“极地研究”专刊

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  • 1  全球变暖与地球“三极”气候变化
    李菲,郜永祺,万欣,李倩,郭东林,王朋岭,李惠心
    2021, 44(1):1-11. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201031003
    [摘要](0) [HTML](63) [PDF 3.29 M](257)
    摘要:
    北极、南极和青藏高原分别是地球的最北端、最南端和海拔最高的高原,被称为地球“三极”。地球三极是全球气候变化的关键区与敏感区,在区域及全球气候系统中的重要性日益凸显。本文回顾了该领域的最新研究成果,重点阐述了地球三极气候年代际变化的基本特征及其对区域气候的影响,探究了在全球气候变暖背景下地球三极气候变化之间的潜在联系,讨论并展望了未来地球三极气候变化研究所面临的挑战。
    2  适应极地快速变化海冰模式的研发与挑战
    刘骥平,雷瑞波,宋米荣,徐世明,季顺迎,苏洁,李志军,王晓春,朱珠,杨朝渊
    2021, 44(1):12-25. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201203003
    [摘要](104) [HTML](55) [PDF 1.01 M](132)
    摘要:
    极地海冰是地球气候系统的重要组成部分,也是气候环境变化的指示器和放大器。极地海冰复杂的多尺度物理过程和极地观测资料的匮乏,给海冰模式的研发带来了巨大的挑战。在过去的半个多世纪中,大气-海冰-海洋的复杂相互作用和冰内物理过程在海冰模式中的数学描述取得了重大的进展,但海冰模式对一些重要物理过程的描述仍很不完善,尤其是近年来极地海冰的快速变化及其物理特性的变化,极大地增加了海冰模式物理参数化方案和模拟结果的不确定性。因此,迫切需要具备完善物理过程、适应海冰多尺度快速变化的高分辨率海冰模式,并应用于全球气候变化的研究和预测以及极地的开发利用。本文从海冰模式的发展历程和现状、极地海冰快速变化给海冰模式带来的挑战以及适应极地快速变化海冰模式的改进和发展研究方向三个方面进行了阐述和讨论。
    3  机器学习的原理及其在气候预测中的潜在应用
    贺圣平,王会军,李华,赵家臻
    2021, 44(1):26-38. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201125001
    [摘要](234) [HTML](93) [PDF 30.42 M](531)
    摘要:
    经历了两次“人工智能寒冬”之后,机器学习于近十年再次进入大众视野,且有腾飞发展之势,已在图像识别和语音识别系统等实际应用方面取得了巨大成功。从已知数据集中总结关键信息和主要特征,从而对新数据做出准确的识别和预测,分别是机器学习的主要任务和主要目标之一。从这个角度看,将机器学习整合到气候预测的思路切实可行。本文,首先以线性拟合参数(即斜率和截距)调整为例,介绍了机器学习通过梯度下降算法优化参数并最终得到线性拟合函数的过程。其次,本文介绍了神经网络的构建思路以及如何应用神经网络拟合非线性函数的过程。最后,阐述了深度学习之卷积神经网络的框架原理,并将卷积神经网络应用到东亚冬季逐月气温的回报试验,并与气候动力模式的回报结果相比较。本文将有助于理解机器学习的基本原理,为机器学习应用于气候预测提供一定的参考思路。
    4  近20 a驱动北极夏季迅速增暖和融冰的自然因素及过程
    丁庆华
    2021, 44(1):39-49. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201113007
    [摘要](91) [HTML](25) [PDF 37.05 M](243)
    摘要:
    北极是全球气候系统平衡的重要一环,近20 a全球变暖现象中,北极迅速增温及融冰是最为引人关注的问题之一。人类影响无疑是过去几十年北极变暖背后的最主要的原因及驱动力,但气候系统的内在自然变率对北极的影响也不容忽视。本文指出,北极变暖的自然影响因子有一部分来源于热带太平洋东部海温的变化,热带太平洋通过由东部海温异常所驱动的大尺度遥相关环流型来影响北极的气候系统,该影响过程在过去20 a的演化是由热带海温的冷异常趋势所触发的。海温的冷异常通过遥相关波列在北极建立起一个异常的高压系统,并通过对大气温度的绝热加热来增加大气向下的长波辐射以加速海冰的融化,该作用在北半球夏天尤为明显,且于2007-2012年达到最大强度。此热带海温异常可能与IPO (the Interdecadal Pacific Oscillation,太平洋年代际振荡)有关,且其对高纬气候的影响可能不同于典型ENSO对高纬气候的作用。通过对CMIP5气候模式的检验可发现,大部分模式对这个热带与北极联系的模拟都存在着显著的偏差和缺陷,具体原因仍需更多研究。本文给出了有关模式局限性的一些猜想,讨论了2020年夏季海冰快速融化的原因,并通过比较2020年夏季的环流异常与之前41 a (1979-2019年)与海冰融化紧密联系的大尺度环流型,进一步探究了2020年夏季热带东太平洋海温的冷异常对北极当季增温及融冰是否具有显著作用。
    5  北极涛动的年代际变化及其气候影响
    王林,龚海楠,兰晓青
    2021, 44(1):50-60. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201030001
    [摘要](197) [HTML](51) [PDF 3.09 M](206)
    摘要:
    北极涛动(Arctic Oscillation,AO)是北半球热带外地区大气环流变率的主导模态,对北半球以及区域尺度气温变化具有重要影响。AO可在没有外强迫条件下通过波流相互作用形成,因此它被认为是全球气候系统内部变率的重要组成部分。研究年代际尺度上AO的变化及其气候影响,可加深对当前北半球气候变化规律的物理理解,也可为预估未来年代际尺度上气候变化及其不确定性提供科学依据。本文从AO影响东亚冬季风年代际变化的物理机制、AO对北半球冬季气温长期趋势的贡献、AO年代际影响的不确定性三个方面出发,简要回顾和总结了近年来有关年代际尺度上冬季AO时空变化及其对北半球气候影响的研究成果,并初步展望一些值得继续深入研究的问题。
    6  BCC_CSM北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候模拟的影响
    邓汝漳,储敏,任宏利,刘景鹏,陈权亮
    2021, 44(1):61-74. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201103002
    [摘要](95) [HTML](62) [PDF 10.43 M](273)
    摘要:
    国家气候中心气候系统模式(BCC_CSM)将美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0替代原有的海冰模式SIS,形成一个新版本耦合模式,很好地提高了模式对北极海冰和北极气候的模拟能力。在此基础上,本文评估新耦合模式对1985-2014年东亚冬季气候的模拟性能,检验北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候模拟性能的影响。结果表明,引入CICE5.0后,新耦合模式能较好地模拟出东亚冬季海平面气压、850 hPa风场以及辐射通量,进而改善东亚气温以及降水的气候态空间分布模拟效果。进一步分析发现,与原有耦合模式相比,新耦合模式更好地抓住了东亚冬季海平面气压、总降水量和气温异常对同期巴伦支海-喀拉海海冰密集度异常的响应,进而提高了模式对东亚冬季中高纬度地区气温以及降水变率的模拟能力。
    7  相对瞬变气候态的气候异常
    钱维宏,武凯军,梁浩原
    2021, 44(1):75-88. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201030012
    [摘要](83) [HTML](59) [PDF 102.66 M](241)
    摘要:
    极端天气和异常气候的定量分析与预报需要一个确定的参考态。瞬变气候是地球固定点上大气相对太阳的自转和公转所接受到的太阳辐射与地表特征的动力与热力耦合形成的具有24 h日循环和365 d年循环的气候态。相对年循环的逐日气候态,本文首先考察了天气扰动和气候上的季节内异常、年际异常和长期趋势(或年代际异常),回顾了气候态中客观存在于大气经向剖面中的年平均四圈环流及其长期变化,水平空间分布中的环流系统随季节的变化和在季节内的准周期变化。针对大气环流强度的长期趋势,本文综述了与之对应的南北半球气候长期趋势中的不对称分布。
    8  3月巴伦支海海冰对中国东部8月气温偶极子型的影响及机制研究
    李惠心,孙博,周波涛,王树舟,朱宝艳,范怡
