基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

ERA40中北半球高纬地区冬季气候变化和冰-气相互作用特征分析

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料(ERA40)分析了最近几十年冬季北半球高纬地区的气候变化和冰-气相互作用特征。在全球增暖背景下,冬季北半球高纬地区增温幅度更大,但温度变化明显具有区域性特点。20世纪70年代末期开始,格陵兰海、巴伦支海及欧亚大陆大部分区域和北美大陆部分区域在增暖,而拉布拉多海、格陵兰和白令海峡区域却变冷。与此对应,中央北极区及气候冰岛低压中心海平面气压在降低,而再往南区域海平面气压在升高。从20世纪70年代开始,格陵兰海和巴伦支海给大气的感热通量和潜热通量增多,这说明由于气温增加,使得海冰密集度减小,海冰对海气感热通量和潜热通量交换的隔离层作用减小,通量交换大大增加。而在挪威海非海冰区,由于气温增加,海气温差减小,海洋给大气的感热通量和潜热通量减少。在拉布拉多海,由于气温降低,海气温差增大,使得海洋给大气的感热通量和潜热通量增加,有利于拉布拉多海海冰的增多。海平面气压、海冰密集度及表面感热通量和潜热通量之和对大气表面温度 EOF 展开第一模时间系数的线性回归结果均与各自的EOF 展开第一模空间分布特征接近。     

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。     

南北极海冰变化及其影响因素的对比分析

海冰是海洋-大气交互系统的重要组成部分,与全球气候系统间存在灵敏的响应和反馈机制。本文选用欧洲空间局发布的1992—2008年海冰密集度数据分析了南北极海冰在时间和空间上的变化规律与趋势,并结合由美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)联合制作的NCEP/NCAR气温数据和ENSO指数探讨了南北极海冰变化的影响因素。结果表明,北极海冰面积呈明显的减少趋势,其中夏季海冰最小月的减少更快。北冰洋中央海盆区、巴伦支海、喀拉海、巴芬湾和拉布拉多海的减少最明显。南极海冰面积呈微弱增加趋势,罗斯海、太平洋扇区和大西洋扇区的海冰增加。北极海冰面积与气温有显著的滞后1个月的负相关关系(P0.01)。北极升温显著,北冰洋中央海盆区、喀拉海、巴伦支海、巴芬湾和楚科奇海升温趋势最大,海冰减少很明显。南极在南大西洋、南太平洋呈降温趋势,海冰增加。北极海冰减少与39个月之后ONI的下降、40个月之后SOI的上升密切相关;南极海冰增加与7个月之后ONI的下降、6个月之后SOI的上升存在很好的响应关系。南北极海冰变化与三次ENSO的强暖与强冷事件有很好的对应关系。     

基于北极多源卫星数据的海冰厚度时空变化对比与评估

海冰厚度作为海冰的重要变量之一,相较于海冰密集度、海冰漂移速度、海冰范围等,数据时空完整性仍然不足。当前获取北极海冰厚度的主要手段为卫星遥感,除之前的CryoSat-2、SMOS等卫星,2018年11月又新增了ICESat-2卫星。目前,针对北极多源卫星海冰厚度的时空变化差异性对比以及数据精度评估的工作较少,因此,本研究通过选取最近的完整两年(2019—2020年)内的ICESat-2、CryoSat-2以及CS2SMOS(CryoSat-2和SMOS融合产品)海冰厚度数据进行对比分析,量化其时空差异。结果显示,整体上CryoSat-2卫星数据的平均海冰厚度最大, ICESat-2其次, CS2SMOS最小。三种卫星数据间的差异具有明显的时空变化特征,在海冰厚度高值区ICESat-2数据的厚度最大, CryoSat-2与CS2SMOS数据的厚度相近,而在海冰边缘区CryoSat-2数据的厚度最大, CS2SMOS最小。从区域来看,不同卫星数据反演的海冰厚度在东西伯利亚海和波弗特海区域差异较小,在巴伦支海区域差异较大。在此基础上,利用研究时段内的“冰桥行动”实地观测数据对多源卫星数据进行...     

