海洋锅炉效应”、“臭氧洞漏能效应”、“德雷克海冰气候开关效应”和“大洋地壳跷跷板运动”的相互关系,证明构造运动对厄尔尼诺的重要影响。强潮汐准4a周期的发现,表明南极海冰变化、东太平洋海温变化、地球自转变化和厄尔尼诺都具有4a准周期变化的原因。海温和海冰开关的准2a周期和日食-厄尔尼诺系数理论有较好的预测效果。     

FGOALS_gg1.1极地气候模拟

对中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估.结果表明,FGOALS_g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力.但也注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题:(1)模拟的海冰总面积北极偏多,而南极偏少.北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海海冰偏少.南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少.南北极海冰边缘都存在异常的较大范围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著.(2)海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附近较大.北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成其附近错误的海冰流场及厚度分布.这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的联系.进一步分析表明,FGOALS_g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱,其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差.此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差.     

两类El Ni?o事件盛期南大洋海冰异常的对比分析

基于1979～2017年数据,利用回归方法和线性模式试验,分析了两类El Ni?o事件（东部型EP和中部型CP）盛期（12月至2月）南大洋海冰异常的差异及其可能机制。结果表明,两类事件期间尽管海冰异常定性上类似,但强度和位置存在明显差异:在罗斯海和阿蒙森海,两类事件期间海冰均偏少,但 EP期间海冰减少范围更大,振幅更强;在威德尔海,两类事件期间海冰均偏多,但EP期间增多更明显,而且位置相对CP期间偏西偏北。造成这种差异的主要因素是两类事件期间海温异常强度的不同:EP期间对应的海温偏东偏强,其激发的类太平洋—南美型（PSA）模态在南极边缘海的异常高压中心强度更大、范围更广,使得罗斯海区域为东北风异常控制,有利海冰向高纬输送,海冰范围进而减少;而威德尔海区域则是异常偏南风控制,使得海冰向北输送,有利于威德尔海南部海冰范围减少,北部海冰范围增大。相比之下,CP事件期间,赤道中东太平洋的暖海温异常偏于中太平洋且强度弱,其激发的类PSA在南极边缘的异常高压偏弱,使得动力作用引起阿蒙森海的海冰减少和威德尔海海冰增加偏弱。进一步的分析表明,CP事件期间威德尔海海冰增多还与该区域更早时间（11月份）的海冰增多,及随后海冰—太阳反照率的正反馈效应有关。本研究结果显示两类事件期间海冰异常的强度和位置的差异,与两类事件期间赤道中东太平洋SSTA强度和位置的差异,二者有很好的对应关系,相比前人的合成分析结果（CP期间海冰异常强于EP期间）,物理上更为合理。     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

海冰模式CICE4.0与LASG/IAP气候系统模式的耦合试验

利用美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式(CICE4.0)替代了LASG/IAP气候系统模式(FGOALS_g1.1)中的海冰模式(CSIM4), 形成新的耦合模式。在此基础上, 利用新的耦合模式对20世纪中后期的全球气候进行了模拟, 来检验CICE4.0对耦合模式中海冰和海洋模拟结果的改进。结果表明CICE4.0对于FGOALS_g1.1的极地气候模拟有一定改进作用, 主要表现在:(1) 南北极海冰边缘碎冰区显著减少; (2) 南大洋海表温度和海冰的模拟明显改善, 分布特征与观测非常吻合。但是新耦合模式也存在如下不足: (1) 北大西洋海冰相对偏多, 北大西洋经圈翻转环流大大减弱, 这主要是由于北大西洋海表面温度的冷误差造成的; (2) 南北极大气环流场的模拟无明显改善。此外, 本文还比较了采用不同短波辐射方案对于耦合模拟结果的影响, 结果表明, 相对于CCSM3短波辐射方案, Delta-Eddington方案模拟的海表面温度偏冷, 海冰厚度偏厚, 北大西洋经圈翻转环流略有偏弱。     

一个海洋-海冰耦合模式的北极气候模拟

This paper evaluates the simulation of Arctic sea ice states using an ocean-ice coupled model that employs LASG/IAP(the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics/the Institute of Atmospheric Physics) Climate Ocean Model(LICOM) and the sea-ice model from the Bergen Climate Model(BCM).It is shown that the coupled model can reasonably reproduce the major characteristics of the mean state,annual cycle,and interannual variability of the Arctic sea ice concentration.The coupled model also shows biases that were generally presented in other models,such as the underestimation of summer sea ice concentration and thickness as well as the unsatisfactory sea ice velocity.Sensitivity experiments indicate that the insufficient performance of the ocean model at high latitudes may be the main reason for the biases in the coupled model.The smoother and the fake "island",which had to be used due to the model’s grid in the North Pole region,likely caused the ocean model’s weak performance.Sea ice model thermodynamics are also responsible for the sea ice simulation biases.Therefore,both the thermodynamic module of the sea ice component and the model grid of the ocean component need to be further improved.     

