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作者：潘蓉蓉自然资源部第一海洋研究所

学位级别：硕士

气候变化已成为人类社会可持续发展面临的严峻挑战,北极是全球气候变化最敏感的地区之一。北极快速气候变化会导致北极气温迅速升高、海冰快速消融,对北极的生态系统、渔业资源以及北极航运都产生了显著影响,此外巴伦支海和喀拉海秋冬... 详细信息

气候变化已成为人类社会可持续发展面临的严峻挑战,北极是全球气候变化最敏感的地区之一。北极快速气候变化会导致北极气温迅速升高、海冰快速消融,对北极的生态系统、渔业资源以及北极航运都产生了显著影响,此外巴伦支海和喀拉海秋冬季海冰的大幅度减少对北半球中高纬度大陆的天气和气候系统具有潜在的影响。最新的气候预估显示,未来北极气候还会持续快速变化,但是气候模式对北极气候的预估相比中低纬度具有更大的不确定性,诊断北极气候预测不确定性的主要来源、开展气候变暖背景下北极海-冰-气相互作用变化规律的研究是北极气候变化研究的前沿科学问题。本文基于最新的CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project phase 6)气候模式,对气候变暖背景下北极海-冰-气的相互作用进行了系统研究。分析给出了气候变暖背景下北冰洋上混合层深度、海表热通量、海冰密集度、表层气温以及海洋极向热输送的变化特征及各量之间的相互关系,研究给出了北极海-冰-气相互作用的变化规律;利用观测和再分析数据,评估了CMIP6气候模式对北冰洋上混合层深度、海冰覆盖范围、表层气温以及海洋极向热输送的模拟能力,诊断出了气候模式对北极海-冰-气的相互作用模拟和预估不确定性的重要来源;最后针对巴伦支海海冰的模拟,对CMIP6气候模式进行了系统评估,给出模式的共性偏差及原因,并对巴伦支海冬季海冰的变化进行预估,探讨了CMIP6气候模式中巴伦支海海冰对全球变暖的敏感性。本文研究结果表明,气候变暖背景下北极冬季将具有更强的海-冰-气相互作用,尤其是在北冰洋的欧亚海盆,主要表现为海洋上混合层加深、海表热释放增加、海冰急剧减少以及表层气温快速升高,上述变化主要是由大西洋水极向热输送的增加(大西洋化)所致;但是CMIP6气候模式对上述北极气候变化的预估存在很大差异(不确定性),进一步研究表明,这些不确定性主要来自气候模式中的海洋分量模式,而非大气或者海冰分量模式,具有不同海洋分量模式的气候模式对北极气候的预估表现明显不同,具体来讲,海洋分量模式选用NEMO(Nucleus European Modelling of Ocean)的CMIP6气候模式(称为NEMO家族气候模式)对历史时期的海洋上混合层深度、巴伦支海海冰和大西洋水极向热输送的模拟能力更强,相对误差更小,且NEMO家族气候模式中未来经过巴伦支海的极向热输送的增加量比非NEMO族更大,大西洋化更显著,北极海-冰-气相互作用更强,北极气候变化更剧烈。因此,研究NEMO海洋模式与其他海洋模式之间的差异有助于显著降低气候模式对北极气候变化预估的不确定性。针对巴伦支海海冰的研究表明,CMIP6气候模式存在高估巴伦支海海冰覆盖范围、低估海冰下降趋势的共性问题,其主要原因与气候模式中经过巴伦支海的海洋极向热输送模拟偏弱有关,提高海洋模式的水平分辨率可以减小上述共性偏差;基于模式分类、模式优选和涌现约束三种方法对未来冬季巴伦支海海冰变化进行了预估,结果表明,在气候变暖背景下未来冬季巴伦支海海冰会迅速减少,在SSP5-8.5(Shared Socioeconomic Pathway 585)情景下,巴伦支海将在2060s年前后首次出现冬季无冰的现象,同时发现CMIP6气候模式中冬季巴伦支海海冰对全球变暖的敏感性偏弱于观测,因此巴伦支海首次出现冬季无冰的时间可能比上述预估更早。本文揭示了气候变暖背景下北冰洋海盆区海-冰-气相互作用的变化规律,发现北极气候预估中的不确定性主要来源为海洋分量模式而非大气或者海冰分量模式,诊断出气候模式对巴伦支海海冰模拟偏多的部分原因是由于分辨率偏低对经巴伦支海的海洋极向热输送的低估。本文上述结果为深入理解北极快速气候变化、降低北极气候模拟和预估的不确定性、提高模拟和预测能力提供了重要科学依据。

