论文部分内容阅读
在过去几十年中,北极海冰范围一直处于下降趋势,这一趋势在秋季尤为明显。秋季平均海冰范围（Sea Ice Extent,SIE）在2020年达到有卫星记录以来的最小值,北极海冰密集度也在逐年下降。随着多年冰覆盖范围的下降,北极海冰也由多年冰主导转变至一年冰占主导地位。北极海冰在北极局地气候中占据着重要作用,并通过影响海洋和大气之间的能量交换,对全球的气候变化产生重要影响。利用1982-2020年NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的海冰密集度产品,NSIDC（National Snow and Ice Data Center）SIE数据,以及NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR）再分析数据集中的海表面温度（Sea Surface Temperature,SST）、表面气温（Surface Air Temperature,SAT）、比湿（Specific Humidity,SH）、海表面气压（Sea Level Pressure,SLP）和风场数据,分析1982-2020年间秋季海冰的时空变化,并探讨北极海冰与各要素的关系。空间趋势拟合结果显示,从波弗特海到巴伦支海,秋季海冰密集度整体大幅下降,并且在波弗特海一带的下降速度最快。秋季SIE与SST、SAT和SH之间的相关分析表明,秋季SIE与8-10月SAT之间的相关系数最高,为-0.945。用经验正交函数（Empirical orthogonal function,EOF）对SST、SAT、SH、SLP和风场进行分析。SST、SAT和SH的第一个EOF模态表明,上升模态主要集中在波弗特海和东西伯利亚海之间的海域。SLP的第一个EOF模态在北极中部大多呈负值分布。在波弗特海、楚科奇海和东西伯利亚海上空,纬向风减弱而经向风加强。相关性和EOF分析的结果进一步验证了北极地区冰-温度、冰-SH和冰-SLP反馈机制的影响。利用ARIMA方法对北极秋季海冰范围时间序列进行预测,通过一阶差分并进行白噪声及显著性检验后选取ARIMA（3,1,0）模型,预测结果显示在2030年北极秋季海冰范围达到5.68×10~6 km~2。利用M-K（Mann-Kendall）突变检测及线性回归拟合,综合突变点前后各个年份并选取2002年为分界点,对于1982-2001年与2002-2020年两阶段北极秋季海冰的时空变化特征及其变化的原因进行探究。1982-2001年海冰的融化中心集中在楚科奇海及白令海峡一带,在2002-2020年则转移至巴伦支海附近,且海冰范围的融化速度由-0.44×10~6 km~2/10a增长至-0.83×10~6 km~2/10a。对北极海冰与SST、SAT和SH进行分阶段相关性分析,2002-2020年的相关系数较1982-2001年有所提高,且海冰与温度相关系数最高的月份提前了一个月。通过对两个时间段内SST、SAT、SH、SLP和风场的EOF分析可知,1982-2001年间,北冰洋沿岸地区的温度及SH的上升中心集中在楚科奇海及白令海峡一带;2002-2020年间,上升中心则转移至巴伦支海一带。气压场和风场在前后两阶段也出现了中心转移的分布变化。利用滑动平均方法处理NECP/NCAR的日平均表面气温数据,并选取步长为5计算北半球夏季长度变化。将ERA5（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis Version 5,ECMWF Reanalysis v5）的位势高度、气温和SH与秋季海冰范围进行空间回归拟合,分析海冰融化背景下,夏季长度变化的原因。结果显示,北半球夏季平均气温和最高气温逐年升高,其中在2020年夏季达到最高值。无论是在中纬度大陆还是极地地区,夏季长度都显著增加,从1982年至2020年间,整体夏季长度增加22天。夏季长度与北极秋季海冰的空间相关系数在喀拉海地区最高,达到-0.921。。将气温、SH和位势高度与北极海冰作回归分析,回归结果显示春季和秋季极区SAT上升,夏季的升温集中在900-500 h Pa一带。SH的回归场在北美东部、地中海地区、中亚和北太平洋地区显著上升,大气垂直结构的上升区域主要集中在1 000-800 h Pa。位势高度和风场在北极春季形成反气旋,并于夏季进一步加深。在秋季,反气旋不仅在极地和北太平洋地区形成,在北美西部也形成了反气旋。