海冰面积对北半球大气冬季环流的影响外文翻译资料

 2022-11-10 14:51:29

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海冰面积对北半球大气冬季环流的影响

摘要

研究了1989年至2010年基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）重新分析中期（ERA中期）大气数据和哈德利中心海冰数据集（HADISST1）的北极大气对低海冰和高海冰浓度阶段的响应。本文从行星波和斜压波对流层相互作用的角度，分析了过去8/9月高（19902000）和低（20012010）海冰浓度冬季大气环流的时间切片。结果表明，北冰洋海冰浓度的变化对天气和行星大气环流系统的发展有不同的影响。在低冰期，北冰洋上空更强烈的热量释放到大气中，会降低大气垂直静态稳定性。这导致了早期的斜压不稳定，进一步调节了时间尺度为2.56 d和行星尺度为1090 d的斜压波能量通量之间的非线性相互作用。我们的分析表明，北极海冰浓度的变化对冬季的大尺度大气环流产生了遥远的影响，例如抑制表面和对流层中部压力异常模式相似的正压结构。这与北太平洋地区明显的行星波列变化有关。关键词：北极海冰；大气环流；斜压行星相互作用；遥连接

1.引言

近几十年来北极夏季海冰覆盖量的下降可能是由于耦合的冰-海洋-大气-陆地系统中的十年尺度变化和辐射温室气体强迫（Serreze等人，2007年）的综合作用造成的。施特略夫等。（2007）分析了IPCC第四次评估报告模型模拟中的北极海冰覆盖变化，并证明观测到的海冰消退比模型平均值快得多。这表明在大多数模型中，对于观测到的北冰洋海冰下降的潜在过程，在复制过程中存在缺陷，并且可能表明这些机制尚未完全理解。北极海冰是全球气候系统的重要组成部分。一个原因是冰的数量控制着冬季寒冷的大气和温暖的、覆盖着冰的海洋之间的热交换。在最近的9月，北极海冰广泛退缩，导致第一年冰层在结冰季节大面积变薄，更容易在夏季融化（Stroeve等人，2011b）。此外，海冰的变化与大气风场和温度场、洋流和热储存的变化以及与水蒸气、云和气溶胶反馈有关的热力学和辐射过程有关的动力学过程相互作用（见Budikova的评论，2009年）。Blanchardwigglessworth等人（2011）调查了海冰的时间和记忆效应，并在模型模拟和观测的基础上表明，北极海冰在25个月的时间尺度上与冬季和夏季较长的持续时间不相关。

最近观测到的大量海冰消退与大气环流的变化和与北大西洋振荡/北极振荡（NAO/AO）相关的遥连接模式有关，并在20世纪90年代初转变为更强烈的正相位（Rigor等人，2002年）。Gerdes（2006），Deser等人研究了海冰异常对大气环流的平均影响。（2007），刘和亚历山大（2007），弗朗西斯等人。（2009年）、陆路和王（2010年）、佩托霍夫和塞门诺夫（2010年）。研究结果表明，北冰洋海冰影响中纬度遥连接模式的形成，特别是NAO模式。在大西洋和欧洲大陆上空，对北冰洋海冰覆盖变化的大规模大气响应在自由对流层最为显著，类似于大气变化的内部模式，即NAO/AO，并在初始海冰覆盖变化后22.5个月达到平衡（Deser等人，2007年）。Dethloff等人（2006）认为，在太平洋地区，海冰和积雪变化对大气环流的影响比在大西洋地区更大，因为北极能量平衡的相关变化产生了横跨太平洋盆地的大规模大气波列。模拟的太平洋海冰变化的大气响应类似于Honda等人所展示的观测数据。（1996）。