    2021, 44(1):89-103. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201013001
    [摘要](94) [HTML](54) [PDF 99.31 M](185)
    摘要:
    利用NCEP/NCAR、ERA-Interim再分析资料以及观测资料,研究了3月巴伦支海海冰异常与中国东部8月“南暖北冷”的模态的联系及可能机制。结果表明,当3月巴伦支海海冰偏多(少)时,中国东部地表气温呈现“南暖北冷”( “南冷北暖” )的模态,东北上空对应气旋(反气旋)异常和上升(下沉)运动异常,华南上空对应反气旋(气旋)异常和下沉(上升)运动异常,地表净热通量表现为“南正北负”( “南负北正” )。进一步研究发现,“丝绸之路”遥相关型与中国东部环流异常密切相关,而3月巴伦支海海冰异常可以通过影响“丝绸之路”遥相关波列进一步影响中国东部的环流异常及偶极子温度异常。一方面,3月巴伦支海海冰偏多(偏少)的信号可以持续到8月,在喀拉海上空通过冰-气相互作用激发南传的波列,加强“丝绸之路”遥相关的负位相(正位相),影响中国东部地区的环流。另一方面,春季巴伦支海海冰偏多(偏少)使得同期欧亚大陆北部温度偏低(偏高),欧亚北部积雪呈“西多东少”( “西少东多” )、土壤湿度呈“西湿东干”( “西干东湿” )的空间格局。而土壤湿度异常的空间格局可一直持续到8月,使得“丝绸之路”遥相关波列的加强,进一步影响中国东部环流异常,最终影响中国东部8月气温偶极子型的分布。
    9  CWRF对青藏高原气温和降水模拟效果的综合评估
    徐蓉蓉,梁信忠,段明铿
    2021, 44(1):104-117. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201103001
    [摘要](109) [HTML](34) [PDF 41.18 M](199)
    摘要:
    利用CWRF (Climate-Weather Research and Forecasting model)对中国区域气候的31 a多物理集合模拟试验,分析了该模式对青藏高原气温和降水的模拟效果及其对水平分辨率和物理过程参数化方案的敏感性。结果表明:1) CWRF降尺度全面改善了全球模式对高原气温和降水的模拟,使气温年循环的均方根误差减小近1℃,月降水量年循环的均方根误差减小10~40 mm,同时显著提高了各月气温和降水与实测资料年际变化的相关系数,最高提升0.6;2)模式分辨率对降水模拟有显著影响,不同分辨率模拟降水差异高达60 mm (54%),模拟偏差随分辨率提高先降低后上升,转折在30 km左右;3)物理过程参数化方案对气温和降水模拟影响显著,不同方案模拟的各月平均气温相差1~4℃,夏季各月降水量相差20~100 mm,其中对气温模拟影响最大的是辐射方案,对降水影响最大的是积云方案。本文为CWRF局地优化对物理参数化及水平分辨率等如何选择提供了依据。
    10  海冰覆盖度变化下北冰洋海浪研究进展
    李姝彤,窦挺峰,效存德
    2021, 44(1):118-127. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201031002
    [摘要](50) [HTML](34) [PDF 2.86 M](83)
    摘要:
    北冰洋地区海浪的生成和发展会受到海冰范围变化的显著影响。本文介绍了近年来基于浮标、潜标和走航观测,以及卫星遥感和数值模拟等方法开展的不同海冰覆盖度下北冰洋海浪的研究进展,包括海冰覆盖区海浪的传播机制等。北冰洋夏季开阔海域的平均有效波高可达3 m,在风暴期间,波弗特海有效波高可达5 m。除大西洋一侧,夏季北冰洋大部分海域海浪活动在过去几十年呈增强趋势,其中楚科奇-波弗特海有效波高增长趋势为1~3 cm/a。这一趋势主要是由海冰范围减少导致的风区增大和风暴的频率、强度增加共同导致的。基于CMIP5多模式集的预估结果显示,相比历史时期(1979-2005年),21世纪末(2081-2100年)北冰洋有效波高将以3 cm/a的速率持续增长,其中北冰洋中心地区东部海域增长最为明显。海浪活动增多会在消融期通过海浪-海冰正反馈机制促进海冰的消融。在沿岸地区,增多的海浪会加速海岸带侵蚀,促进沿岸冻土的崩解。极端海浪事件还会威胁航运安全。未来研究需基于更多的现场观测,加深对海冰范围和厚度变化影响下海浪的生成、发展、传播、衰减机制的认识,进一步提高冰区海浪模拟和预估水平。
    11  水文水深数据修正的普里兹湾数字水深模型
    陶怡轩,刘成彦,王召民
