海洋地质与环境重点实验室知识库

  自1979年以来，在全球变暖的大背景下，北极变暖的速度几乎是全球的四倍，这一现象被称为北极放大。作为北极气候的重要指示因子，北极海冰范围和体积在近几十年来发生了显著变化，由于北极海冰变化对地表反照率、大气与海洋之间的通量交换、全球水循环以及大洋环流具有重要调控作用，因此海冰变化将深刻影响全球气候变化。北极海冰储量主要由两个过程决定：海冰在北极海盆内的热力学生长和融化，以及关键通道的海冰输出。大气因子是对海冰变化产生调控的关键因素，其中，气旋是北极地区重要的极端局地天气尺度的大气活动，在一年四季频繁发生。气旋活动伴随的大风异常和携带的能量以及水汽可通过多种机制对决定海冰储量的两个关键过程产生影响，与北极海冰的变化密切相关。在北极海冰大幅降低、对外强迫响应能力增强的背景下，研究北极海冰的变化及影响因素具有重要的科学和战略意义，阐明气旋活动对海冰的调控作用以及具体机制，有助于理解北极放大背景下极端天气变化产生的环境效应和北极地区大气-海冰相互作用机制。

  基于每日海冰运动（Sea Ice Motion, SIM）、海冰密集度（Sea Ice Concentration, SIC）数据，PIOMAS（the Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System）海冰模式输出的海冰厚度数据，以及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）提供的第五代气象再分析数据集（ERA5）等基础数据，本文获取了1979-2021年间海冰覆盖面积、体积、厚度、年龄以及关键通道体积输出的长时间序列；利用一种改进的气旋自动化识别和追踪算法提取了四十多年来北半球中高纬度地区（30°N-90°N）的气旋系统轨迹，同时计算了描述气旋系统的关键特征要素，包括气旋形成和消亡、频率、强度、半径、迁移速度和距离；估算了大气向极能量和水汽的输送通量，对四十年来北极海冰变化以及气旋活动的调控作用进行了综合分析，形成主要创新点和结论如下：

  一、1979-2021年间北极海冰参数长时间序列的估算和综合分析

  多源海冰参数长时间序列的分析结果表明，北极海冰覆盖范围（Sea Ice Extent, SIE）、体积（Sea Ice Volume, SIV）、厚度（Sea Ice Thickness, SIT）以及关键通道的海冰体积输出量（Sea Ice Volume Flux, SIVF）都呈现明显的季节循环，一般地，最大值发生在寒冷月份，最小值发生在夏季。自1979年以来，北极海冰呈现剧烈减小趋势，具体来说，海冰范围（月平均距平值总体呈显著的下降趋势，速度为每十年降低4.56×10⁴ km²，海冰体积距平值的下降趋势更明显（每十年降低2.50×10² km³），意味着海冰体积的减小程度较覆盖范围的下降更甚，主要是由于不同季节北极地区各海域海冰厚度均呈现减少趋势。但值得注意的是，海冰密集度和厚度变化趋势的空间分布模态存在季节差异。此外，海冰年龄也呈现减小的趋势，多年冰大幅度减小，季节冰逐年增加。弗拉姆海峡是北极海冰输出的主要通道，全年输出体积量占总输出的97％以上，四十多年以来，通过弗拉姆海峡输出的每月累积体积通量显著增加（每年增多0.52 km³），但年度累积输出体积的增加趋势并不显著，这归因于通道处海冰厚度和运动速度存在相反的长期变化趋势。

  二、1979-2021年北极中高纬度地区气旋活动的变化和影响因子

  基于自动提取的气旋活动数据集，本文统计了1979-2021年期间北半球中高纬度地区冬季和夏季发生的气旋系统的基本特征，分析了气旋活动的时空变化。发现夏季气旋活动数目较多、寿命、半径、移动距离高于冬季，但强度较低。北极地区气旋的位置、频率及其他特征要素的分布具有空间不均匀性，冬季和夏季时巴芬湾及周边海域、阿拉斯加半岛、北欧海以及俄罗斯中北部以及东部均是气旋活动的高发区域，与冬季相比，夏季欧亚大陆中部延伸到东部的气旋以及北极海盆内的气旋活动更频繁。无论夏季还是冬季，北大西洋海域的气旋强度较大，其次是北太平洋。气旋活动在四十年来发生了明显变化，冬季发生在北大西洋延伸至挪威海的区域以及格陵兰岛北侧的中央极区、夏季时东西伯利亚海向西至巴伦支－喀拉海地区气旋频率和强度逐年增加。另外，北极气旋活动受到大尺度大气环流模态的调控，其中，北极涛动（Arctic Oscillation, AO）对北极气旋活动的调控最为显著。