北极多源积雪深度数据对比评估及其对海冰厚度估算的影响

积雪深度是估算海冰厚度重要的参数之一,目前对不同积雪深度产品精度及其可适用范围的评估研究较少,也缺乏系统性的认知。本研究选取了11种北极积雪深度产品,根据产品的不同时间范围,分为2013—2018年和2018—2019年2个评估时间段。根据上述时间段,对比分析了各产品之间的差异性,然后将这些产品与“冰桥行动”和海冰质量平衡浮标的现场观测结果进行了评估。所有产品都显示格陵兰岛和加拿大北极群岛的北部积雪深度较厚,而在东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海沿线区域的积雪深度较薄,不过,部分产品在时空变化上仍存在较大差异。与“冰桥行动”的观测数据对比发现,大部分产品数据雪深都较厚, AMSR2B和IS2/CS2分别在2013—2018年和2018—2019年的评估时间段内差异较小,拟合度较好。与海冰质量平衡浮标的对比结果显示,绝大部分产品数据雪深都较薄,并且差异性较大,其中NESOSIM在整个时期拟合度较好。利用不同产品的积雪深度反演海冰厚度的结果差异显著,与“冰桥行动”观测的海冰厚度对比发现, FY3B/MWRI和IS2/CS2分别在2013—2018年和2018—2019年的评估时间段...     

一个北极区域冰海耦合模式的设置与应用

介绍了一个北极区域冰-海耦合数值模式的设置与应用。海洋模式基于MIT海洋环流数值模式,海冰动力学过程由Hibler的粘-塑模型发展而来。海冰的热力过程基于Winton提出的三层热力学模型。给出了耦合模式的基本框架,重点介绍了区域冰-海耦合系统中较为重要的程序包,如正交网格生成技术,中尺度涡的参数化,冰-海耦合及开边界处理等。以NCEP再分析资料为大气强迫场,模拟研究了北极夏季海冰范围异常的变化特征(1992—2007),模拟得到的海冰面积变化趋势与SSM/I观测资料进行了对比,两者相关系数达到0.88,模式基本反映了海冰的年际变化特征。以2007年为例,对比分析了9月份海冰密集度分布特征,模式结果得到的海冰范围略大于观测,但基本反映了2007年夏季海冰范围的衰减形态。     

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     

2014年夏季北极东北航道冰情分析

使用2003—2014年6—9月份的AMSR-E和AMSR-2海冰密集度数据计算了北极海冰范围, 并获得海冰空间分布图。通过分析得出, 2014年北极夏季海冰范围在数值上与2003—2013年的多年平均值很接近, 在空间分布上与多年中值范围相比主要表现为两个方面的不同：(1)2014年夏季拉普捷夫海及其以北海域海冰明显少于多年中值范围, 9月份冰区最北边界超过了85°N;(2)巴伦支海北部斯瓦尔巴群岛至法兰士约瑟夫地群岛区域海冰范围明显多于多年中值范围, 而且海冰范围在8月份不减反增, 冰区边界较7月份往南扩张了约0.8个纬度。2014年夏季在拉普捷夫海以南风为主, 而在巴伦支海以北风为主。南风将俄罗斯大陆上温暖的空气吹向高纬地区, 造成高纬地区温度偏高, 促进拉普捷夫海海冰融化, 并使海冰往北退缩。北风将北冰洋上的冷空气吹向低纬地区, 造成巴伦支海的气温偏低, 不利于海冰的融化, 同时北风使海冰往南漂移扩散, 造成巴伦支海北部海冰范围在2014年偏多。2014年北地群岛航线开通时间范围大约在8月上旬到10月上旬, 时长约两个月。新西伯利亚群岛及附近海域的开通时间稍早于北地群岛, 但关闭时间比北地群岛晚, 所以 2014年东北航道全线开通的时间主要受制于北地群岛附近海冰变化。     

