冬季欧亚大陆盛行天气型与北极增暖异常的可能联系

利用ERA-interim的再分析资料和英国大气数据中心的海冰密集度资料,通过复矢量经验正交分析方法(CVEOF),本文研究了自1979-2016年37个冬季(12月1日至次年2月28日)共3330 d对流层中层500 hPa欧亚盛行天气型主要时空变化特征及其与近年来北极对流层中、低层增暖异常和北极海冰减少的可能联系。结果表明,CVEOF1解释了总异常动能的15. 82%,其两个子模态空间型分别表现为三极子型(0°和180°位相)和偶极子型(90°和270°位相)。其中,180°和270°位相的天气型发生时,冬季北极对流层中、低层偏暖,盛行暖北极-冷欧亚的大气环流形势。前期秋季从巴伦支海海域以东到波弗特海海域的海冰密集度(SIC)异常偏少可能是其影响因素之一。近年来这两个位相(180°和270°位相)的发生频次逐渐增多,与冬季频发的极端低温事件有紧密联系。在2005/2006年和2011/2012年冬季的冷事件中,180°和270°位相的发生频次明显偏多。因此,秋季从巴伦支海海域以东到波弗特海海域的SIC偏少,冬季北极对流层中、低层异常偏暖,有利于180°和270°位相天气型盛行,可能是导致冬季极端天气事件频发的主要原因之一。

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。

次季节变率和“北极增暖-欧亚变冷”的趋势

“北极增暖-欧亚变冷”的趋势显著影响了中低纬度地区的天气形态以及极端气候变化.然而,从2012年至2021年冬季,这一趋势显著减弱.与此同时,“暖北极-冷欧亚”(WACE)与其相反位相“冷北极-暖欧亚”(CAWE)模态之间的次季节位相转换频率显著增加,并且WACE/CAWE的次季节强度与1996-2011年可比.长期的再分析数据以及CMIP6模拟数据均支持频繁的WACE/CAWE次季节反转与“北极增暖-欧亚变冷”趋势减弱同时发生.前期热带大西洋海温和印度洋海温异常分别对前冬和后冬的WACE/CAWE有显著且主要的影响,并在CAM5和AMIP的数值实验中得到有效验证.两个海温的协同作用有效地调节了WACE和CAWE之间的次季节相位转换,正如2020和2021年冬季所发生的那样.本研究结果表明中低纬度地区极端气候预测中同样需要考虑次季节变率.

冬季北极增暖与中纬度环流和极寒天气之间的联系:经向位涡梯度的关键作用

冬季中纬度欧亚大陆在20世纪90年代后表现出明显的变冷趋势,这与近几十年的北极增暖和北极海冰快速融化同时发生,因此许多学者将中纬度极寒天气增多归结为北极增暖和北极海冰减少的影响,但也有些学者认为这两者之间没有关系.因此,中纬度极寒天气事件和北极增暖之间的关系仍是国际大气科学界未解决的难题.事实上,中纬度极寒天气的产生主要与阻塞的维持、位置和移动密切相关.文章通过回顾前人的研究指出,基于阻塞非线性多尺度相互作用(NMI)模型所提出的位涡经向梯度(PVy)可能是解决中纬度极寒天气和北极变化之间最关键的因子.根据NMI模型可以发现, PVy的大小主要反映阻塞的频散性和非线性强弱.研究表明,北极增暖通常会使得PVy减小,而当PVy较小时,阻塞系统有弱频散性和强非线性,因此阻塞能够长时间维持,从而导致欧亚大陆有强的极寒事件发生;但当PVy较大时,即使有北极增暖,阻塞也不容易维持,在这种情况下北极增暖或海冰融化对中纬度极寒事件的影响是弱的.因此,从PVy的大小去看中纬度极寒天气和北极增暖之间的联系也许将是未来该领域的一个主要研究方向.