  三、向极大气能量和水汽输送的重要通道和长期变化趋势

  北极地区大气水分和热量的一个重要来源是自较低纬度地区的输入，大气穿过北极边界向极输运的水汽和能量直接影响北极局地气候，对海冰物质平衡作用较大。冬季时，大气能量进入北极的通道主要位于白令海峡附近海域、北大西洋海域的拉布拉多海延伸至此处东侧的格陵兰海以及135°E-180°E范围的东西伯利亚海；大气潜热（与水汽一致）输送的经向分布基本与总能量一致，只是在北大西洋区域输入的通道更偏东，另外，从格陵兰岛向东的大部分地区基本都是潜热通量进入北极的通道。夏季，北半球大气能量和水汽进入北极的通道十分吻合，主要位于波弗特海、巴芬湾和北欧海，且水汽输送较冬季高而总能量输送较冬季低。从长期变化来看，进入北极的大气能量和水汽的长期趋势在冬季和夏季均存在空间异质性，夏季跨越60°N向北极汇聚的能量和水汽具有显著的增加趋势。

  四、 气旋活动对海冰的调控作用和内部机制

  在探讨了北极海冰变化、气旋活动和大气向极能量和水汽输送的时空特征的基础上，本文进一步分析了气旋活动对弗拉姆海峡海冰输出（动力学机制）以及对大气向极能量和水汽输送的调控（热力学机制）作用。结果表明，从动力学角度，气旋活可以改变局地近地面气压结构，其伴随的异常大风可改变海冰的运动特征，进而导致海冰体积输出的变化，但这种调控取决于气旋活动的位置和路径。回归分析表明，影响弗拉姆海峡海冰体积输出的气旋活动关键区域位于格陵兰岛东部的北欧海。从热力学角度来看，气旋活动是向极能量和水汽运输的重要载体，在大气能量和水汽进入北极的关键通道，气旋活动频发且强度较大。最后，通过对2020年7月份北极SIE极小值这一极端事件的分析，详细说明了气旋活动对北极海冰变化的调控，在这个案例中，气旋活动主要是通过热力学机制做出贡献。具体的作用机制如下：气旋活动与异常的大尺度大气环流模态协同作用，在2020年春季至初夏将大量能量和水汽输入至海冰大范围消融的海域，通过加强局地温室效应，改变地表辐射热收支，促进了海冰表面融化，提前触发了反照率正反馈，造成太阳辐射的大量吸收。

摘 要.................................................. I

Abstract............................................... IV

第1章 绪论............................................ 1

1.1 研究背景及意义....................................................... 1

1.2 研究现状......................................................... 3

1.2.1 北极海冰变化................................................ 3

1.2.2 北极海冰输出................................................ 6

1.2.2 北极大气能量输送............................................ 8

1.2.3 北极气旋活动............................................... 12

1.3 研究内容........................................................ 15

1.4 技术路线........................................................ 16

第2章 数据和方法..................................... 17

2.1 数据介绍........................................................ 17

2.1.1 海冰数据................................................... 17

2.1.2 气象再分析数据............................................. 18

2.1.3 其他数据................................................... 19

2.2 海冰体积输出通量估算方法......................................... 19

2.3 气旋自动化识别和追踪方法......................................... 21

2.4 海冰生长模型.................................................... 23

2.5 季节划分........................................................ 23

第3章 北极海冰变化................................... 25

3.1 海冰覆盖面积和体积............................................... 25

3.2 海冰厚度和年龄.................................................. 28

3.3 北极海冰输出.................................................... 32

3.4 小结............................................................ 38

第4章 北极气旋活动................................... 39

4.1 气旋活动分布特征................................................. 39

4.1.1 统计特征................................................... 39

4.1.2 空间分布规律............................................... 41

4.2 气旋活动的长期变化趋势........................................... 45

4.3 大气环流模态对气旋活动的调控..................................... 48

4.4 小结............................................................ 50

第5章 向极大气能量输送............................... 53

5.1 空间分布............................................................ 53

5.2 季节变化............................................................ 56

5.3 长期趋势............................................................ 57

5.4 小结................................................................ 60

第6章 气旋活动对关键过程的调控........................ 61

6.1 对弗拉姆海峡海冰输出的调控........................................... 61

6.2 对向极大气能量水汽输送的调控......................................... 63

6.3 案例分析............................................................ 66

6.4 小结................................................................ 77

第7章 总结和展望..................................... 79

7.1 主要结论........................................................ 79

7.2 创新点.......................................................... 81

7.3 未来工作展望.................................................... 81

参考文献............................................... 83

致 谢................................................. 93

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果.......... 95