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 2022-12-04 14:42:57

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题目近期夏季北极冰盖减少和大气环流异常的联系

近期夏季北极冰盖减少和大气环流异常的联系

  1. 引言···················································1
  2. 海冰时间序列···········································1
  3. 北冰洋时间序列········································2
  4. 与气压系统的联系·······································5
  5. 结论···················································6

近期夏季北极冰盖减少和大气环流异常的联系

James A. Maslanik

科罗拉多中心航天动力学研究，科罗拉多大学博尔德分校

Mark C. Serreze and Roger G. Barry

环境科学合作研究所，科罗拉多大学博尔德分校

摘 要 通过1978年11月至1995年9月北冰洋和周边海域海冰数据表明，夏季海冰的覆盖率一直低于正常水平，近年来，极端低值出现在在1990年，1993年和1995年。在接下来的17年里，夏季海冰覆盖率的减少趋势是每年减少0.6％，与常年浮冰在1990-1995年与1979 - 1989年减少9％相比，其减少程度在北冰洋的西伯利亚板块中是最大的。海冰距平的变化可能与自1989年以来北极中心的低压系统出现频率的急剧增加有关。

1. 引言

北极海冰覆盖面积被认为是气候条件的敏感指标。局地的海冰变化通常与气温异常（查普曼和沃尔什，1993）和大气环流状况（鲍尔和马萨科，1992；奥诺，1995；格勒埃尔森，1995）有关。由无源微波数据确定的北极海冰范围分析表明：北极海冰存在明显的区域变化，而且1979-1987的北半球海冰覆盖面积有相对较小的-0.032x106km2yr-1负增长趋势（Parkinson，1992），评估了1973-1987的数据也得出了相似的结论 (Parkinson and Cavalieri, 1989)。如果在区域尺度上存在较大的年际变化，并且与之对应的无源微波数据有很大的不确定性时，应当谨慎考虑数据的趋势。全球气候变化所引起的北极范围内海冰覆盖的变化尚未被确定(Walsh, 1995a,b)，并且海冰范围相对稳定的观点备受争议Zwally,1995）。然而，自1989年以来，北极海冰范围的明显的下降趋势不断增强(Johannessen et al., 1995)。这里我们断定这个趋势是由于西伯利亚北极海冰覆盖范围在夏季的大幅减少，这也可以被解释是因为受到更多大气环流与气温的影响。

2. 海冰时间序列-修正了传感器的差异

由1978年12月到1987年8月的多通道扫描微波辐射计(SMMR)数据和1987年7月到1995年9月的特殊传感器微波/成像仪(SSM/I)数据可以得到全球海冰范围和浓度（1.0减去无冰水域的部分）的详细记录。自从发现传感器差异影响海冰时间序列以来， (Zabel and Jezek, 1994)，(ZwaIly, 1995). Johannessen et al. (1995)的工作通过简单的将SMMR和SSM/I时期视为单独的系列来对两类数据进行相互的校准。这里，我们通过对海冰覆盖率在SMMR和SSM/I的重叠期的分析来缩小两个数据的差异。

海冰的浓度是由SMMR和SSM/I的亮温计算得出，这个亮温是由美国国家冰雪数据中心(NSIDC)得到，通过NASA团队算法(Weaver et al., 1987) 得出。分析1987年7月至8月SMMR和SSM/I共同工作的重叠期发现，发生在毗邻海岸线时SMMR和SSM/I测量的海冰的浓度产生了最大的差异。沿海海洋像素亮温受到一些邻近土地信号的干扰，导致了这些地区海冰浓度的误差。因为在低分辨率SMMR中亮温测量的浓度表现的更好，因此相对于SSM/I，SMMR高估了海冰的覆盖程度。

