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《中国科学院海洋研究所研究揭示秋季北极海冰减少增强冬季乌拉尔阻塞及欧亚大陆冷异常机制》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2023-11-29

  • 近日，中国科学院海洋研究所王凡团队联合中国科学院大气物理研究所罗德海团队在JCR一区Atmospheric Research发表最新研究成果，揭示了秋季喀拉海-东西伯利亚海（Kara-East Siberian Sea, KESS）海冰减少有利于增强冬季乌拉尔阻塞以及欧亚大陆高纬度冷异常的物理机制，为冬季欧亚大陆高纬度气温变化的季节预测提供新的理论支撑。

    在全球变暖的大背景下，近几十年，北极增暖速度是全球平均的3倍以上，北极海冰急剧减少。以往研究表明，北极海冰减少与欧亚和北美大陆的极端寒冷天气密切相关。不仅冬季海冰会影响同期欧亚大陆极寒天气，秋季海冰也是冬季欧亚大陆气温变化重要的先兆因子。但秋季海冰对冬季欧亚大陆气温的影响并不稳定。北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）被认为是联系秋季海冰与冬季中纬度气候的重要媒介，很多模式却无法重现负位相NAO对秋季海冰减少的响应。因此NAO作为媒介的观点并不稳健。此外秋季海冰变化的区域敏感性也是冬季气候响应不稳定的关键原因之一，所以划分区域来研究海冰变化的影响是非常必要的。2020年秋季北极海冰减少至1979年以来历史第二低值，KESS区域海冰却打破最低值记录。中国科学院大气物理研究所姚遥等人（2021）发现，KESS海冰异常减少可通过影响乌拉尔阻塞（Ural Blocking, UB）促成了当年12月至次年1月中国的极端低温事件。但这只是个例分析，秋季KESS海冰影响冬季欧亚大陆气温是否具有普适性还不清楚。

    研究团队通过分析观测数据和进行敏感性试验发现，秋季KESS海冰减少有利于增强冬季UB事件的强度并延长它的生命周期，进而降低欧亚大陆高纬度气温。秋季KESS海冰减少会激发上传行星波，减弱平流层极涡。弱极涡维持到冬季，引发下传行星波，减弱了乌拉尔地区的纬向风和经向位涡梯度。根据罗德海等人（2000，2014，2019）的非线性多尺度相互作用理论模型，经向位涡梯度减小，阻塞非线性增强，频散性减弱，能维持更长的生命周期。因此，弱的纬向风和经向位涡梯度为UB的发展和维持提供了有利的背景环流条件。不仅如此，冬季持续发生的UB在2月下旬激发向上行星波，与弱极涡形成一个正反馈，有利于信号继续向春季传递，或许能为秋季北极海冰影响春季中纬度大陆气候提供新思路。

    论文第一作者为中国科学院海洋研究所博士后宋元元，通讯作者为中国科学院大气物理研究所姚遥副研究员，合作者还有罗德海研究员和李元龙研究员。该研究得到了国家自然科学基金（42375061，41975068，42150204和42288101）的资助，以及国家重大科技基础设施建设项目“地球系统数值模拟装置”（寰）的支持。

    论文信息：Yuanyuan Song, Yao Yao, Dehai Luo, Yuanlong Li, 2023: Loss of autumn Kara-East Siberian Sea ice intensifies winter Ural blocking and cold anomalies in high latitudes of Eurasia. Atmospheric Research. 295: 107038. doi: 10.1016/j.atmosres.2023.107038.

