南极绕极波研究综述

南极绕极波是近年来发现的海洋现象。关于南极绕极波的研究历史虽然很短,但是对南极绕极波的变化规律和生成机制的研究却已取得了许多重要进展,对南极绕极波在全球变化中的作用研究日益深入,成为海洋和大气科学领域的前沿研究内容。根据南极绕极波的主要研究成果,评述了有关南极绕极波的研究进展和发展方向,以促进我国关于南极绕极波及相关海洋和大气过程的研究。     

热带太平洋海面高度年代际变化的研究

采用SODA海面高度(SSH)数据研究热带太平洋海域的年代际变化.结果表明,热带太平洋海面高度场存在与太平洋年代际涛动(PDO)时间过程基本一致的年代际变化,但是SSH异常的空间分布与SST异常的是不同的.热带海域年代际变化的典型空间分布:海面高度异常在热带海域存在东西方向的反向变化,在西太平洋只有1个变化中心,而在东太平洋形成2个对称于赤道的变化中心.热带太平洋海面高度的年代际变化有2个基本周期:13 a左右的周期和30 a以上时间尺度的气候转型周期.其中13 a周期的年代际变化与ENSO年际过程无关,是热带太平洋年代际变化的重要组成部分.由于数据时间长度的限制,气候转型的时间尺度还不明确,也不清楚其是否有明显的周期性.比较热带东西太平洋年代际变化的特征,可以发现以气候转型期的年代际信号在东西太平洋几乎是同时发生的,而13 a左右周期的年代际信号在赤道附近却存在自西向东方向的传播.     

Analysis of Yellow Sea low-frequency current variation

Low frequency (LF) current (period>25 hour) variation at 5 stations in Jiaozhou Bay. Shijiousuo, and the central part of the Yellow Sea were studied by analyzing the observed long-period current data series in the study area.1) There are obvious periods of 3 and 5 days in the LF current spectra. The energy spectral value of LF current of a 5 day period is remarkably larger than that of a 3 day period. These periods reflect the correlations between the LF current variation and the LF water level variation.2) The feet that the 15-day period in the LF current spectra corresponds to the semi-monthly celestial tide period indicates that the tide-induced residual current is an important and most evident LF current component in the bay.3) The LF current spectral energy density in the northward direction is much larger than that in the eastward direction. This shows the frequency and strength of the wind field in the northward direction are evidently larger than that in the eastward direction.     

火山活动对北半球平流层气候异常变化的影响

文中利用逐次滤波法滤除北半球平流层70 hPa约15~22 km高空大气温度异常变化中太阳活动的影响之后,进一步分析了火山活动的气候效应,分析结果表明,火山活动能引起平流层较大幅度增温,对于北半球70hPa高空气候异常变化的影响超过了总方差的30%;火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约15~22 km高空,由此高度向上或向下,火山活动的影响都逐渐减小;火山活动引起平流层大气升温的同时还将引起对流层大气降温,其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近;强火山爆发如皮纳图博火山爆发、阿贡火山爆发和堪察加北楮缅奴等火山爆发是引起未来两年左右平流层中下层温度异常变化最重要的因素,其方差贡献率超过百分之五十三！;火山喷发高度越高,引起平流层增温效应的层次也越高;北半球大气温度异常变化对南半球火山活动响应的滞后时间比北半球火山活动长. 平流层高空气候异常变化还具有显著的22年变化周期,分析认为是大气温度场对太阳磁场磁性周期22年异常变化的响应,其方差贡献率超过9%.     

异常事件对EMD方法的影响及其解决方法研究

作者指出异常事件在数据中形成局部的高频信号 ,运用经验模态分解 (EMD)方法分析这种存在异常事件干扰的数据 ,就会产生本征模函数 (IMF)的频率混叠现象 ,而造成物理过程的重叠 ,使得难以用时间过程曲线表现特定的物理过程。这一问题是 EMD方法中尚未妥善解决的问题。为解决这一问题 ,作者利用干扰信号极值及其两边的极大与极小值位置与原始数据有明显对应关系的特征 ,将相关 IMF中的异常信息直接滤除 ,再用 Spline插值方法弥补滤除时段的数据 ,得到重新拟合的该 IMF数据。采用这种方法可以提取出异常信号 ,提取的精度与异常信号的时段长度有关。而且 ,拟合结果消除了异常干扰 ,可以将该 IMF与其余 IMF一起叠加成没有异常干扰的数据。将滤除了异常干扰的数据再次进行 EMD分解 ,可以得到新的 IMF系列 ,而它与不加校正的分解结果有相当大的差别 ,可靠地反映了真实物理过程。结果表明 ,只有在有效滤除异常干扰的情况下才能获得可靠的 IMF系列 ,并准确地描述各种尺度的现象 ;消除了异常干扰的 IMF可以任意单独或组合使用 ,表现各种时间尺度的变化与过程 ;所讨论的方法只适合异常时段较小的情形。对于异常时段接近或大于正常变化周期的干扰还需要探讨其他方法     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海     

