1979-2022年北极海冰变化及影响因素分析

海冰是海洋-大气交互系统的重要组成部分,是全球气候变化的指示器。深入分析海冰演变规律,探索全球气候变化与海冰范围之间的关联,对应对和减缓全球气候变化具有重要的理论意义。本文以北极海冰为研究对象,深入分析了1979-2022年北极海冰范围的季节、年际和年代际变化特征,并构建向量自回归模型(Vector AutoRegressive Model,VAR)检验全球平均气温、大气CO_(2)浓度与北极海冰范围之间的因果关系,并分析影响程度。结果表明:(1)北极海冰范围季节变化特征明显,一般在3月达到最大,9月达到最小,这主要与太阳辐射的年变化周期相关;(2)1979-2022年,北极海冰范围总体呈减小趋势,年变化量为5.3万km^(2);(3)北极海冰范围在年代际尺度上逐渐减小,2000-2009年,北极海冰范围较上一个十年减小最多(减少67万km^(2));(4)全球平均气温和大气CO_(2)浓度均对北极海冰范围变化造成了显著影响;(5)全球平均气温和大气CO_(2)浓度与北极海冰范围均有显著负相关关系,相关系数分别为-0.92和-0.95。

北极海冰对中国西北地区东部主汛期7月降水分布型的可能影响

选取1961-2020年中国西北地区东部154个气象站7月降水、NCEP/NCAR大气再分析及北极海冰资料,利用SVD分解等统计诊断方法,分析了北极关键区海冰对西北地区东部主汛期7月降水主要模态分布型的可能影响途径。结果表明:影响西北地区东部7月降水异常分布型主要有两种海冰模态,一种是当巴伦支海、千岛群岛海域海冰密集度偏小(大),戴维斯海峡海冰密集度偏大(小)时,激发从戴维斯海峡向东南以及从鄂霍次克海向西南方向传播的波列,使得我国西北地区东部上空500 hPa位势高度场距平为“西高东低”(“西低东高”)的分布,造成区域降水异常为“一致偏少(多)”分布型;另一种当波弗特海东海域海冰密集度偏小时,激发从里海东传至鄂霍次克海的波列以及配合我国华南上空的正位势高度异常,使得冷空气路径偏东、偏南以及西太平洋副热带高压偏强,造成研究区降水异常为“北少南多”分布型,反之为“北多南少”分布型。利用“SVD投影法”建立的海冰关键区因子预测模型,其对西北地区东部主汛期7月的降水距平符号的把握及空间分布型具有一定的预测能力,尤其对“区域一致少型”和“北多南少型”的预测效果较好。

北极—中纬度联系与北极海冰变化的关系研究新进展

本文概要介绍了近年来(2018~2023年),北极—中纬度联系与北极海冰变化的关系研究新进展。主要包括以下几个方面:(1)对北极海冰融化在欧洲极端降雪个例中的贡献有了实质性的认识,这是以往研究提出的北极海冰影响大气环流的机制所无法解释的。(2)冬季亚洲区域气温对北极海冰持续融化的响应有显著的低频振荡特征。北极海冰持续融化,有利于冬季暖北极—冷欧亚(2004/2005~2012/2013年)和暖北极—暖欧亚(2013/2014~2016/2017年)交替出现。前一阶段北极—中纬度联系加强,而暖北极—暖欧亚阶段北极与东亚的联系减弱了,但海冰融化影响北极—欧亚大陆联系强弱变化的机理不清楚。(3)在夏季平均和季节内时间尺度上,东亚中、低纬度区域夏季高温热浪极端天气事件与同期北极对流层中、低层冷异常有直接的动力联系。北极夏季对流层中、低层冷异常不仅有利于减缓北极海冰融化,而且成为预测后期东亚冬季风趋势的前兆因子。(4)北极夏季海冰融化异常,对我国华北以南区域夏季降水并无实质性影响。(5)尽管诸多研究强调了平流层—对流层相互作用,在连接北极海冰融化与中纬度天气气候中起重要作用,但因果联系依然偏弱,不确定性大于对流层过程。(6)区分北极海冰强迫与大气内部变率在天气事件和气候变率中的不同作用已无实际意义。未来关注北极海冰融化的影响,更应注重其在大气环流低频变化中的作用,以及北极海冰异常空间分布差异和不同异常振幅的影响,同时需要定量化研究北极海冰融化在极端天气和气候事件中的作用。