  • 原文来源：https://qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202311/t20231124_6937377.html
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    • 太平洋年代际变化(Pacific Decadal Oscillation，PDO)是描述北太平洋海温变化的重要指数，目前有少量研究指出PDO可对北极地区的大气环流造成一定影响，但没有指出PDO与北极大气环流在何种配置情况下会对夏季北极海冰减少产生显著影响。近日，中国科学院海洋研究所黄海军课题组研究人员首次揭示了太平洋年代际变化的相位更迭对夏季时期北极偶极子DA大气环流模式以及太平洋扇区海冰变化的调控机制。 进入21世纪以来，北极地区海冰覆盖面积呈现快速减少的变化趋势。北极偶极子（Dipole Anomaly，简称DA）大气环流模式对北极太平洋区（PAS）夏季海冰密集度（SIC）的变化起关键调节作用。当北极偶极子处于正相位（DA+）时期，格陵兰岛和加拿大北极群岛一侧出现海平面气压正异常，而对面一侧的欧亚大陆区域出现负压异常（北美一侧为中心的反气旋式大气环流）。有研究指出，这种形态的大气环流模态能同时促进海冰的平流输出和快速融化过程，进而通过海冰-反照率正反馈机制的作用，对太平洋扇区内（Pacific-Arctic Sector，简称PAS）海冰覆盖面积显著减少产生影响（Bi et al. 2019）。 研究人员根据卫星观测和再分析气象资料，从新的角度解释了影响北极地区海冰快速减少的新机制。研究团队根据再分析资料结果发现，与PDO正位相时期（PDO+）相比，处于PDO负相位（PDO-）海洋状态条件下的DA+所“支配”的大气环流模态，在加拿大群岛一侧的正压异常和对侧欧亚大陆的负压异常都得到增强）。接着研究人员基于近40年的卫星观测资料发现，与DA+相关的反气旋式大气环流对太平洋扇区内边缘海区域海冰密集度变化的影响程度与太平洋年代际变化PDO的相移有关。换言之，当DA+大气环流模式受到PDO不同相位海洋状态条件的调节，北极太平洋扇区内的海冰密集度将出现显著变化。卫星遥感数据显示在东西伯利亚海（ESS）、波弗特-楚科奇海（BCS）、加拿大北极群岛区域（CAA）的区域平均海冰密集度分别变化了+4.9%、-7.3%和-6.4%（即SIC(PDO-,AD+) - SIC(PDO+, AD+)）。 通过分析气象数据资料，研究发现受PDO-（PDO+）海洋背景状态调制作用，DA+相关的大气环流模式可导致BCS和CAA两个区域上空对流层下部（500~1000hPa）的大气比湿度、气温以及由此产生的向下长波辐射异常增强（减弱）。深入分析表明，在这两个区域比湿度和空气温度的异常变化主要与向极水汽输运通量以及水汽和热通量的聚散过程变化相关。因此，相对于PDO+，在处于PDO-情况下，DA+大气环流造成的这两个区域（CAA和BCS）的海冰密集度时期更小。另外，本文研究揭示海表温度和风应力异常则是造成东西伯利亚海地区海冰密集度显著变化的主要原因。与前人研究结论不同，本文定量计算结果指出云量异常对研究区海冰异常变化的贡献不明显。 鉴于PDO的年代际振荡性质，研究人员推测近期向北太平洋向PDO+相位状态的转变可能对夏季北冰洋海冰覆盖面积减少趋势起到暂时的减缓作用。综上，本研究揭示了中、高纬大气相互作用机制对北极气候和海冰产生的调控机理，为深入理解中纬度海洋-大气相互作用以及中-高纬大气遥相关机制起到推动作用。相关研究成果近期在线发表于国际学术期刊Journal of Climate （JCR一区Top期刊，IF=5.7）。 相关文章列表： Bi, Haibo., Yunhe. Wang, Yu Liang, et al, （2021）. Influences of Summertime Arctic-Dipole Atmospheric Circulation on Sea Ice Concentration Variations in the Pacific Sector of the Arctic During Different Pacific Decadal Oscillation Phases. Journal of Climate, DOI: 10.1175/JCLI-D-19-0843.1 　　 Bi, Haibo., Qinghua Yang, Xi Liang,et al. （2019a）. Contributions of advection and melting processes to the decline in sea ice in the Pacific sector of the Arctic Ocean. The Cryosphere 13(5): 1423-1439.
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  • 《中国科学院海洋研究所研究揭示南极冰盖形成期全球变冷驱动了东亚夏季风减弱》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2023-11-20