土地污染误差是通过比较使用扩展到不同数量的毗邻海岸的海洋国土覆盖产生的结果进行量化的。在重叠期的时候，当运用SMMR和SSM/I的标准土地覆盖来计算海冰的覆盖程度（所有单元格的总和有至少15%d误差），用NSIDC北半球完整的数据，SMMR导出的结果要比SSM/I测量结果多了12%。扩大相邻海洋50公里土地覆盖可以每天减少差异4.5％，每月2.5％。通过将分析的区域限制在北冰洋和周边海域得出（数据1），7月海冰面积异常程度的差异小于0.1%（SMMR测量结果大于SSM/I），8月差异低于0.3%（SSM/I 大于 SMMR）。虽然重叠期仅仅持续了夏季的某一部分，但是这种改进方法可以用于任何时候。尽管我们希望得到更为详细的传感器校准方法，但是我们的掩盖方法减少了SMMR-和SSMI衍生冰盖之间的不匹配，从而使得异常趋势更有把握地被检查出来。

图一 图二

图1，比较在1990 - 1995年(中灰色区域)和1979 - 1989(深灰色和中等灰色区域)9月的常年冰雪覆盖的范围(见文本)。黑暗的灰色区域表示在1990 - 1995年间北冰洋的附加区无冰。北冰洋的其余部分研究区域是点画定义的区域。数字表示地理区域:1)东西伯利亚海,2)拉普捷夫海。3)喀拉海,和4)巴伦支海。

图2，海冰范围的时间序列异常(月平均,12个月的滑动平均,和最小二乘法线性拟合)的研究区域(图1)。垂直虚线标志着SMMR的结束和SSM/I的开始，研究区域如图1所示。

3.北冰洋时间序列

利用土地覆盖、海冰密集度和面积的月距平，我们计算了从1995年11月到1978年9月间（图1所示区域）的区域平均浓度。尽可能提供一致性的测量结果，在SMMR轨道覆盖840北部的60的径向间隙，比SSM / I测量间隙大，在整个时间周期中被视为100％冰。海冰面积月距平的时间序列（图2）显示出了叠加的多年波动的整体趋势-0.025x106km2yr-1（或每年约-0.39％），是根据最小二乘法在99%适合显著与自由度的水平下降到占序列相关性得出的。北冰洋1979-1995的总体趋势和之前被引用的研究结果十分相似，当时考虑的是1987年整个北半球的数据。线的斜率在-0.054x106km2yr-1（每年-0.85% ）和-0.012x106km2yr-1（每年-0.19%）之间。海冰范围除十月及十一月所有月份下降。冬季（12月-4月）和夏季（5-9月）的结果显示了最近的夏季海冰覆盖面积的异常。1979-1995年中所有季节的总体趋势都是下降的，其中夏季的下降趋势最大(每年-0.031x106km2yr-1or-0.55% )，当时冰覆盖程度受到土地限制最小(e .g, Chapman and Walsh; 1993)。夏季下降率的95％置信区间，是每年-0.91％至-0.17％。

Johannessen等人提出的1987-1994年间海冰范围的加速减少，特征是1989年整年海冰范围的大幅降低以及1990年夏季达到最大负异常。北冰洋海冰的范围在1995年春季略有增加，在1993年和1995年的夏季末有间断性的大的负异常（图2）。一般来说，这种模式类似于从1982年至1984年间的海冰范围的减小以及随后在1985至1988年间的增加，但海冰范围并没有迅速恢复，且在1990年达到最低值。需要注意的是极端最小值都是自1990年以来发生的；1990,1993和1995年的海冰范围分别低于正常值13%，9%，12%。1993年9月的海冰密集度是17年以来的最低水平，并且1979至1989年的始终冰覆盖区在这些年后也成了无冰区。1990-1995年（以每年九月1990 -1995年作为北极的部分至少有15％的海冰）常年冰带的覆盖比1979-1989（图1）少6％的面积。与1979-1989常年相比，1990-1995年九月的总浮冰量（其中冰浓度至少为50％）少9％。

图三

图3，西伯利亚地区的常年冰盖的海冰浓度的月平均时间序列(百分比)(60o -180oE,75o-85oN)。

在1990年，1993年和1995年的海冰范围最大的跌幅发生在拉普捷夫海和东西伯利亚海域（图1），这片区域被确定为特别适合用于在冰带的区域监测气候相关的变化（帕金森，1992），并作为沿北海航线船舶作业的关键部位（布莱，1991年）。在过去的七年里，六年（1989-1995）的夏季末的海冰最低值都发生在西伯利亚北极的季节性冰带（60°E-180°E和60°-75O N），在常年冰带内（60°-180°E，75°-85°N）的夏季海冰浓度也在这段时间内稳步减少（图3）。夏季海冰范围在斯瓦尔巴群岛和法兰士约瑟夫地之间和西部波弗特海都略有增加。在欧洲北极地区，冬季冰雪覆盖一直低于正常水平，特别是在巴伦支海和喀拉海。在巴伦支海，喀拉海和东西伯利亚海这些区域的海冰异常表现为非典型的反相位(Barry, 1983)。帕金森（1992）使用1979-1987年的数据得出，这些区域在1979-1987年间冰盖减少，但北极盆地内没有大幅度减少。