CMIP6模式对北极海冰的模拟及夏季无冰时间集合预估

CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6)共有52个模式提供了历史试验海冰密集度和海冰厚度的模拟数据,其中有35个模式提供了中等排放情景(SSP245)和高排放情景(SSP585)下未来海冰的模拟数据。本文从历史试验中3月、9月以及海冰年内变化模拟的角度综合评估了52个模式,并依据评估结果及1982—2012年预估试验的结果选择了部分模式使用相关约束法及多模式集合平均法预估了北极出现夏季无冰的时间。筛选出排名前19的模式用于预估未来海冰范围。在中等排放情景(SSP245)下,相关约束法预估在2065年北极将会首次出现夏季无冰的情况,而多模式集合平均法预估夏季无冰的情况将于2064年出现,两者预估的时间仅相差1年。在高排放情景(SSP585)下,相关约束法预估在2051年北极将会首次出现夏季无冰的情况,而多模式集合平均法预估夏季无冰的情况将于2050年以后出现,两者预估的时间也仅相差1年。2种方法在使用同样的模式组合时预估的结果相差不大。与其他研究类似,2种情景下的预估仍然存在很大的不确定性。

CMIP6计划中我国地球气候系统模式北极海冰空间分布的模拟评估

世界气候研究计划(WCRP)正在组织实施第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)。本文选取了参加CMIP6的9个中国大陆地球气候系统模式的北极海冰输出结果与同时段海冰遥感观测数据进行比较,评估了各个模式1980年至2014年北极海冰密集度和其长期趋势的空间分布。研究表明,所有的模式都可以较好地模拟出3月北极海盆海冰的分布情况,误差主要分布在海冰边缘地区,其中鄂霍茨克海的中部以及巴伦支海地区误差最大,最高值可达90%。与3月相比,模式对9月海冰空间分布的模拟效果不佳,在北极海盆地区以及海冰边缘地区均存在15%以上的误差。在海冰密集度长期趋势空间分布方面,3月,9个模式总体高估了海冰下降区的海域面积,在鄂霍茨克海、巴伦支海以及格陵兰海北部海域为模式误差大值区(大于50%)。模式在模拟9月海冰下降趋势的区域及量级上较3月都有更大的偏差。另外,9个模式对海冰密集度多年平均季节变化的模拟能力与其对长期趋势的模拟能力有一定关联,对海冰密集度季节变化模拟准确的模式,其海冰长期趋势的模拟也较接近观测。海冰分量模式中参数化方案的改进可以明显提高模式的模拟能力。

北极海冰与CP型厄尔尼诺事件的遥相关

为了进一步认识高低纬度之间事件的遥相关机制,对北极海冰和中太平洋(central Pacific,CP)型厄尔尼诺现象的相互关系进行了深入研究。首先利用最新的观测和再分析数据,验证了北极冷季海冰损失可以引发次年的类CP型厄尔尼诺增暖现象及相应的副热带北太平洋海气耦合机制,阐明北极海冰异常引起春末夏初的北太平洋气压异常,进而导致热带太平洋海温增加和西风异常,最终在冬季发生类CP型厄尔尼诺现象的变暖。依据前人对CP型厄尔尼诺发展年夏季的研究思路,研究结果显示,在CP型厄尔尼诺发展年冷季,加拿大盆地海冰显著减少导致北极海冰范围总体出现异常低值,但在巴伦支海北部因风场作用海冰异常增加。同时揭示了在CP型厄尔尼诺衰退年,暖季北极海冰显著损失,海表面净热通量显著增加以及海表面风和海冰运动等动力效应有助于拉普捷夫海海冰的损失,北极海冰和CP型厄尔尼诺相互关系的理论得到了一定的完善。

BCC-CSM2模式耦合同化对北极海冰次季节预测的影响

近年来北极海冰的加速融化对北半球天气和气候的影响逐渐加剧,开展准确的海冰次季节预测已成为迫切需求。基于北京气候中心气候系统模式(BCC-CSM2),采用多种耦合同化方案(大气同化、海洋-大气同化、海洋-海冰-大气同化)产生模式初值,开展大气(FST-A)、海洋-大气(FST-AO)、海洋-海冰-大气(FST-AOI)预测试验,进而探讨了多圈层耦合同化对北极海冰次季节预测的影响。结果表明,随着耦合同化分量的增加,模式对海冰密集度气候态和变率的预测技巧逐渐提高,其中FSTAOI在所有试验中表现最优。海洋-海冰-大气同化对预测的影响存在明显的季节性差异,其在大多数月份(尤其是少冰期(9—10月))能够明显降低海冰密集度预测误差,但在快速融冰期(6—7月),若干海冰边缘区(波弗特海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海附近)的密集度误差随预测时间延长而快速增大。因此,多圈层耦合同化在总体上能够有效改善北极海冰次季节预测,但其在快速融冰阶段对预测的影响存在较大不确定性。进一步诊断表明,在快速融冰期,采用海洋-海冰-大气同化初值的试验在预报开始阶段(主要指第1周)低估了海冰边缘区的密集度。在海冰-反照率正反馈机制影响下,这可能导致模拟地表短波辐射吸收增加,引起海水升温和海冰融化加快,进而导致海冰误差快速增长。未来研究将致力于继续提升海洋-海冰-大气多分量耦合同化的协调,以持续改进北极海冰次季节—季节预测能力。