    2021, 44(1):128-139. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200928001
    [摘要](52) [HTML](13) [PDF 36.91 M](73)
    摘要:
    在第一版国际南大洋地图集(the International Bathymetric Chart of the Southern Ocean Version 1.0,IBCSO V1)的基础上,利用现场水文观测中的水深数据重构了普里兹湾及其周围海域的海底地形,建立了更准确的高分辨率数字水深模型。从多套现场水文观测数据中提取了水深观测结果,去除重复剖线后,比较了水文观测中的水深数据与IBCSO V1在500 m×500 m网格上的差异。在保留IBCSO V1中原始多波束、单波束回声测深数据和其他水深观测数据的前提下,使用插值技术修正了无观测数据海域地形。基于大量的海豹观测数据在较大程度上订正了IBCSO V1海床深度。与IBCSO V1海床深度相比,从戴维斯站以东至82°E的南极大陆沿岸、埃默里冰架前缘西部以及西冰架前缘附近区域的海床深度被低估的可能性最大。优化的南极普里兹湾海域水深数字地图改进了对普里兹湾海底地形结构特征的认识。更加准确的地形数据有利于理解海底地形对普里兹湾海洋环流的影响和建立更加可靠的数值模型。
    12  MPI-ESM-LR模式中RCP8.5情景下春季北极海冰突变对东亚夏季降水的影响
    杨心怡,程军,顾鹏
    2021, 44(1):140-150. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201027001
    [摘要](48) [HTML](10) [PDF 51.00 M](121)
    摘要:
    利用MPI-ESM-LR模式RCP8.5情景下海冰浓度、降水、海表面温度、500 hPa位势高度和850 hPa风场等数据,对比分析了一次北极海冰突变前后春季海冰与东亚夏季降水关系的差异,并探究其可能成因。结果表明:1)北极海冰突变导致北极海冰浓度(Sea Ice Concentration,SIC)和ENSO对东亚夏季降水的影响均发生变化。突变前SIC和ENSO共同影响降水年际变化;突变后ENSO主导降水EOF的第一模态,SIC主导降水EOF的第二模态;2)北极海冰突变前,ENSO和SIC通过500 hPa经向波列,影响整个东亚地区的850 hPa风场,最终导致三极子型降水模态。突变后,ENSO通过500 hPa经向波列,影响华南地区的850 hPa风场,导致降水的偶极子空间模态,从而主导降水EOF的第一模态;同时SIC通过东亚地区500 hPa纬向波列,影响北方850 hPa风场,最终主导降水EOF的第二模态。3)北极海冰突变后,ENSO和SIC对东亚夏季降水的影响存在区域差异。北极海冰突变前,ENSO和SIC共同影响南北方降水;北极海冰突变后,SIC主要影响北方降水,ENSO主要影响南方降水。
    13  南极探空与两套再分析资料的对比分析
    刘桐畅,王召民
    2021, 44(1):151-164. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180424001
    [摘要](86) [HTML](32) [PDF 35.66 M](583)
    摘要:
    基于南极18个站点探空气象观测数据对欧洲中期天气预报中心的再分析数据(ERA-Interim)和美国国家环境预报中心的再分析数据(NECP)在南极地区高层大气的适用性进行验证。结果表明:在南极上空,随着高度抬升,探空气象观测数据与两套再分析数据中四个气象要素的差值均逐渐变大,再分析数据数值愈加偏离实际观测数值。两套再分析数据的位势高度和温度与探空观测数据偏差较小;风向则和探空观测数据相差甚远;两套再分析数据的风速与探空观测数据在300 hPa偏差较大。在季节变化中,南极的春季,再分析数据中的位势高度和温度与探空观测数据相差较大,在其他季节相差相对较小。再分析数据中的风速与探空观测数据在南极的夏季相差较小。再分析数据中的风向与探空观测数据存在较大偏差,且差值没有明显的季节变化。尽管两套再分析数据都存在很大偏差,但ERA-Interim数据整体上优于NCEP数据。对比分析也表明,采用这些再分析资料作为初始条件和边界条件驱动南极区域大气模式将带来较大的误差。未来需要加强南极探空观测,改进再分析资料同化和数值模拟系统。

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