关键词：北极气候变化 CMIP6气候模式巴伦支海海冰海洋极向热输送海-冰-气相互作用

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一个冰气相互作用数值模拟结果的可能统计解释

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气候与环境研究 2007年第5期12卷 638-646页

作者：刘喜迎刘海龙李薇张学洪俞永强解放军理工大学气象学院军事气象系南京211101 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(... 详细信息

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(小)与来年的SST偏低(高)相联系,但二者同期相关性最大。当海气热通量交换变化超前一年时,其与SST相关性最大。模式最低层大气温度与海洋表面热通量之间的同时相关性最大,冬季模式最低层气温偏高(低)与海洋表面失去的感热、潜热通量偏少(多)相联系。气温、比湿都和冰岛低压区及格陵兰海的海平面气压相关性最强,冰岛低压气压偏低(高)与模式最低层气温和比湿偏高(低)相联系。所以,在海-冰-气年际尺度的相互作用中,主要关系是大气环流调整造成大气中云量和低层气温、湿度变化,进而影响海气界面上的通量交换,造成SST的变化。SST变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对SST变化有较明显影响。

关键词：耦合模式海-冰-气相互作用格陵兰海

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北极海冰与ENSO事件在准四年时间尺度上的可能联系

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大气科学 2003年第5期27卷 834-846页

作者：朱艳峰陈隆勋中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点试验室中国气象科学研究院北京100081

分析了北极海冰的变化规律及其与ENSO循环在准四年时间尺度上的可能联系。结果表明 ( 5 9 5～ 1 79 5°E ,60 5～ 89 5°N)的高纬海域范围内 (包括喀拉海、拉普捷夫海及东西伯利亚海 ,简称为A区 )的北极海冰变化以 9月份变率最大并具... 详细信息

分析了北极海冰的变化规律及其与ENSO循环在准四年时间尺度上的可能联系。结果表明 ( 5 9 5～ 1 79 5°E ,60 5～ 89 5°N)的高纬海域范围内 (包括喀拉海、拉普捷夫海及东西伯利亚海 ,简称为A区 )的北极海冰变化以 9月份变率最大并具有准四年周期 ,在这个周期段上A区极冰与Ni no 3区的海温变化有明显的位相差。当Ni no 3区SST滞后海冰约 1 6个月时 ,两者达到最大负相关。A区的 9月海冰面积指数和SST的时滞相关系数分布表明 ,次年 4月开始在赤道东太平洋区域出现一显著负相关区 ,次两年的 2月负相关达到最大 ,之后减弱消失。这表明 9月A区海冰面积偏小 ,则次年春季以后出现ElNi no现象。海冰与环流相关分析表明 ,其相互影响机制可能是由于少冰年的弱冷源效应 ,使得该地区上空气旋环流发展 ,并通过中高纬相互作用促进北太平洋西北部及东亚沿岸距平气旋式环流的发展 ,有利于赤道异常西风形成从而触发和维持ElNi

关键词：北极海冰 ENSO事件准四年振荡厄尔尼诺海-冰-气相互作用时间尺度

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埃默里冰架北缘海洋水文特征的变化

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极地研究 2010年第3期22卷 244-253页

作者：蒲书箴葛人峰董兆乾于卫东史久新国家海洋局第一海洋研究所青岛266061 中国极地研究中心上海200136 中国海洋大学青岛266100

利用中国第24次南极科学考察队(2007/2008)观测的CTD资料,分析了埃默里冰架北缘的温度、盐度、密度的空间分布,并与中国第22次南极科学考察队(2005/2006)观测的CTD资料进行了比较。比较后发现埃默里冰架北缘海域的最新变化是跃层深度明... 详细信息