北极海冰多参数同化对海冰密集度模拟的改进

文章基于CICE海冰模式和PDAF并行数据同化框架,使用局地误差子空间变换卡尔曼滤波方法(LESTKF),将海冰密集度、海冰厚度和海冰干舷资料同化到模式中,设计实验研究了多参数同化对北极海冰密集度模拟的改进。结果显示,数据同化对北极海冰密集度模拟具有良好的改善作用,同化实验的平均偏差、均方根误差和平均绝对误差相对于控制实验均有明显减小,同化实验在夏季对海冰密集度和范围的模拟改善最为明显,多参数同化可以提高海冰密集度和范围模拟的精度和可靠性。

基于ConvLSTM网络的北极海冰时空序列预测研究

为了开辟北极航运路线、支持极地科学研究和资源开发,准确预测海冰密集度(SIC)显得尤为关键。在海洋预报领域,统计预报发挥着重要作用。文章引入了一种级联式的卷积长短时记忆神经网络(ConvLSTM)用于北极SIC的中、短期预测。该网络具备图像处理和时空预测的能力,可用于对海冰时空序列进行精确的预报。它能够处理不同长度的输入序列,在各种数据情境下展现出强大的预测潜力。通过对网络架构进行优化,该架构取得了更强的性能,能够更准确地捕捉和分析SIC的动态变化。实验结果表明,该模型在7天预报中的均方根误差为0.0599,相关系数高达95.42%。

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。

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 Niña发展年初冬(11—12月),巴伦支—喀拉海海冰异常减少;CP La Niña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。

北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究

利用1961年12月—2022年2月新疆冬季气温、北极海冰等资料,探讨北极海冰变化影响新疆冬季气温的物理模态、影响机制。结果表明:北极海冰的变化与新疆大部冬季气温呈正相关,北极海冰变化通过改变北半球大气高低空配置进而影响新疆冬季气温。格陵兰海—丹麦海峡、拉普捷夫海—东西伯利亚海海冰异常偏多时,新疆大部冬季气温偏高。巴伦支海—喀拉海、鄂霍次克海—白令海峡、哈德孙湾—戴维斯海峡海冰异常偏多时,新疆大部冬季气温偏低。

应用风云三号D星微波数据估算北极海冰面积和边缘线的精度评估

风云三号D星搭载的微波成像仪(microwave radiation imager,MWRI)可提供被动微波数据以实现全北极尺度的海冰面积和海冰边缘线研究。基于MWRI数据获取北极海冰面积和海冰边缘线的相关研究较少,且精度验证工作不足。使用基于6种算法的MWRI数据的海冰密集度结果,提取北极的海冰面积和海冰边缘线,将专用传感器微波成像仪/探测仪(special sensor microwave imager/sounder,SSMIS)和先进微波扫描辐射计(advanced microwave scanning radiometer 2,AMSR2)数据作为对比,使用中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)融合产品(2019年8月26日—12月31日)评估精度。结果表明,MWRI数据的海冰面积随时间变化的趋势与MODIS融合产品基本保持一致。MWRI提取的海冰边缘线相比SSMIS更接近MODIS融合产品获得的结果,均方根误差约为20~30 km。这些差异主要和数据间时空分辨率有关。总之,MWRI具有较优的性能,在北极海冰参数的监测研究中极具潜力。

北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述

全球变化背景下,在过去的40年中,北极海冰范围快速减少,厚度显著变薄,同时多年冰向一年冰转化,这对区域乃至全球气候系统具有重要影响。海冰厚度作为气候变化的指示器,在大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换过程中起着重要作用。本文通过综述国内外北极海冰厚度影响因子的研究进展,对影响北极海冰厚度的热力学和动力学过程进行了梳理和总结。在热力学方面,海冰厚度会受到大气-海冰和海冰-海洋两个界面处的热通量影响,其中,大气-海冰热力学过程的影响因素包括冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等,主要通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热和潜热)产生影响;而海冰-海洋界面处的热通量作为海冰厚度的重要影响因素,主要受太阳辐射对上层海洋的加热、风应力导致的垂向混合以及中低纬暖流输送的影响。在动力学方面,海冰厚度变化主要通过风和海流的共同驱动引起海冰输运和海冰的形变。大尺度环流异常也会通过大气-海冰-海洋相互作用对北极冰厚的热力学和动力学过程产生显著影响。