大气环流模式（SAMIL）海气耦合前后性能的比较

基于耦合器框架，中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室大气环流谱模式 （SAMIL）最近成功地实现了与海洋、海冰等气候分量模式的耦合，形成了“非通量调整”的海－陆－气－冰直接耦合的气候模式系统（FGOALS-s）。在耦合系统中，由于海温、海冰等的分布由预报模式驱动，大气与海洋、海冰之间引入了相互作用过程，这样大气环流的模拟特征与耦合前会有不同。为分析耦合系统的性能，作者对耦合前后的模拟结果进行了分析比较，重点是大气模拟特征的差异。结果表明，耦合前、后大气环流的基本特征相似，都能成功地模拟出主要的环流系统分布及季节变化，但是由于海温和海冰的模拟存在系统性的偏差，使得耦合后的大气环流受到明显影响。例如耦合后热带海温偏冷，南大洋、北太平洋和北大西洋等中纬度地区的海温偏高，导致海温等值线向高纬海域的伸展较弱，海温经向梯度减小。耦合后海冰在北极区域范围偏大，在南极周边地区则偏小。海温、海冰分布模拟的偏差影响到中、高纬低层大气的温度。热带海温偏低，使得赤道地区降水偏弱，凝结潜热减少，热带对流层中高层温度比耦合前要低，大气温度的经向梯度减小。经向温度梯度的改变，直接影响到对平均经圈环流及西风急流强度的模拟。尽管耦合系统中海温、海冰的模拟存在偏差，但在亚洲季风区，耦合后季风环流及降水等的分布都比耦合前单独大气模式的结果合理，表明通过海[CD*2]气相互作用可减少耦合前季风区的模拟误差，改善季风模拟效果。比较发现，海温、海冰模拟的偏差，除与海洋模式中经向热输送偏弱、海冰模式中海冰处理等有关外，也与大气模式中总云量模拟偏低有关。大气模式本身的误差，特别是云、辐射过程带来的误差，对耦合结果具有极为重要的影响。完全耦合后，这些误差通过与海洋、海冰的反馈作用而放大。因此，对于FGOALS-s而言，要提高耦合系统的整体性能，除改进各气候分量模式的模拟性能外，需要重点改进大气模式中的云、辐射过程。     

Simulation of sea ice in FGOALS-g2: Climatology and late 20th century changes

Sea ice is an important component in the Earth’s climate system. Coupled climate system models are indispensable tools for the study of sea ice, its internal processes, interaction with other components, and projection of future changes. This paper evaluates the simulation of sea ice by the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model Grid-point Version 2 (FGOALS-g2), in the fifth phase of the Coupled Model Inter-comparison Project (CMIP5), with a focus on historical experiments and late 20th century simulation. Through analysis, we find that FGOALS-g2 produces reasonable Arctic and Antarctic sea ice climatology and variability. Sea ice spatial distribution and seasonal change characteristics are well captured. The decrease of Arctic sea ice extent in the late 20th century is reproduced in simulations, although the decrease trend is lower compared with observations. Simulated Antarctic sea ice shows a reasonable distribution and seasonal cycle with high accordance to the amplitude of winter-summer changes. Large improvement is achieved as compared with FGOALS-g1.0 in CMIP3. Diagnosis of atmospheric and oceanic forcing on sea ice reveals several shortcomings and major aspects to improve upon in the future: (1) ocean model improvements to remove the artificial island at the North Pole; (2) higher resolution of the atmosphere model for better simulation of important features such as, among others, the Icelandic Low and westerly wind over the Southern Ocean; and (3) ocean model improvements to accurately receive freshwater input from land, and higher resolution for resolving major water channels in the Canadian Arctic Archipelago.