累积海冰密集度及其在认识北极海冰快速变化的作用

为定量分析北冰洋海冰密集度年际差异,提出并采用累积海冰密集度(ASIC)概念。利用SSMR/SSMI的分辨率为25 km的海冰密集度数据,分别研究了1979—2011年北极海冰在融冰期(4~9月)和结冰期(10月至翌年3月)的变化过程以及2个冰期内ASIC的区域差异。研究发现,在1979—1989年、1989—1999年和1999—2009年期间,融冰期海冰发生明显变化的范围都远远大于结冰期海冰发生明显变化的范围。1998—2010年,融冰期内发生加速融化的海区并没有都出现结冰期冰量减小的现象。在此期间融冰期ASIC减小,结冰期ASIC也减小的海域仅集中在楚克奇海、新地岛北部海域以及格陵兰岛东西海岸。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC无明显变化的海域包括波弗特海、东西伯利亚海、拉普捷夫海和喀拉海。这些区域与局地陆地径流侵入的海域重合。研究发现,在这些区域,融冰期ASIC减少是陆地径流增大加速海冰融化引起的。在结冰期,陆地径流加速海水结冰的作用消除融冰期海水吸收大量太阳辐射能后发生推迟结冰的现象,使得ASIC无明显变化。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC增大的区域只有白令海。研究结果证明累积海冰密集度能够去除海冰高频变化而只表现低频变化,能够描述海冰的年际变化特征。同时由于海冰变化与海洋中其他物理参数存在显著关系,变T的ASIC可以更加方便地描述次表层叶绿素最大值层深度的变化。     

用TOPEX/POSEIDON高度计数据研究南极绕极流流域海面高度的低频变化

采用TOPEX/POSEIDON(T/P)卫星高度计 1 993年 1月— 2 0 0 0年 1 2月海面高度数据 ,研究包含了整个南极绕极流流系 (40°— 6 0°S)的海面高度低频变化。首先采用EOF分解方法获取南大洋时空分布的主要模态 ,前 3个EOF模态分别占总方差的 2 4 .8%、1 3 .8%和 1 0 .7%。然后采用EMD方法分别分析了各个EOF模态的时间系数曲线的组成成分 ,对南极绕极流海域的各种时间尺度变化给出了清晰的描述 ,对于不同尺度变化所占的比例得到了定量的结果。研究结果表明 ,EOF的各个模态不仅在形态上存在差异 ,而且具有相互独立的物理背景。EOF的第一模态主要体现了以太阳辐射冬夏差异形成的年周期变化 ,另一个显著的特征就是南极绕极流从 1 993— 2 0 0 0年海面的整体上升趋势。EOF的第二模态体现了陆地地形对南极绕极流的约束作用 ,同时也显示了ENSO过程对南极绕极流 ,特别是对南太平洋的海面高度变化的影响。EOF的第三模态则体现了南极绕极流对南大洋表面风场东西方向不均匀变化的响应。同时 ,本文的研究也证明了EOF与EMD方法联合使用对揭示大范围时空变化有重要的实际意义     

楚科奇海海冰周年变化特征及其主要关联因素

利用1999年美国国家冰雪资料中心的各种卫星遥感综合分析数据对楚科奇海海冰周年变化进行详细分析，将全年的海冰变化过程分成密集冰封期、东岸融化期、单湾结构期、双湾结构期、三湾结构期、全线北撤期、南进封闭期、全面冻结期8个阶段。海冰冻结期仅2个月，海冰融化期持续4～5个月，说明融冰过程的吸热是个漫长的过程。太平洋与北冰洋海面高度差形成的正压压强梯度力是白令海水进入北冰洋的主要动力，白令海水进入冰下形成的暖水海冰边缘区是海冰融化的重要机制。白令海水在楚科奇海扩散过程受到海底地形产生的Taylor柱效应的显著影响，使其产生绕过浅滩，沿海谷流动，在海谷的方向上输送更多的水体和热量的现象，形成海冰融化的湾状结构。楚科奇海的局地风场也是海冰形态变化的重要因素之一。局地风场在冬季阻碍白令海水的入流，而在夏季促进白令海水的入流。     

An improved dual-polarized ratio algorithm for sea ice concentration retrieval from passive microwave satellite data and inter-comparison with ASI,ABA and NT2

The dual-polarized ratio algorithm(DPR)for the retrieval of Arctic sea ice concentration from Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS(AMSR-E)data was improved using a contrast ratio(CR)parameter.In contrast to three other algorithms(Artist Sea Ice algorithm,ASI;NASA-Team 2 algorithm,NT2;and AMSR-E Bootstrap algorithm,ABA),this algorithm does not use a series of tie-points or a priori values of brightness temperature of sea-ice constituents,such as open water and 100% sea ice.Instead,it is based on a ratio(a)of horizontally and vertically polarized sea ice emissivity at 36.5 GHz,which can be automatically determined by the CR.aexhibited a clear seasonal cycle:changing slowly during winter,rapidly at other times,and reaching a minimum during summer.The DPR was improved using a seasonala.The systematic diff erences in the Arctic sea ice area over the complete AMSR-E period(2002–2011)were-0.8% ±2.0% between the improved DPR and ASI;-1.3%±1.7% between the improved DPR and ABA;and-0.7% ±1.9% between the improved DPR and NT2.The improved DPR and ASI(or ABA)had small seasonal diff erences.The seasonal diff erences between the improved DPR and NT2 decreased,except in summer.The improved DPR identified extremely low ice concentration regions in the Pacific sector of the central Arctic(north of 83°N)around August 12,2010,which was confirmed by the Chinese National Arctic Research Expedition.A series of high-resolution MODIS images(250 m×250 m)of the Beaufort Sea during summer were used to assess the four algorithms.According to mean bias and standard deviations,the improved DPR algorithm performed equally well with the other three sea ice concentration algorithms.The improved DPR can provide reasonable sea ice concentration data,especially during summer.