北极海冰变化对北半球气候影响研究

摘要

自1979年有卫星观测记录以来，北极海冰面积特别是秋季海冰面积处于明显的下降趋势。2012年9月达到有观测记录以来的最低值为3.41百万平方公里，其次是2007年9月的4.13百万平方公里，而2013年9月比2012年同期增加了60％。本文研究了2007、2012年北极海冰达到极小值时，海冰融化区域不同的原因，以及2013年比2012年增加60％的原因。数据分析显示，北极秋季海冰融化区域不同，与底层大气环流和上层海洋异常场的分布密切相关，冰-温（表面气温和海表面温度）和冰-汽三个正反馈机制等，5个条件共同作用，导致海冰融化。
　　近几年冬季，北半球大陆地区极端天气事件频繁发生，冻雨、冷冬、暴雪等造成人类社会巨大的经济损失。结合北极秋季海冰减少，本文数据分析运用和数值试验方法，研究其对北半球中纬度地区气候变化的影响。得出，受北极秋季海冰减少的影响，东亚、北极地区冬季气温呈跷跷板结构。冬季极区冷空气更容易入侵东亚，造成严寒等极端天气，而极区气温则出现气候变化的“北极放大效应”;另外受北极秋季海冰减少的影响，夏季趋向变热而冬季趋向变冷，冬、夏季温差变大，夏季易出现酷暑，冬季易出现严寒等极端天气事件;春、秋季升温明显，故夏季变长，春季提前进入夏季，秋季则滞后出现。
　　海冰卫星数据显示，不同阶段北极海冰下降速度差异巨大，1996-2012年海冰平均下降速度比1979-1995年加快了近4倍。据此两阶段，本文分析了北极秋季海冰减少与北半球冬季大气环流的关系。数据分析和数值试验表明，海冰下降速率不同，所对应的大气环流模态截然不同:海冰下降慢时，西风急流加强，中纬度大陆地区出现暖冬;海冰下降快时，中纬度位势高度降低、西风急流和经向风减弱，使极区冷空气更加容易入侵中纬度地区，从而东亚、北美等地更易出现冷冬。模式结果表明，北极秋季海冰减少的影响在秋季对极区最大，减少慢时极区升温比减少快时要强烈，减少快时较高纬度变冷;冬季，海冰减少的最大影响扩展到中纬度地区，减少慢时易造成暖冬，而快时易出现冷冬;春季，这种影响减弱，且已移动到更低纬度;夏季，新一轮海冰开始融化，极区大气环流又发生变化，周而复始。
　　若按目前北极秋季海冰下降速度推演，将来不久北极会面临海冰全部融化的风险。气候模型估计北极夏季将在2030年左右无冰。基于此本文设计了北极9月无冰试验，研究无冰对北半球大气环流的影响。实验结果显示，北极无冰使秋季极区气温明显降低;冬季，中纬度地区气温升高;直到夏季，无冰对大气环流的影响传输到热带等更低纬度。北极海冰继续快速融化直至无冰，北半球中纬度地区不仅在春、夏、秋三季变暖，冬季的冷冬也会消失，而转为暖冬。
　　卫星数据显示，2013年秋季北极海冰没像往年一样继续下降，反而比2012年同期增加了60％，而2013年冬季北美遭受了几十年不遇的严寒和暴雪袭击。通过数据分析和数值试验探讨得知，2013年北美冷冬基本上是由于在北极秋季海冰快速下降的大背景下，2013年秋季海冰突然比2012年同期增加60％所致。北极秋季海冰变化，使北美2013年冬季位势高度场降低、经向风减弱、极地寒流入侵，造成了北美冷冬极端天气事件。若只是与气候态相比，2013年海冰下降的情况，不会造成2013年北美冬季极端严寒天气。
　　北极秋季海冰在2007年和2012年分别达到次小值和最小值，而这两年北半球冬季降雪明显增多，但增多的区域不同。2007年主要在亚洲大陆和北美中部，2012年主要在欧洲中部和东亚渤海沿岸。数据分析结果表明，这两个特殊年份由于满足降雪的大气环流的动力、水汽、温度等条件的分布不同，而导致降雪增多的区域不同。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 北极概况

1．1．1 北冰洋概况

1．1．2 北冰洋海冰概况

1．2 极端天气事件频发

1．3 北极海冰与气候变化的关系

1．3．1 北极海冰与气候变化的研究现状

1．3．2 北极海冰与气候变化的数值模拟

1．3．3 北极海冰与气候变化的研究意义

1．4 本文研究的问题

1．4．1 本文研究的问题

1．4．2 内容安排

2 北极秋季海冰减少原因分析

2．1 海冰下降原因的研究现状

2．2 数据来源和分析方法

2．2．1 数据来源

2．2．2 数据分析方法

2．3 北极海冰减少原因分析

2．3．1 2012年和2007年北极海冰分布不同的原因

2．3．2 2013年秋季海冰比2012年增加60％的原因

2．4 小结

3 北极海冰减少与北半球气候变化研究

3．1 夏、秋季北极海冰与冬季大气环流的相关性比较

3．2 数据来源和分析方法

3．2．1 数据来源

3．2．2 数据分析方法

3．2．3 数值模式简介

3．3 北极秋季海冰减少对大气环流的影响

3．3．1 研究现状分析

3．3．2 数值试验介绍

3．3．3 东亚与北极的跷跷板结构

3．3．4 海冰减少对北半球四季气候变化的影响

3．3．5 小结

3．4 海冰融化速率不同对气候变化的影响

3．4．1 研究现状分析

3．4．2 数值试验介绍

3．4．3 海冰融化速率不同对气候变化的影响

3．4．4 海冰融化速率不同对大气环流四季的影响

3．4．5 小结

3．5 北极无冰时气候变化研究

3．5．1 研究现状分析

3．5．2 数值试验介绍

3．5．3 北极无冰时气候变化情况

3．5．4 小结

4 个例分析

4．1 2013年北美冷冬的原因研究

4．1．1 研究现状分析

4．1．2 数据来源

4．1．3 数值试验介绍

4．1．4 北美2013年冷冬的原因研究

4．1．5 小结

4．2 北极海冰极值年份的降雪情况

4．2．1 研究现状分析

4．2．2 数据来源

4．2．3 北极海冰极值年份降雪不同的原因

4．2．4 小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

附录

致谢

个人简历