他们认为，北太平洋地区的冰-大气相互作用不同于北大西洋地区，这是通过增强原始大气环流异常和对大规模大气环流施加积极反馈。SIMPF等。（2005）在北半球冬季大气环流的理想化模型中表明，AO模式的纬向不对称模式是热陆地对比和地形的结果，与瞬时斜压活动的区域化有关。在这里，我们研究了冬季大气行星波和斜压气旋系统之间的联系，这两个系统都受低海冰浓度后秋季北极热异常的影响，以及它们对大尺度环流变化的影响。这项研究得益于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）重新分析中期（ERA中期）数据集在北极的质量提高，我们在这里应用。秋季北极低海冰范围与与与大气遥相关的半球冬季环流异常之间的联系尚不清楚。北极海冰覆盖变化对大气行星波的相对贡献以及与瞬时斜压活动的非线性相互作用有待进一步研究。如Sempf等人所示。（2007年），这些相互作用是正、负AO相之间季节性和年代尺度变化的主要驱动力，可以认为是合并吸引子废墟上相空间中的轨道混沌漂移导致的大气流态。screen和simmonds（2010）在ERA临时数据集中确定了一个超过700 hpa的北极变暖的放大，该数据集出现在冬季，并且持续弱于近地表变暖。对流层暖化加剧的存在要求，除海冰损失引起的海洋热量向大气的传递增多外，其他动力过程在冬季起着重要作用。Graversen等人（2008a）利用ERA-40数据研究了20世纪后期北极气温变化的垂直结构。他们在地表发现了一个温度放大现象，并得出结论：经向大气热传输的变化可能是最近北极温度放大的一个重要驱动因素。日本25年再分析（JRA-25）和卫星观测（Graversen等人，2008b）对这些发现进行了大量讨论和确认。尽管如此，Screen和Simmonds（2011）在ERA-40数据集中记录了一个不连续性，这使得它在确定北极温度趋势方面的应用存在问题。利用较新的年代中期数据，我们分析了冬季高冰浓度（1990-2000）和低冰浓度（2001-2010）期间北极海冰对瞬时斜压活动和大尺度大气环流系统及其非线性相互作用的影响。通过对冬季北冰洋冰盖、行星波和天气风暴轨迹之间的非线性关系的诊断，确定了海冰浓度变化对大气环流变化的影响。一个主要的焦点是在大气调整过程中，行星波和天气尺度变化之间的尺度分离，与高、低海冰覆盖变化有关。本观察研究的结果与Sokolova等人报告的模型研究进行了比较。（2007年），根据行星波和斜压波之间的非线性大气相互作用，分析了高、低海冰覆盖的两个时间片。他们发现，在斜压尺度上，伊莱森-棕榈（ep）通量增加，行星尺度减少，在高冰期更倾向于正AO相。

2.数据分析

分析是使用ECMWF ERA中期数据进行的，该数据由DEE和UPPALA（2009）描述。该数据集有一个改进的大气模型和同化系统，它取代了ERA-40中使用的系统，特别是对于数据丰富的1990年代和2000年代。ERA-40数据集的主要改进包括在t255处提高光谱分辨率、改进的模型物理参数化、更好的水文循环、四维变分数据和卫星辐射数据的ssimilation和变分偏差校正（dee和uppala，2009年）。ERA临时数据提供了更现实的2 R.Jaiser等人。Screen和Simmonds（2010年）描述的北极对流层温度以及北极地区的偏差减小（Dee和Upala，2009年）。在我们的研究中，我们使用2°*2°经纬度网格上的每日ERA中期数据，删除了季节性周期。分析的变量包括大气温度、风、位势高度和平均海平面压力。分别考虑斜压通量和行星尺度通量的变化。因此，两个数字滤波器与Blackmon和Lau（1980）开发的权重一起使用。利用对2.5-6天时间段敏感的带通滤波器提取斜压尺度波动。对于行星尺度的波动，低通滤波器对大于10天的时间周期很敏感。考虑到季节性周期已被取消，后一个周期限制为90天。根据所得的过滤数据，我们进一步计算了Trenberth（1986）引入的热量和动量通量以及局部ep通量矢量（详见附录）。这些通量用于诊断对流层和平流层的波活动。此外，EP通量的散度描述了行星或斜压尺度扰动对时间平均流的影响。除大气数据外，我们还使用来自气象局哈德利中心海冰和海面温度数据集（Hadisst1，Rayner等人，2003）的每月海冰浓度数据，该数据集位于1818经纬度网格上。图1显示了2001年8月/9月海冰浓度的标准差。我们计算了西伯利亚区域的海冰浓度面积平均值，包括卡拉海、拉普提夫海和东西伯利亚海（83°-75° N，60°-180° E，如图1中的蓝线所示），并在8月和9月进行了平均。选择该区域是因为海冰变化大，对大气系统的影响很大，如Honda等人所讨论的。（2009）。结果是一个时间序列，每年有一个值形成海冰浓度指数。夏末冰指数与上述冬季平均大气数据（12月至2月，DJF）相关。相关性的显著性是通过具有90%置信水平的学生t检验来计算的。在我们的敏感性研究中，我们选择了两个连续的冬季：1990-2000和2001-2010。前11年（1990-2000年）被选为前一个夏末海冰浓度明显较大的时间片（西伯利亚地区的平均值为0.57），称为高冰期。第二个10年期2001-2010表示海冰浓度较低（平均值为0.45），称为低冰期。利用90%置信水平的学生t检验，研究了两个阶段的大气数据差异的显著性。最大协方差分析（Mca；von Storch和zwiers，1999，详见附录）用于描述8月/9月平均海冰浓度场与整个时间段1989-2010年连续秋季或冬季平均海平面压力或500 hpa位势高度之间的关系。这种分析方法的结果是每一个气候场的模式对和相关的时间序列，它们通过相关时间序列的最大协方差进行耦合。这些数字显示了预期同时发生的模式对。

3.海冰面积对大气的影响

图2A中的冬季500 hpa低和高冰层浓度之间的地理位势差异在高纬度和中纬度上表现出明显的变化。北冰洋上空的地理位势高度的低/高值与分析期间海冰浓度的高/低有关。相比之下，在高/低冰期，大西洋和太平洋上观测到了正/负的地球电位异常。图2b显示了两个时期之间平均海平面压力场的类似变化，这与后期出现负AO模式的频率更高一致。