近30年北极海冰异常变化趋势

在过去30年间,北极气候发生了前所未有的异常变化,北极海冰变化更是经历了令人瞩目的、从平缓到突变的缩减过程,因此,北冰洋及其海冰的研究得到广泛的重视。综述当前国内外有关北极海冰快速变化的研究工作,对这些大气的现场观测和卫星遥感资料的分析,以及一些全球和区域气候模拟的结果,基本上一致地指出了近3O年来北极海冰的快速衰减趋势,尤其是夏季北极海冰正以每lO年超过10％的变化幅度快速减少。从海冰的基本物理特征、与大气海洋相互作用的物理过程、及其对全球和北极气候变化的响应和反馈机制,研究形成这种快速变化的因子--海表面气温增暖,太平洋与大西洋人流的热盐性质变化,以及大气环流模态的影响等。     

Coordinated changes of sea ice over the Beaufort and Chukchi seas: regional and seasonal perspectives

One outstanding feature of the recent Arctic climate is the contrast of the changes of sea ice concentration and thickness between the Beaufort Sea and the Chukchi Sea. Since the Arctic Oscillation (AO) plays a critical role in driving Arctic sea ice changes and the Beaufort and Chukchi seas have been hypothesized as a region in which sea ice anomalies originate, we employed a coupled sea ice-ocean model and carried out simulations forced by the AO signal to examine sea ice changes in these regions, focusing on seasonality. With the AO phase transition from negative to positive, anticyclonic windstress weakens broadly in both winter and summer; however, the surface air temperature response shows remarkable seasonal dependence. Positive temperature anomalies spread over the entire domain in winter, while negative anomalies occur in the shelf seas in summer, although positive anomalies remain in the deep-water portion. The simulated sea ice concentration resembles the observed concentration. The strong seasonality of sea ice concentration changes suggests that accumulation of sea ice concentration in the Beaufort Sea and reduction in the Chukchi Sea are mainly produced in summer. Changes of ice thickness are robust through the seasonal cycle. Generally, sea ice dynamics play a critical role in creating the anomalous sea ice pattern and sea ice thermodynamics partially compensate the dynamically-driven changes. However, considerable seasonal differences occur.     

Seasonal and long-term sea level variability in the marginal seas of the Arctic Ocean

One of the parameters useful for monitoring large-scale climate variability in the Arctic Ocean is sea level. It integrates virtually all static and dynamic processes in the hydrosphere and atmosphere of the Arctic. Previously unavailable mean monthly sea level data at 44 coastal and island stations in the Kara, Laptev, East Siberian and Chukchi seas covering years from 1950 to 1990 were used to analyse seasonal and inter-annual variability. Sea level has a significant annual cycle with an average seasonal amplitude (from peak to peak) in the coastal zone of the Arctic seas on the order of 20 - 30 cm. The analysis of inter-annual and inter-decadal changes has shown that at nearly all stations in the Kara, Laptev, East Siberian and Chukchi seas from the beginning of the 1950s through the end of 1980s there is a positive trend in sea level variability. The main contribution to the sea level rise was in the 1980s; on average for the coastal zone of Siberian shelf the sea level in the 1980s was 5-6 cm higher than in the previous decades. A reasonable agreement between observed decadal mean sea level values and the results of diagnostic model simulations suggests that this rise in the Arctic seas is connected with the reorganization of large-scale circulation of the Arctic Ocean, rather than the regional lowering of the coasts, as has been suggested previously.     

