晚秋巴伦支海喀拉海海冰变化的主要模态及其对应的冬季北半球大气环流变化

论文总字数：22004字

目 录

1绪论………………………………………………………………………5

1.1引言…………………………………………………………………………………………5

1.2巴伦支海喀拉海海冰的时空变化特征的研究进展………………………………………6

1.3巴伦支海喀拉海海冰变化与北半球气候的关系与研究进展……………………………6

2数据与方法………………………………………………………………7

2.1数据…………………………………………………………………………………………7

2.2方法…………………………………………………………………………………………8

3巴伦支海喀拉海海冰变化的时空特征…………………………………9

3.1巴伦支海喀拉海海冰密集度的EOF分析…………………………………………………9

4巴伦支海喀拉海海冰变化与冬季北半球大气环流的关系…………11

4.1 EOF1、EOF2、EOF3与11、12、1、2月份地表气温的回归分析………………………11

4.2 EOF1、EOF2、EOF3与11、12、1、2月份平均海平面气压的回归分析………………14

4.3 EOF1、EOF2、EOF3与11、12、1、2月份500百帕位势高度的回归分析……………16

4.4 EOF1、EOF2、EOF3与11、12、1、2月份不同高度的气温的回归分析………………18

4.5 EOF1、EOF2、EOF3与11、12、1、2月份不同高度的纬向风的回归分析……………19

5总结与讨论……………………………………………………………22

参考文献………………………………………………………………22

致谢……………………………………………………………………24

晚秋巴伦支海喀拉海海冰变化的主要模态及其对应的冬季北半球大气环流变化

张靖玮

, China

Abstract：First,this article based on the analysis of yearly sea ice concentration data in the Barents and Kara Sea since November 1979 to 2015 which is provided by NSIDC, then the EOF method is used to decompose Arctic late autumn sea ice concentration into spatial mode and time series.The 

results of EOF analysis show  that the EOF1’s sea-ice concentration in the Barents and Kara Sea shows a consistent changes in the east-west direction,and the second mode shows the opposite changes in the east-west direction, and the third mode shows the opposite north-south variation. The

spatial variation of EOF1 was mainly showed a consistent change due to the fact that the linear trend of the data was removed . In both the Barents Sea and the Kara Sea are negative value,it indicates that the sea ice concentration was reduced in both regions. The reduction of sea-ice will reduce the ice albedo,which will increase the temperature and pressure of this part of the water, thus affecting 

the general circulation of the northern hemisphere. The spatial variation of EOF2 mainly reflects the opposite changes in the east- west of the Barents and Kara Sea. The Svalbard region is mainly 

negative while the Novaya Zemlya region is positive value .The spatial variation of EOF3 reflects

the opposite changes from northern Svalbard to northern Russia and from south of Svalbard to 

Novaya Zemlya. The reduction of sea-ice in the Barents and Kara Sea also has an impact on local 

air pressure and temperature. The reduction of sea ice cover in the Barents and Kara Sea caused 

the Arctic Oscillation (AO) to gradually change to a positive phase, and there is an increasing trend. This will increase the probability of Arctic extreme weather and increase the atmospheric oscillation in the mid-latitudes. From a spatial point of view, the center of reduced sea ice gradually shifts from the edge of the sea to the polar region.

Key words：Barents Sea,Kara Sea,Sea-ice concentration,Atmospheric circulation

1绪论

1.1引言

北极作为地球气候系统的重要组成部分，而海冰又作为北极的重要组成部分，其存在对地球气系统候起着非常重要的作用，是研究北半球大气环流不容忽视的重要因素。而近几十年来，科学家们对海冰变化与大气环流间的作用也给予了高度重视，最近加速的北极海冰减少被认为是中纬度环流变化的一个可能的强迫因子，可以被投影到北极涛动（AO）和/或北大西洋涛动（NAO）模式。而最近AO的加强和相应的中纬度大气振荡加剧可能与巴伦支海和喀拉海晚秋的海冰损失有一定的关系，所以喀拉海海冰将可能成为冬季AO和相关地表温度以及未来北半球大气环流变化的潜在预测因子。因此，对巴伦支海和喀拉海海冰密集度主模态的分析及其对海汽热量交换和大气环流变化的回归分析有着重要的意义。