为了了解8/9月低北极海冰范围与冬季大气环流异常的联系，我们首先研究了秋季的斜压相互作用。图3显示了8月/9月由MCA获得的两组耦合模式，分别是海平面压力和秋季（9月至11月，son）的位势高度场。对于每个分析，将显示前两对MCA模式。9月海冰/9月海冰浓度与海平面压力（SLP）（图3ad）第一对MCA模式（解释29%的共同方差）描述了海冰减少，特别是西伯利亚和博福特海，与北大西洋正压异常和北西伯利亚负压异常协变。第二个MCA模式（解释了16%的共方差）揭示了西伯利亚和波弗特海海冰的东西偶极变化，这与北极东部的一个压力异常中心和北太平洋北部的一个反向中心有关。

图3eh显示了8月/9月平均海冰浓度和500 hpa处的位势高度的Mca。第一个MCA模式（解释了35%的协方差）再次描述了海冰的减少，特别是西伯利亚和博福特海的海冰，分别与延伸至东欧和加拿大中部的北冰洋的正高度异常以及靠近阿留申群岛的负异常协变。第二个MCA模式（解释了16%的共同方差）再次揭示了西伯利亚和波弗特海海冰变化中的一个东西偶极子，这与冬季北冰洋的一个高度异常中心以及北大西洋和欧亚大陆中纬度的一个反向中心有关。

在第一组海冰浓度与海平面压力或500 hpa位势高度之间的耦合MCA模式中，海冰的异常模式（对比图3a和e）显示出相似的结构。与此相反，海平面压力（图3b）和500 hpa（图3f）的位势高度的异常模式几乎没有相似性。地表和500 hpa之间的差异表明大气对秋季海冰浓度降低的明显斜压响应。

为了说明斜压过程的重要性，我们在图4中2.56天的时间尺度上显示了低冰期和高冰期的垂直静态稳定性、EADY增长率和经向热通量的高度-时间截面。根据Lindzen和Farrell（1980）的研究，计算了EADY的增长率。EADY增长率利用大气稳定性和经向温度梯度的变化来测量斜压性的变化（详见附录）。分别绘制了高、低冰期西伯利亚地区各变量的平均值。在图4a中，高冰期和低冰期的图4b中，可以看到10月底低大气中垂直静态稳定性的增加。比较这两个数字，可以看到低冰期大气稳定性的下降。差分图（图4c）显示了秋季对流层中部和下部的这种减少一直持续到12月。如图4d和图4e所示，秋季的EADY增长率高于冬季。此外，它们在低冰期增加（图4e）。这在一定程度上是由于大气稳定性下降，因此后期斜压性上升。图4f显示了从9月下旬开始到11月的这一增长。经向斜压热通量在10月初左右增强，如图4g和图h所示。图4i中的差分图描述了在低海冰期到10月中旬之间较强的经向斜压热通量。10月下旬的负差异较大，主要是高冰期热通量较强，低冰期热通量较弱。这种持续时间约为1周的热通量爆发可能与北极气旋的通过有关。更详细的调查类似于Inoue等人。（2010年）是必要的。如Tietsche等人所示。（2011年），夏季额外的海洋热吸收在下一个秋季迅速回到大气中。秋季释放到大气中的热量与较早出现的斜压不稳定有关，这是因为在低冰期，静稳定性和生长速率发生了变化。

为了了解夏季末海冰异常对大气冬季的响应，图5a显示了过去十年中冬季的所有纵向平均温度20012010与前一个夏末西伯利亚地区海冰浓度之间的关系。由于8月/9月海冰浓度变异性较低，1989年和1999年高冰期的相关性很弱。低海冰浓度与极地低对流层（65°-80°N）的高温有关，最高温度为75°N（用负相关表示）。气温升高与screen和simmonds（2010）一致，降低了低北极大气的垂直静态稳定性。弗兰西斯等人。（2009）利用1979年至2007年的国家环境预测中心（NCEP）再分析数据得出了类似的结果，表明北极大气通过对流层下部的变暖和去稳定而记住了夏季海冰浓度的降低。西伯利亚地区的垂直静稳定性与海冰浓度呈正相关（图5b），表明垂直稳定性降低与海冰浓度降低有关。由于斜压不稳定的开始与大气垂直静态稳定性的强度成正比，稳定性降低导致北极对流层中不稳定斜压系统的较早开始。为了更详细地研究斜压系统的影响，我们在图5C中绘制了西伯利亚地区冬季早期增长率与夏末海冰浓度之间的关系。经向温度梯度变化的影响占主导地位。该相关性表明，冬季75°N北部的斜压性增强，夏季海冰减少，而60°-70°N之间的EADY增长率下降。这可能表明风暴和气旋的发生向北方转移。施特略夫等。（2011a）分析了JRA-25大气数据集，并检测到北极大西洋地区向更强和更频繁发生的气旋转变。

在图6a中，我们呈现了在时间尺度上从2.5到6天的冬季经向热通量与高冰期西伯利亚区域的海冰浓度和

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