北冰洋西部表层沉积物矿物学特征及其物质来源

对北冰洋西部79个表层沉积物样品进行了全岩X射线衍射矿物组成分析,结合洋流和地质背景,探讨各矿物分区的物质来源。矿物组合分区表明研究区物质来源变化较为复杂:(1)在楚科奇海的中部靠近白令海峡处长石含量很高,主要是阿纳德尔流携带的来自阿纳德尔河的沉积物;在楚科奇海的西侧的长石含量也较高,且与其他矿物组合分区相比,角闪石含量较高,这是因为受阿纳德尔流和东西伯利亚沿岸流的双重影响,沉积物来自西伯利亚陆地的一些高含长石的火山岩及沉积岩等。在楚科奇海的东侧,石英含量很高,来源为阿拉斯加沿岸流携带的育空河及卡斯奎姆河的沉积物。在阿拉斯加北部,碳酸盐岩和石英含量高,这与马更些河搬运的沉积物有关;(2)北冰洋西部深水区中加拿大海盆的南端和中部方解石和白云石的含量较低,说明受波弗特环流携带的加拿大北极群岛的碳酸盐影响相对较小,且与其他矿物组合分区相比,云母含量最高,说明沉积物主要来源为来自拉普捷夫海的海冰沉积物;此外,一些黏土级细粒物质可能由大西洋中层水携带而来。深水区的其他海域以方解石和白云石含量高为特点,主要受波弗特环流的影响,来源主要为加拿大北极群岛的班克斯岛和维多利亚岛;此外,还受来自西伯利亚陆架,主要是拉普捷夫海沉积物的影响。     

北极拉普捷夫海海冰多年变化研究

拉普捷夫海是北冰洋的边缘海和冰源地,对北冰洋的海冰变化有重要影响。通过分析AMSR-E海冰密集度数据以及NECP-DOE的风场、温度场数据,结果表明拉普捷夫海海冰在2002—2011年经历了如下过程：重冰年(2002—2004)—过渡性质年份(2005—2006) —轻冰年(2007、2009—2011),即冰情由重向轻转变。研究结果也表明拉普捷夫海的冰情轻重与融冰期长短有较好的相关性,融冰期持续时间越短,冰情越重。4个参数,包括海冰距平指数、最小海冰覆盖率、积温、风驱动指数描述了拉普捷夫海的海冰多年变化过程。海冰距平指数是时间（3—11月）平均下的海冰覆盖率距平值,定量给出了各年冰情的轻重;最小海冰覆盖率是夏季海冰的极限情况,变化范围在0.45%—48.73%,发生时间为8月底至10月上旬。积温是上一个冬季气温积累对当年冰情的影响,结果表明积温是影响当年冰情轻重的主要因素。2008年的上一个冬季经历了异常低温,造成当年的异常重冰年。风驱动指数给出了风场对海冰覆盖率变化的短期影响,与同时期其他年份相比,2006年4月、2007年9月均出现了异常强北风,一定程度上造成了2006年融冰开始时间延后、2007年夏季最小海冰覆盖率的明显偏大。     

内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡及环流特征分析

利用内蒙古中西部50个气象观测站1961—2000年春季沙尘暴日数资料,国家气候中心提供的北半球月平均500 hPa高度场网格尺度为10°(经度)×5°(纬度)的网格点资料、北半球500 hPa月平均环流特征量资料、东亚季风资料分析研究冬春季中高纬度大气环流的年代际尺度的演变特征及其对内蒙古中西部沙尘暴的影响,进一步揭示内蒙古中西部春季沙尘暴年代际变化的原因。结果表明：青藏高原位势高度、贝加尔湖地区位势高度、乌拉尔山地区位势高度、东亚冬季风、亚州经向环流、印缅槽、西太平洋副热带高压强度都对内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡产生不同的影响。为内蒙古中西部春季沙尘暴的短期气候预测提供年代际尺度上的基本环流背景。     

A diagnostic study of the Arctic Ocean winter density-driven circulation in 1973–79