    • 近日，国际地学自然指数（Nature Index）期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth《地球物理研究杂志-固体地球》在线刊发了中国科学院海洋研究所万世明研究团队与南京大学、美国德州农工大学合作的最新研究成果“Global cooling-driven summer monsoon weakening in South China across the Eocene-Oligocene transition”。研究人员基于南海北部始新世-渐新世沉积物中的磁性矿物特征研究，揭示了磁性矿物对气候变化的响应过程，发现东亚夏季风在始新世-渐新世气候转型期间受到南极冰盖形成和全球变冷的影响而发生了显著减弱。 现代东亚大陆的气候主要受到东亚季风系统的控制，研究东亚季风的长期演变历史和驱动机制不仅可以更好理解地球系统多圈层相互作用的机理，而且对认识全球变暖背景下人类生存环境如何发展具有指示意义。早期研究揭示出东亚大陆气候系统在大约2200万年前经历了行星风系向季风风系的转变，认为东亚季风起源于约2200万年前，并且自该时间以来的东亚季风演变已有较深入的研究。不过，近些年来越来越多的证据显示，在约4000~5000万年前，东亚大陆气候很可能就已受东亚季风系统控制了。然而，由于分布较广并具有良好年代约束的连续沉积记录的缺乏，我们对东亚季风的早期演变过程还不甚清楚。并且，始新世-渐新世之交，南极冰盖开始形成，全球气候整体变冷，地球从之前的“温室状态”进入了之后的“冰室状态”。东亚季风的演化如何响应全球气候的转型或青藏高原的早期隆升，需要有精确年代约束的地质记录来相互对比和检验。 南海作为西太平洋区域最大的边缘海，自形成以来接受了来自周边地块的巨量碎屑沉积，是重建源区古环境古气候信息的良好载体。研究人员选取了国际大洋发现计划（IODP）368航次在南海北部U1501站位钻取的晚始新世至早渐新世沉积（440-300米深度段）作为研究材料，基于微体化石生物带和锶同位素年代学对研究地层的年代约束，通过沉积物中磁性矿物的变化特征来示踪源区的气候变化，进而揭示东亚季风在此期间的演变历史。 结果显示，沉积物中主要的携磁矿物为来自华南东南缘的碎屑（钛）磁铁矿。这些碎屑磁铁矿为源区直接风化侵蚀形成的小颗粒磁铁矿，随后通过地表径流及洋流输送至海洋沉积区。因而，沉积物中这些碎屑磁铁矿的含量和粒度受到地表侵蚀强度和径流强度的影响。在东亚季风区，夏季风主导了区域的降水，更强的夏季风可以造成更强的地表径流和风化侵蚀，可以输送更多并且更粗粒的碎屑磁铁矿。因此，在始新世-渐新世转型后的磁性矿物含量变低和粒度变细很可能指示了东亚夏季风强度的减弱。此外，该站位赤铁矿/针铁矿的比值在始新世-渐新世转型后也呈现了明显降低。已有研究揭示，赤铁矿/针铁矿比值在气候暖湿的环境下较高，在冷干的环境下则较低。因此，本研究推测赤铁矿/针铁矿的比值降低指示了华南气候在始新世-渐新世转型后变得更加寒冷干燥。结合本站位岩芯已有化学风化、物理侵蚀和干湿变化等代用指标，同时综合对比东亚大陆现有的古气候记录，共同揭示出东亚夏季风在经过始新世-渐新世转型后发生了明显减弱，另外还发现夏季风强度在始新世-渐新世转型前存在短暂的增强。 在构造时间尺度，东亚夏季风长期演化的影响因素主要包括青藏高原的隆升、副特提斯海的后撤以及全球变冷。已有模拟研究表明，青藏高原隆升可通过动力和热力效应-增强而不是减弱东亚夏季风，而副特提斯海向西撤退会减少西风水汽对东亚北方区域的影响，但是对华南区域影响较小。因此，始新世-渐新世气候转型期间东亚夏季风的减弱最可能是全球变冷所驱动。冰盖扩展和全球变冷可通过多种过程（如降温引起的大气水汽含量降低、夏季海陆温度梯度差异减小、海平面降低等）来减弱东亚夏季风环流强度。本研究为东亚季风区始新世-渐新世期间的水热循环即温度和降水的协同演变提供了关键证据，同时也对更准确理解始新世-渐新世气候转型的区域响应过程具有重要价值。 论文的第一作者为中国科学院海洋研究所的焦文军博士后，通讯作者为万世明研究员。本研究得到了中国大洋发现计划（IODP-China）、国家自然科学基金、中国科学院战略先导科技专项、泰山和鳌山学者项目的支持。 论文信息： Jiao, W., Wan, S.*, Li, Y., Zhao, D., Liu, C., Jin, H., Li, M., Yu, Z., Zhang, J., Pei, W., & Li, A., 2023. Global cooling-driven summer monsoon weakening in South China across the Eocene-Oligocene transition. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027265. https://doi.org/10.1029/2023JB027265.
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