利用中国第24次南极科学考察队(2007/2008)观测的CTD资料,分析了埃默里冰架北缘的温度、盐度、密度的空间分布,并与中国第22次南极科学考察队(2005/2006)观测的CTD资料进行了比较。比较后发现埃默里冰架北缘海域的最新变化是跃层深度明显变深,冰架北缘的东部海洋上层有明显的次表层暖水存在,但该暖水仅仅位于冰架北缘的最东端及其附近的站位,具有明显的局地性。此外,海洋的表层温度、盐度、密度都形成了明显的东西向梯度。这种梯度应与海表层浮冰的密集度有着密切的关系,是海-冰-气三者相互作用的结果。

关键词：埃默里冰架海洋水文特征的变化中层暖水海-冰-气相互作用

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冰期北大西洋局地海气相互作用对海温变化的影响

冰期北大西洋局地海气相互作用对海温变化的影响

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作者：张炜晨兰州大学

学位级别：硕士

全球气候变化一直是近年来研究的热点问题,末次冰期千年时间尺度气候突变事件（Dansgaard-Oeschger事件）也开始引起了人们的广泛重视。过去的数值模拟研究表明,冰阶冷期北大西洋高纬度地区气候变率在年际-年代际尺度的振幅远大于间冰... 详细信息

全球气候变化一直是近年来研究的热点问题,末次冰期千年时间尺度气候突变事件（Dansgaard-Oeschger事件）也开始引起了人们的广泛重视。过去的数值模拟研究表明,冰阶冷期北大西洋高纬度地区气候变率在年际-年代际尺度的振幅远大于间冰阶暖期,但其动力机制尚不清晰。除此之外,古气候重建记录显示,冰阶时期北半球高纬度部分海域的表层海温中出现了与南极和低纬度地区类似的渐变特征,说明该地区表层海温存在局地差异。针对上述两科学问题,本研究利用海气耦合模型COSMOS,通过三个冰阶时期施加典型外在强迫（升高大气中CO2浓度、淡水注入、升高北半球冰盖高度）的敏感性试验,探讨了北大西洋气候年际-年代际变率的放大机制与渐变信号成因。结果显示,在三组试验中冰阶时期气候变率振幅高值区均位于冰岛西南部海域,间冰阶时期位于北欧海,且高值区位置存在季节性海冰。渐变信号最明显的地区也位于冰岛西南部,该特征在升高大气CO2浓度试验中表现最突出。针对上述特征进行机理研究发现,在试验外部强迫的驱动下,研究区域的季节性海冰可以通过控制海洋-大气之间的热量传输,影响高频气候变率振幅。在冰阶冷期,低纬度地区带有渐变信号的暖水团输送至北大西洋高纬度次表层,削弱了海洋垂直方向的密度层结,温度的升高导致次表层暖水出现上涌趋势,促进海冰融化及表层温度升高。海平面热交换产生的上升气流将激发负变压异常,气旋式风切变可通过埃克曼抽吸进一步加速海水的垂直混合,形成海-冰-气正反馈。当次表层热量释放结束,由于没有暖水的补充,海洋表层将重新生长新的海冰,将海洋与大气隔绝。该过程使海表气压出现正异常,促进次表层热量积累,为下一次反馈过程提供条件。由于研究区域位于冰岛低压中心区,垂直混合相对剧烈,因此冰岛西南部地区表层海温出现局地渐变特征。在间冰阶暖期,随着冰岛西南部季节性海冰消失,海洋可与大气实时进行热交换并处于准平衡态,气候变率的振幅明显下降。因此,季节性海冰在海洋次表层热量的积累与释放中起决定性作用,这对理解冰期年际-年代际气候变率放大现象有重要启示意义。本研究结果也将不同尺度间气候变化结合,在模式模拟时间足够长的情况下,千年尺度外在强迫的变化将伴随高频气候变率,而海洋-大气耦合过程则是二者之间的纽带。此外,研究区域的年际-年代际气候变率解释了冰阶时期古气候重建结果的分歧,且这种海温的波动具有一定的普适性。本研究结论也将对未来北大西洋海温的重建研究有重要的研究意义和参考价值。

关键词：年际-年代际气候振荡渐变信号海-冰-气相互作用千年气候事件

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