我们都知道，海冰的表面融化通常会导致微波衍生的海冰浓度在夏季的估计值过低，约为10％〜20％的幅度(Cavalieri, 1992)。然而，海冰浓度的明显降低比预期的融雪坑等表面影响的大得多，

并且这种减少比预期的表面融化持续时间更长，变化更小。该异常的最大值是在夏季末和初秋的冰冻期开始时。被动微波数据的有效性由雷达和可见光波长的卫星图像与国家中心的图表比较来支持。

图四

图4，1988-1993年4-9月减去1982-1987年在气旋活动的空间分布的变化（闭合低压系统的计数）。结果是基于Serreze（1994年）中描述的自动气旋检测与跟踪算法的应用，适用于每日两次的国家气象中心的海平面气压分析。

图五

图5，1966年-1993年4 - 9月(大约75oN–90oN,60oE–160oE)北地群岛北部的气旋的数量。结果是基于所述Serreze（1994）的算法。此外，物理机制可以通过观察海冰范围的减少的相一致性来识别。

4.与气压系统的联系

1990年夏季的大规模海冰范围异常程度与春季北冰洋中心高频的气旋活动（闭合低压系统）相关。1993和1995年的海平面气压数据显示了类似的状况。事实上，在4-9月期间，在西伯利亚北部地区的气旋活动（图4和图5）自1989年以来在急剧增加，造成了整个北冰洋中部的海平面气压相关显著减少(Walsh et al., 1996)。在1988-1993年期间，北极中央上空的气旋中心出现的频率比1966-1993年中的任何其他六年期间发生的更加频繁（图5），1954-1993年间，在极点附近的海平面大气相对涡度出现的正的（气旋）周期主要发生在1989- 1993年。

自1989年以来飓风频率的增加（图5），在1989-1990年间北极冰盖大量减少如图2所示一致。西伯利亚地区（图4）以北的气旋活动增加的位置通常会使东西伯利亚海处于在气旋的暖区。这有利于更强和更频繁的变暖，偏南风除了加快融化，减少地表反照率和促进海冰早期解冻，还向远海地区平流输送极地冰(Serreze et al., 1995)。这些偏南风还可能与西伯利亚北部地区的海冰减少和在沿西伯利亚海岸近期观测到的变暖有联系(Chapman and Walsh, 1993)。自1989年以来北极地区气压异常是否与大规模气候异常有关还有待确定，件。特别值得注意的最近发生的异常包括：如1990 - 1995年间ENSO现象的极度异常扩大(Trenberth and Hoar, 1996)；自1989年以来持续的正北大西洋振荡模式和从1989年至1993年北半球中纬度地区到高纬度地区的异常强烈的纬向平均海平面压力(菲利普斯,1995)。

海冰的融化与海冰运动（即热力学与动力学因素）对海冰异常影响的相对重要性还不清楚。此外暖平流和极地海冰的运输，气旋活动有利于加强堆积厚冰中海冰的破碎分离(Serreze et al., 1990)。这反过来又增加冰层的融化，是由于无冰水域吸收了太阳辐射而被加热所造成的。由于薄的冰带更容易受风的破坏，这种动力学和热力学的组合表示在较薄的冰盖存在潜在的正反馈机制。另外，由于冰带特别容易受到动力学分裂，所以厚度的阈值可能存在。可以想象，如图3所示反映了海冰浓度的减少对于较薄冰盖的响应，或许与自1960年代末在北极陆地站观察到的气温上升有关(Jones, 1994)。

5. 结论

在北冰洋和周边海域的海冰状况基本上每年都在变化，但自1979年以来

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