北极海冰快速变化背景下大气水循环演变规律研究

发布时间：2020-06-14 15:50

【摘要】：本文利用1979-2016年逐月及逐日ERA-Interim再分析资料,采用多种统计诊断方法研究了北冰洋上空的大气水循环过程,详细分析了水汽含量、局地降水和蒸发量以及经向水汽输送的时空变化特征。其次,根据1965-2016年逐月六大环北极河流径流量观测资料,在分析北冰洋入海径流的季节-年际演变规律的基础上,新定义了北极入海径流集中度(DCD)和集中期(DCP)指数,研究径流量的年内分布形态特征及最大径流量出现时段。同时,通过分析流域内陆面水循环过程,探讨影响局地径流量变化的关键气候因子。此外,利用美国国家冰雪数据中心(NSIDC)海冰观测数据,研究了海冰面积与大气水汽含量之间关联度的时空差异性及影响机理。最后,利用全球增暖1.5℃和2.0℃两种情景下的CESM模拟结果,分析北极关键海区的海冰-大气相互作用。全文主要结论如下:近38年北极大气水汽含量显著增加,增加趋势在20世纪90年代中期后加快,且夏秋季增幅大于冬春季。北极“逆湿”现象在冬季广泛存在而夏季较少,冬季“逆湿”深厚而夏季相对浅薄,但夏季“逆湿”强度较大。北冰洋降水量的季节变化具有明显的空间差异,大西洋扇区冬季多夏季少,而中央海区与之相反。近年来北冰洋中央海区降雪量和降雨量显著增加,大西洋扇区降雨量增多而降雪量减少,但两个区域都存降雨日数增加而降雪日数减少的变化趋势,表明北冰洋固态降水有向液态降水转变的倾向。进一步分析北冰洋上空水分收支过程的年际相关可知:喀拉海和楚克奇海降水量的增加趋势主要来源于局地蒸发的增强,而巴伦支海、东西伯利亚海、拉普捷夫海则受到局地蒸发及水汽辐合通量加强的共同影响。近52年来北冰洋入海径流量呈显著增加趋势,欧亚大陆一侧径流量(2.16%decad e-1)的增速高于北美(1.50%decade-1)。同时,,六大河流普遍存在夏季径流量减少而融化月(5月)增加的变化趋势,Yenisey河尤其明显。进一步分析不同河流集中度的年际变化可知,六大河流径流量在年内分布形态更加分散。从北极流域内的水分收支过程出发,我们发现上一年5月至当年4月北极流域内净降水量与上一年8月至当年7月年径流量的正相关性最大。此外,气温是影响融化月径流量年际变化的主导因子,而夏季径流量主要受到前期流域内水汽辐合通量的影响。北极海冰面积与上层水汽存在显著的同期负相关,冷季(11月-次年5月)负相关中心位于大西洋扇区的巴伦支海-喀拉海,而暖季(6月-10月)位于太平洋扇区。水汽正异常及其与气温、长波辐射的正反馈作用可以触发海冰的初始融化,并持续影响海冰的后续融化过程。在全球增温1.5℃和2.0℃的情景下,整个北极范围内的大气水汽含量显著增加、北极海冰融化加剧。夏季北极中央海冰面积与超前滞后两个月内的水汽都存在显著负相关,相关性在初始升温阶段最大,在气温稳定后明显减弱。冬季巴伦支海海冰面积则与同期及滞后2个月内的水汽呈负相关,且2.0℃情景下负相关性更加显著。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P731.15;P339
【图文】：

示意图,北极,大气水,循环过程

详细和系统的研究。大气水循环过程主要包括局地降水、蒸发以及水汽输送过程，同时逡逑在月尺度上，大气中水汽的变化也不可忽略。由于下垫面的显著差异，我们将北冰洋及逡逑其沿岸陆面上两个局地水循环过程分开考虑（图２．１）。本章主要关注北冰洋上空的大气逡逑水循环过程，主要包括北极大气水汽变化、北冰洋上空的降水和蒸发以及向极水分输送逡逑过程。逡逑ｉ￣｜逦Ｉ逦逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑水汽舍Ｔ逡逑Ｉ邋ｌ邋ｙ逦大气水汽变化Ａｑ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑Ｉ邋逦＾逦Ｉ逦逦逦逦逦逡逑Ｉ逦｜逦＾逡逑｜降水Ｐ逦蒸发＾邋蒸发Ｅ逦降水Ｐ逡逑｜入海径流｜逡逑图２．１北极大气水循环过程示意图（红框内为本章的主要研究对象）逡逑２．２数据及方法介绍逡逑２．２．１数据逡逑对北极或高纬度水循环的研究主要基于站点和遥感观测、大气再分析和气候模型回逡逑报，对未来水文变化的预估来自气候模型预测，其中包括人类活动和外部强迫的各种情逡逑景。然而，几乎所有水循环变量的观测数据都非常稀缺，而模式中对北极大气中存在的逡逑一系列复杂物理过程（包括混合云物理学，辐射－云－湍流相互作用等）的理解也较为局逡逑Ｐ艮（Ｖｉｈｍａ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４）。逡逑在有限的资料中，高纬度台站、浮标观测点分布稀疏，不足以描述区域气候特征及逡逑其时空演变过程，而高时空分辨率的卫星数据则受限ｆ反演算法的不确定性和特定仪器逡逑的使用年份（Ｇｒｏｖｅｓ邋ａｎｄ邋Ｆｒａｎｃｉｓ．

气温分布,大气水汽含量,纬向分布,全球

２．３北极地区水汽含量时空变化逡逑２．３．１整层水汽变化逡逑水汽的时空分布与气温分布密切相关，根据图２．２，全球大气整层水汽含量由赤道逡逑向极地减少，由夏季向冬季减少。作为地球的两极，北极地区多年平均的水汽含量明显逡逑大于南极，各季节年际变化幅度也较大，尤其是夏季水汽含量的年际变化与赤道附近相逡逑近，说明北极地区是近年来全球水汽变化最活跃的区域之一。逡逑６０邋［＇￣？￣—＾￣￣Ｉ￣■￣■￣￣￣■￣１￣１￣Ｉ￣￣？￣￣■￣１￣Ｉ￣￣＾￣１—Ｉ￣＾￣￣Ｉ￣￣■￣＾￣—逡逑逦ＤＪＦ逡逑５０邋－逦／Ｖ逦逦ＪＪＡ逡逑９０°邋Ｓ逦６０°邋Ｓ邋３０°Ｎ逦０逦３０°邋Ｎ逦６０°邋Ｎ逦９０°邋Ｎ逡逑ｌａｔｉｔｕｄｅ逡逑图２．２逦１９７９－２０１６年全球年均、冬季和夏季大气水汽含量的纬向分布逡逑（单位：ｉｒｒｎｉ，阴影区域为年际变化区间）逡逑９逡逑

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