本文的海冰数据所选择的区域是巴伦支海和喀拉海（如图a）都属于北冰洋的一部分，大概位于70°N至80°N，30°E至90°E之间。其中，巴伦支海位于挪威与俄罗斯的北方，面积大约为140.5万平方公里大于位于俄罗斯西伯利亚北的面积约为880000平方公里的喀拉海。巴伦支海的平均水深为230米，最大水深450米，南北跨度1684km,东西跨度2220km,是世界最大的渔场之一，且其南部是北冰洋中唯一的终年不冻的海域。喀拉海形成于最后一次冰期中冰消过程中，是地质史上最年轻的海，其平均水深127米，最大水深620米，长1450km,宽970km。近年来，北极正在发生实质性变化，其温度变化趋势比其他任何地方都要强，被普遍称为北极放大(Alexeev et al., 2012)。有研究表明，北冰洋海冰覆盖通过调节地表反照率以及海-气界面处的湍流热量和动量通量，在北半球高纬度地表能量收支中起着重要作用（Serreze et al., 2007）。 冰反照率随海冰的变化而变化，进而影响了表层的辐射和热量状况，最终对大气环流造成影响。

图a

1.2巴伦支海喀拉海海冰时空变化特征的研究进展

对北极海冰的研究主要是通过对观测的海冰数据进行再分析来确定其空间上和时间上的变化趋势。现有海冰资料的来源是卫星遥感观测，而在观测研究中，大的空间范围和时间上连续的海冰损失使得难以确定关键地理位置海冰强迫大气的区域和时间，这就对海冰的变化进行准确的观测具有一定难度，这导致了研究工作的困难。不同的海冰资料使用的精度不同，其代表性也存在差别，这种差异便导致了对海冰的研究会因为所用资料的差别而产生不一致的结果。

在时间变化上，现有的许多研究都表明，自20世纪90年代以来，与南极海冰呈全年持续增长的趋势相比，北极海冰覆盖率一直以前所未有的速度下降（Comiso et al., 2008）。更有学者预测在本世纪末期将会出现近乎无冰状态的北冰洋。近年来，巴伦支海和喀拉海的海冰也呈现出逐渐减少的趋势，海冰融化的现象越来越早，开阔水域出现的也越来越早，如此快速的冰雪退缩已经引起科学界越来越多的关注，以评估北极海冰损失可能造成的气候影响。Avalier et al., (2012) 就根据1978年11月至1996年10月期间的SMMR、SSMI数据分析北极海冰的范围、面积和变化趋势的数据资料进行了分析，发现其变化具有明显的季节性、区域性和年际差异性，年均减少 34300±3700km²，每十年缩小2.8%。四个季节中春季海冰减少速度最快，秋季最慢。喀拉海和波弗特海的海冰平均逐年减少 15200±1900km²，十年缩小 10.5%成为减少数量最多的地域（贾丽莉, 2015）。在空间变化上， Deser and Teng (2008) 分析了1979-2007年北极海冰密集度在空间和时间上的变化趋势，并发现：1979-1993年冬季海冰密集度与1993-2006年出现刚好相反的变化趋势。在1979-1993年，大西洋西部呈上升的变化趋势,在大西洋东部呈现下降的趋势，而在太平洋东部呈现上升的趋势而在太平洋西部为下降趋势。柯长青，彭海涛等基于 AMSR-E 海冰密集度数据对 2002-2011 年 10 年间北极海冰的时空变化特征及原因进行了分析，发现：海冰外缘线面积、海冰密集度、长期冰均呈减小的趋势，且海冰面积与年平均气温之间成显著的负相关关系。

1.3巴伦支海喀拉海海冰变化与北半球气候关系的研究进展

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