北极海冰融化与东亚春季降水量的联系

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM5.4数值模式,研究了春季北极海冰融化面积对东亚降水量的影响及其可能的物理机制。观测和数值模拟结果均显示,与春季海冰融化相关的东亚地区降水量呈现明显增加的趋势,且异常中心位于中国南部-日本地区。500 hPa位势高度场表现为“-+-+”型波列结构,其中乌拉尔山和日本及其附近海洋上空为异常高压脊区,欧洲西部和贝加尔湖地区则为异常高空槽所控制。高融化面积年常伴随着极地西风急流增强,中纬度纬向西风减弱,有利于乌拉尔山地区反气旋性环流异常的维持和增强,进而触发乌拉尔山地区到西北太平洋地区的异常波列,引起贝加尔湖地区位势高度降低,东亚槽加深,受异常偏北气流的影响,南下冷空气活动频繁。日本及其附近的海洋上空位势高度增加,在异常偏东南气流的作用下,将西北太平洋地区的暖湿空气带到东亚地区。中国南部地区出现西风异常,引起东亚副热带急流增强,配合低空辐合高空辐散的大气异常环流,局地对流增强,导致东亚地区春季降水量增加。

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。

北极海冰的持续融化对全球海上贸易模式和经济格局的影响

2003年8月3日,中国气象局在京首次以年报形式发布《极地气候变化年报(2022年)》。年报显示,北极近40多年来持续增温且呈现快速上升趋势。在1979-2022年期间,北极近地面年平均气温升温速率为每十年0.67℃,是全球升温速率的3.7倍。2022年北极近地面平均气温比多年平均值(1991-2020年平均值)偏高1.10℃。

冬季北极涛动和北极海冰变化对东亚气候变化的影响

本文简要回顾了冬季北极涛动 (北大西洋涛动 )和北极海冰面积变化对东亚气候变化的影响、研究中存在的问题以及目前亟待解决的科学问题。

秋季北极海冰与欧亚冬季气温在年代际和年际尺度上的不同联系

北极海冰的急剧消融在近年来欧亚大陆频发的低温事件中扮演着关键角色.秋季北极海冰的偏少对应着冬季欧亚大陆的低温天气,然而二者的联系在年代际和年际两种时间尺度上存在显著区别.本文运用1979—2012年哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的2m温度、风场、海平面气压场、高度场等资料,分别研究了年代际和年际时间尺度上前期秋季北极海冰与欧亚冬季气温的联系.结果表明,欧亚和北极地区(0°—160°E,15°N—90°N)的冬季气温具有显著的年代际和年际变化.在年代际尺度上,温度异常分布在21世纪初由北极冷-大陆暖转为北极暖-大陆冷.这一年代际转折与前期秋季整个北极地区的海冰年代际减少联系密切.秋季北极全区海冰年代际偏少对应冬季欧亚大陆中高纬地区的高压异常,有利于北大西洋的暖湿气流北上和北极的冷空气南侵,造成北极暖-大陆冷的温度分布;在年际时间尺度上,温度异常分布主要由第一模态的年际变化部分和第二模态组成,且第一模态包含的年际变率信号也存在显著的年代际变化.年际尺度上全区北极海冰对欧亚冬季气温的影响远不及位于北冰洋西南边缘的巴伦支海、喀拉海和拉普捷夫海西部(30°E—120°E,75°N—85°N)的关键区海冰影响显著.关键区内海冰的偏少会引发冬季的北大西洋涛动负位相,导致北大西洋吹往欧亚大陆的暖湿气流减弱和欧亚大陆中高纬地区的气温偏低.

Nudging资料同化对北极海冰密集度预报的改进

北极夏季海冰的快速减少使得北极航道提前开通成为可能。为了给北极冰区船运活动提供及时可靠有效的海冰预报保障,急需提高海冰预报水平。本文基于麻省理工大学通用环流模式（MITgcm）,使用牛顿松弛逼近（Nudging）资料同化方法将德国不莱梅大学的第二代先进微波辐射成像仪（AMSR2）海冰密集度资料同化到模式中,建立了北极海冰数值预报系统。设计试验对比3种不同Nudging系数计算方案的改进效果,结果表明选择合适参数后,不同方案均能显著改进海冰密集度初始场。通过设计有无Nudging同化的两组预报试验,结合卫星遥感海冰密集度及中国第五次北极科学考察期间＂雪龙＂船的走航海冰密集度观测数据,定量分析了Nudging同化方案对北极海冰密集度的24~120h预报结果的改进效果。结果表明,Nudging同化对120h内全北极海冰密集度的空间分布和移动单点目标的海冰密集度预报结果均有显著改善;但在海冰变化很小的情况下,Nudging同化试验的24~120h预报结果均劣于惯性预报结果,说明基于Nudging同化的数值预报系统还需进一步提高预报技巧。