Diagnostic computations of density-driven circulation for seven winters from 1973 through 1979 were carried out. The only forcing was provided by observed temperature and salinity data collected during onsite Russian winter surveys in 1973–79. Computed circulations from 1973 through 1978 were close to the mean circulation obtained earlier by averaging observed 1973–79 temperature and salinity (Polyakov & Timokhov 1994). The computed 1979 density-driven circulation flowed counter-clockwise to the north of the Laptev Sea. This circulation pattern was caused by an anomalous salinity distribution associated with changes in the atmospheric circulation regime in 1979. Prevailing offshore winds blew fresh water from the Laptev and East Siberian shelves toward Fram Strait. Fresh water was exchanged for saltier intermediate water that upwelled to the surface along the slope. The observed surface salinity anomalies at the continental slope of the Laptev Sea in 1979 increased by several salinity units. One may speculate that the same process may have caused the observed salinification of the Eurasian Basin in the 1990s.     

Long-term variability in Arctic sea surface temperatures

In this study, we used 30 years of an operational sea surface temperature (SST) product, the NOAA Optimum Interpolation (OI) SST Version 2 dataset, to examine variations in Arctic SSTs during the period December 1981–October 2011. We computed annual SST anomalies and interannual trends in SST variations for the period 1982–2010; during this period, marginal (though statistically significant) increases in SSTs were observed in oceanic regions poleward of 60°N. A warming trend is evident over most of the Arctic region, the Beaufort Sea, the Chuckchi Sea, Hudson Bay, the Labrador Sea, the Iceland Sea, the Norwegian Sea, Bering Strait, etc.; Labrador Sea experienced higher temperature anomalies than those observed in other regions. However, cooling trends were observed in the central Arctic, some parts of Baffin Bay, the Kara Sea (south of Novaya Zemlya), the Laptev Sea, the Siberian Sea, and Fram Strait. The central Arctic region experienced a cooling trend only during 1992–2001; warming trends were observed during 1982–1991 and 2002–2010. We also examined a 30-yr (1982–2011) record of summer season (June–July–August) SST variations and a 29-yr (1982–2010) record of September SST variations, the results of which are discussed.     

中国南方冬季异常低温和降水事件

This paper analyzed the anomalous low-temperature events and the anomalous rain-abundant events in January since 1951 and winter since 1880 for southern China.The anomalous events are defined using ±1σ thresholds.Twelve cold Januaries are identified where temperature anomaly below-1σ,and ten wet Januaries are identified where precipitation anomaly above +1σ.Among these events there are three patterns of cold-wet Januaries,namely 1969,1993 and 2008.The NCEP/NCAR reanalysis data are used to check the atmospheric circulation changes in association with the anomalous temperature and precipitation events.The results show that the strong Siberian High(SBH),East Asian trough(EAT) and East Asian jet stream(EAJS) are favorable conditions for low-temperature in southern China.While the anomalous southerly flow at 850 hPa,the weak EAT at 500 hPa,the strong Middle East jet stream(MEJS) and the weaker EAJS are found to accompany a wetter southern China.The cold-wet winters in southern China,such as...更多 January of 2008,are mainly related to a stronger SBH,and the circulation in the middle to upper troposphere is precipitation-favorable.In wet winters,the water vapor below 500 hPa is mainly transported by the anomalous southwesterly flow and the anomalous southern flow over the Indo-China Peninsula and the South China Sea area.The correlation coefficients of MEJS,EAMW(East Asian meridional wind) and EU(Eurasian pattern) to southern China precipitation in January are +0.65,-0.59 and-0.48 respectively,and the correlations for high-pass filtered data are +0.63,-0.55 and-0.44 respectively,the significant level is all at 99%.MEJS,EAMW and EU together can explain 49.4% variance in January precipitation.Explained variance for January and winter temperature by SBH,EU,WP(west Pacific pattern) and AO(Arctic Oscillation) are 47.2% and 51.5%,respectively.There is more precipitation in southern China during El Nio winters,and less precipitation during La Nia winters.And there is no clear evidence that the occurrence of anomalous temperature events in winter over southern China is closely linked to ENSO events.