北极海冰变化及其气候效应研究

论文摘要

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一。作为全球气候的冷源,北极的大气、海洋、海冰的运动直接或间接影响着全球尺度的大气环流、海洋环流和气候变异,实现了与全球气候系统的相互作用。研究表明：在全球变暖的背景下,近30年来北极的气候系统发生了比其它地区更为显著的变化,是气候变暖的放大器和指示器。海冰作为北极的重要组成部分,它的变异是北极气候变化的重要体现之一,同时也会通过各种反馈机制与气候系统中的其它因子相互作用。本文使用线性分析、EOF分解等方法,对SSM/I （Special Sensor Microwave/Imager）卫星遥感海冰密集度资料（时间为1978.10-2002.9,分辨率为25x25km）进行了综合分析,研究了北极不同区域海冰面积、范围的时间、空间变化特征。在此基础上,利用NCEP月平均再分析资料（1978-2002）,采用合成场分析方法,研究了北极海冰分布主模态与北半球大气环流、表面温度异常的关系,特别是与我国冬季气温异常的关系。采用NASA GISS ModelE的大气环流模式,进行了数值模拟试验。为了研究真实海冰变化对北半球大气环流及气温的影响,敏感试验中分别将冬季（12-2月）北极海冰10年变化趋势（Atrend）和北太平洋海冰10年变化趋势（Ptrend）作为外强迫。通过对模拟结果的分析,研究了这两种情况下大气环流、气温的响应特征以及机制,特别是我国冬季气温的响应情况。得到的主要结论如下：（1）北极海冰具有明显季节变化、年际变化和年代际变化特征。总体上,北极海冰在迅速减少,其中夏季减少的趋势比冬季更明显,特别是夏季洋中区海冰的减少将很难在短期内得到恢复。（2）EOF分解得到的北极海冰空间分布最主要的特征在北太平洋表现为鄂霍次克海和白令海海冰面积的翘翘板式的空间特征,并且时间系数自1989年以后持续正值,说明该模态是20世纪90年代以后北太平洋海冰分布的主导型。（3）北极海冰同一特征的不同位相对应的大气环流和气温具有明显的反位相结构；北太平洋海冰分布第一模态正位相时,我国东北、华北、内蒙古地区温度正距平、其它区域温度负距平,其中我国东北是温度正距平最大的区域；北大西洋海冰分布的第一模态正位相时,我国温度均为负距平。对比北太平洋和北大西洋的海冰分布第一模态正位相,我国东北地区的温度是相反的,并且大气对北太平洋海冰分布第一模态的响应幅度要强于北大西洋海冰。（4）模拟研究表明北极海冰变异在局地区域以负反馈的机制影响表面热交换,鄂霍次克海、巴伦支海海冰减少,热交换增加；白令海海冰增加,热交换减少。（5）北极海冰变异对北半球中高纬度的大气环流、温度都有巨大的影响。Atrend会导致AO加强,西风带加强,不利于高纬度的南北热交换；Ptrend会导致AO被破坏,极涡减弱,西风带减弱,高纬度的南北热交换南北加剧。冬季北极海冰变异对我国冬季气温有显著影响,Atrend会导致我国东北地区及内蒙古东部温度升高,最大超过2.0℃,其它大部分区域的温度出现强的负响应；Ptrend会导致东北地区相对弱的正响应,而在东部以及西南地区的响应与Atrend相反。我国地处北半球中高纬度,常年受到来自极地的冷空气的影响,研究北极海冰变化对我国气候的影响机制,对预报工作具有指导意义。特别是进入20世纪90年代以来,北太平洋海冰第一模态持续正位相与东北、华北北部地区温度的正距平相关联。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 北极系统变化相关事实
• 1.1.1 北极系统变化的背景
• 1.1.2 北极系统的快速变化
• 1.2 北极系统变化的研究进展
• 1.2.1 北极大气变化机制研究
• 1.2.2 北极海冰变化机制研究
• 1.3 北极系统变化气候效应的研究进展
• 1.3.1 AO和NAO变化与全球及东亚气候的关系研究
• 1.3.2 北极海冰变化与全球及东亚气候的关系研究
• 1.4 北极系统变化的前沿问题
• 1.5 本论文工作
• 1.5.1 出发点
• 1.5.2 研究内容
• 2 北极海冰变化特征分析
• 2.1 资料及方法
• 2.2 北极海冰面积、范围的时间变化趋势分析
• 2.3 北极海冰空间分布的主要模态分析
• 2.4 小结
• 3 北极海冰变化与大气环流、气温的关系
• 3.1 数据及方法
• 3.2 海冰空间分布特征及变化趋势分析
• 3.3 北极海冰变异与全球1000HPA温度异常的关系分析
• 3.3.1 北太平洋侧海冰变异与温度异常的关系
• 3.3.2 北大西洋侧海冰变异与温度异常的关系
• 3.4 北极海冰变异与中国温度的关系
• 3.5 小结
• 4 北极海冰气候效应的模拟研究
• 4.1 数值试验介绍
• 4.1.1 NASA GISS Climate Model介绍
• 4.1.2 本项工作模式的具体配置
• 4.2 模拟工作及结果分析
• 4.2.1 局地响应
• 4.2.2 大尺度环流的响应
• 4.2.3 全球表面气温的响应
• 4.2.4 海冰变异后气候响应的物理机制
• 4.3 北极海冰变异对我国气候的影响
• 4.3.1 东亚大气环流的响应
• 4.3.2 气温的异常响应及其机制
• 4.4 小结
• 5 论文总结
• 5.1 北极海冰变化特征研究
• 5.2 北极海冰变化与大气环流、气温的关系研究
• 5.3 北极海冰变化气候效应研究
• 5.4 今后进一步深入研究的问题
• 5.5 论文后记
• 参考文献
• 在攻读学位期间发表的论文
• 致谢