协调大集合模拟下全球海表面温度对北极对流层早冬增暖的影响

本文使用六个不同的最新大气模式进行了协调数值集合实验,评估和量化了全球海表面温度(SST)对1982-2014年冬季早期北极变暖的影响.本研究设计了两组实验:在第一组(EXP1)中,将OISSTv2逐日变化的海冰密集度和SST数据作为下边界强迫场;在第二组(EXP2)中,将逐日变化的SST数据替换为逐日气候态.结果表明:(1)EXP1的多模式集合总体平均值显示0.4℃/10年的近地表(约850 hPa)升温趋势,为再分析数据结果中升温趋势的80%.(2)在这六个模式中,模拟的变暖趋势均很强,幅度为0.36-0.50℃/10年.(3)全球海表温度可以解释北极对流层中低层EXP1的大部分模拟的变暖趋势,占再分析数据结果的58%.(4)再分析数据结果中,北极上空的对流层上层变暖(约200 hPa)不是由强迫信号而可能是由自然气候变率引起的.本文还探索了影响北极初冬变暖的可能源区,并讨论了该研究的局限性.

2015/2016冬季北极世纪之暖与超级厄尔尼诺对东亚气候异常的影响

利用1980—2016年美国国家海洋与大气管理局气候预测中心的ENSO指数和NCEP/NCAR再分析资料,研究了2015/2016年冬季北极增暖和超级厄尔尼诺对东亚气候的影响。2015/2016年冬季热带中东太平洋爆发了超级厄尔尼诺事件,尽管大气环流出现了对ENSO的响应特征（如西北太平洋反气旋异常,东亚南部南风异常）,但东亚（尤其是我国东北、华北地区）1月的气温却明显偏低。分析表明,此次东亚气温偏低现象可能与2016年1月北极显著增暖有关。1980—2016年1月再分析资料的统计诊断分析结果显示,巴伦支海—喀拉海气温的升高会引起局地大气的上升运动异常,之后在下游（70-90°E附近）向南运动,并在西伯利亚地区（60-100°E,50-70°N）下沉,使得西伯利亚高压增强,其东侧的北风异常导致东亚气温偏低。基于Nino3.4指数、北极温度指数,采用多元线性拟合所得到的2016年1月东亚气温的回报结果与观测气温之间的空间系数为0.71,表明2016年1月北极增暖以及热带中东太平洋的厄尔尼诺事件能够从一定程度上解释东亚气温偏低的现象。

北半球夏季中高纬度大气阻塞对北极海冰变化的影响

利用NCEP/NCAR再分析逐日500 h Pa高度场资料,对北半球夏季中高纬度大气阻塞特征进行统计分析,发现大气阻塞活动频率高的地区主要集中在白令海峡区域、鄂霍次克海区域、欧亚大陆区域及格陵兰区域。而通过NSIDC提供的卫星观测资料发现近30年夏季海冰容易减少的区域正好对应阻塞活动北部的高纬度地区。分别通过对以上4个区域有阻塞发生相对没有阻塞发生时的500 h Pa位势高度场、地面温度场、850 h Pa经向瞬变热通量输送和平流输送等异常变化场进行对比分析,结果发现夏季中高纬度阻塞频率的增加对海冰的减少有显著影响,主要体现在阻塞的发生发展可通过增加高纬度地面温度、对极地的热量输送和暖平流输送来加快海冰的融化。这种阻塞引起的热力作用在鄂霍次克海和欧亚大陆区域效果更为显著。

基于AMSR-2微波遥感数据的北极海冰面积时空变化

【目的】分析北极海冰时空变化特征,并对其影响因素进行机理研究。【方法】利用不莱梅大学物理研究所提供的基于AMSR-2微波遥感数据ASI(ARTIST-Sea-Ice)海冰密集度(Sea-Ice-Concentration,SIC)数据,分析2013-2019年北极海冰覆盖面积及变化趋势,比较ASI海冰密集度数据与同期美国国家冰雪中心的MASAM2密集度数据对北极海冰面积计算的差异性;利用经验正交函数分析(EOF)方法,对北极海冰密集度的前三个时空模态进行探究;并结合海冰面积的时空变化特征,对气温、海表温度及下行长波辐射进行相关性分析。【结果与结论】在时间尺度上,从2013-2019年,北极海冰密集度呈加速减少趋势,年均北极海冰覆盖面积从9.23×10^(6) km^(2)下降至8.51×10^(6) km^(2),年均下降率达1.34%。在空间尺度上,北极中央冰区的海冰覆盖范围总体缩小,在白令海、格陵兰岛西侧巴芬湾、亚欧大陆北部喀拉海等边缘海域海冰面积均呈现快速减少的变化趋势。

近11年中国寒潮频发的机理分析

利用全国840个站点观测资料以及ERA5再分析资料,分析了过去63 a(1960—2022年)冬半年(前一年10月—当年4月)全国性寒潮频次的年代际变化特征。统计结果表明:在全球变暖背景下,寒潮频次的下降趋势在2012年发生了转折,2012—2022年呈现显著上升趋势。2012—2022年,乌拉尔山阻塞频率与全国性寒潮发生频次呈显著负相关。乌拉尔山阻高会抑制高空急流发生发展,大气经向环流减弱,北极内冷气团南下受阻,从而减少寒潮发生的频次。同时乌拉尔山阻高与东亚中高纬地区地面2 m温度经向分布联系紧密,乌拉尔山阻塞的频繁发生往往会出现更多的北极增温、中纬度地区降温的天气尺度现象。此外,北极增暖效应本身也与我国寒潮频次有显著的负相关,北极增暖会减小中高纬温度差,西风带减弱,进而减弱冷空气的输送。近11 a,乌拉尔山阻塞频率呈显著减少趋势,相应地,等熵面位涡经向梯度具有线性增加趋势,不利于阻塞高压的维持,伴随北极增暖效应也呈现出减弱态势,这样的大气环流配置有利于近年来我国寒潮频次的增加。

Impacts of the extratropical North Pacific on boreal summer Arctic circulation

北极夏季大气环流的一个显着特征是以北冰洋为中心的异常反气旋环流,与北极增暖存在紧密的联系.先前的研究已将其形成的潜在机制与早春欧亚融雪,热带太平洋海表温度异常联系起来.本研究发现北极夏季反气旋环流异常与春季副热带北太平洋海表温度异常(SSTA)存在显着联系,表明副热带北太平洋与北极之间存在遥相关.该SSTA的特点是北太平洋中纬度地区有暖的SSTA,,周围有明显的冷SSTA,类似于太平洋年代际振荡(PDO)的负位相,但热带地区没有明显的信号(本研究称之为类负位相PDO),5月份,这种类负位相PDO可以激发从白令海传播到北极的罗斯贝波,导致北极出现反气旋环流异常.这种反气旋环流异常可以持续到夏季.同时,这种类负位相PDO的SSTA可以持续到夏季,并在夏季引起白令海上空的低压异常.这种低层的低压异常会导致异常的上升运动,并引起高层的辐散异常,从而进一步加剧夏季北极对流层上层的反气旋环流异常。这种反气旋环流异常可迫使北极上空出现异常绝热下沉运动,导致北极出现显著的绝热加热.于是,北极上空出现显著的暖异常,其暖中心位于北极对流层中部。数值模拟试验证实了5月份类负位相PDO的SSTA与夏季北极反气旋环流异常之间的联系.

Comparing the Arctic climate in Chinese and other CMIP6 models

本研究采用来自耦合模式相互比较项目第六阶段(CMIP6)模式,评估和对比了10个中国模式和27个其他国际模式对北极冬季气候的历史模拟性能.本文的主要目的是展现中国模式对北极气候的模拟能力,并了解其在国际上的模拟水平.结果表明,对于气候态的模拟,中国模式在模拟北极温度场和大气场这些气候学方面与其他国际模式相当.而在趋势方面,中国模式同样和其他国际模式都能很好地模拟出北极变暖的特征.此外,与观测到的环流相比,CMIP6多模式集合平均值(MME)并没有显著的正趋势,这可能是因为外部强迫的作用.