亚洲季风驱动的北极海冰模式外文翻译资料

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美国气象协会

气候杂志

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亚洲季风驱动的北极海冰模式

GARY GRUNSEICH and BIN WANG

摘要

北极海冰密集度（SIC）的波动已经与海洋环流，生态，以及北半球气候的变化相联系。海冰融化模式的预测引发了社会的广泛兴趣，但是这种预测仍然很艰辛，因为控制海冰同比变化的要素仍然无法很好地解决。通过改变风控的海冰传输，显著的亚洲季风遥相关很大程度地调节着北极SIC。东亚季风降水制造了向北传播的经向罗斯贝波列，使波列伸入西伯利亚北极地区。印度季风激发了一个沿着亚热带急流向东传播的绕全球的遥相关，并且到达北大西洋之后分叉进入北极。这个遥远的东亚季风变化引起一个显性的偶极海冰融化模式，在这一模式中，位于北大西洋欧洲的北极与位于北西伯利亚美洲的北极相对照。这一与季风相关的海冰变化是对局地引发的北极涛动变化在规模上的补充和对比。北极季风关联将改善夏季北极海冰的周期性预测，并且可能解释与下个世纪亚洲季风降水预计增加相联系的长期海冰趋势。

1. 介绍

变化的海冰覆盖率已经广泛地影响了季节和年代际时间尺度的全球海洋和大气循环。春季北极海冰在东亚季风上的影响，以及凭借冬季亚洲季风力量而造成的秋季海冰在北极的不同地区的影响，已经得以确认。开始于20世纪末期的海冰范围减少已经与急流的异常扰动联系起来，这能够改变中纬度的天气。北极海冰的全球影响强调那些决定控制海冰可变性的过程的重要性。海冰移动和覆盖率，在另一方面，由足够远离海岸效应的远距离风应力驱动。海冰基本响应了风驱动的海冰传输的聚合，并且海洋和大气推动了热力造成的融化。如果超过百分之七十的海冰移动可以用地转风来解释，通过修正冰平流，大气循环就在塑造异常北极SIC模式上扮演了基础的角色。

开始于20世纪末期，每年海冰最小覆盖率的稳定减少已经被很好地证明，并且在北冰洋海冰的快速减少已经广泛地归因于人为的气候变化和动力辐射反馈。最近，远热带变化性的长期趋势和它在异常北极大气循环上的影响正得到重视。加拿大和格林兰岛自1979年开始的持续变暖被证明与北大西洋涛动的负趋势强相关，这是对一个起源于热带太平洋的异常罗斯贝波列的响应。这个以独特的准两年周期震荡的频率出现的年代际变化被发现已经对北极变暖有了很大的影响。与热带印度洋MJO相关的对流增强能够制造向极传播的罗斯贝波，改变热量和水汽的传输以及其他北极的大气过程。在天气尺度上，一个大气加热的途径已经被确定，因为贯穿于对流层的平流，一些巴基斯坦主要洪涝事件的结果，大约在一周后就与位于加拿大北极的热含量上升直接联系起来。这一途径能够把西北印度近年来上升的降水量和北极海冰的快速融化趋势相联系。在所有的季节和不同的时间尺度上，热带遥相关引发了独特的北极环流变化。

在全球范围内，包含海运公司，能源和地质资源勘探公司，渔业，计划和调整当地资源使用的沿岸社会组织在内的大量行业对可靠的海冰异常模式预测表现出巨大的兴趣。然而，光是同比预期就已经被证明是很难的了。自然的年际海冰变化性能够可能是预测难的缘由。证据显示，夏季北极海冰密集度变化性，由来自东亚夏季风和印度夏季季风的远程强迫作用来调节，确认了一个新的海冰可预测性的源头。

1. 数据和方法

气候预测中心融合了降水分析和和由降水数据集组合而成的2.2版全球降水气候学计划，从1979年至2013年，都是在2.5°*2.5°网格上，被平均成一个与用于Yim et al.（2014）方法相似的数据集。季风波列模式和作为结果的循环，利用从1979年至2013年每月的欧洲中心的风数据，位势高度和海平面气压来定义每一个季风域和相关动态控制海冰模式的联系。为了确定沿遥相关波列的能量传播，退化的带状分离异常被用于计算波活动通量，这与罗斯贝波似稳的群速度类似。

为了检测北方夏季几个月里年际海冰变化性，我们利用了1979年至2013年间来自SMMR，DMSP，SSM/I-SSMIS的引导海冰密度。这个引导算法被NASA算法团队选中，因为这个引导算法数据在融化区域和薄冰地的错误更少，使得这一算法在夏季用得很更加普遍。

海冰厚度和移动数据来自PIOMAS，处于1979-2013年之间的时间段。海冰平流和海冰增长率也被应用于理解控制海冰厚度的主要项。

a.季风指数与SIC EOF2的关系

为了调查东亚夏季风和极地夏季风年际变化性和极地环流，季风指数已经发展到能够捕捉贯穿北方夏季降水变化性并且能代表季风的季节平均强度。通过形成一个代表了西北太平洋夏季季风和东亚季风降水的偶极表现的指数，来得到东亚季风的年际变化性。为了消除超过五年的低频变化，在除去三年滑动平均后，六七月这种巅峰月的降水被标准化并且EASM盒是从WNPSM盒中提取出来的。偶极降水指数被认为是西北太平洋副热带高压循环的异常强度的标志，并且还能够得到产生遥相关模式的异常加热。处于ISM巅峰的年际变化是用七月和八月在70°E-105°E, 10°N-30°N范围内的平均降水量来定义的。为了形成差异复合，通过找到每个指数超过0.5个标准差的事件（表1），来确定降水量多和少的季风降水年。正年和负年被合成，并且得到了他们之间的差异。

对每个指数使用双月平均降水量，六月-八月SICEOF模式2和八月-九月EOF2时间序列之间的相关性得以表现出来。当把降水时期改为四月和十月时这种相关也能表现出来。使用六月-七月降水量和六月-八月SIC EOF2时间序列，EASM指数相关得以最大化（r=0.83）。使用七月-八月降水量和八月-十月SIC EOF2时间序列，ISM指数相关得以最大化（r=0.77）。这个结果表明一个在EASM和六月-八月SIC EOF2之间近乎瞬间的联系，也表明了在ISM降水量和八月-十月SIC EOF2之间一个月的滞后。

1. SIC年际变化的主要模式

通过删除三年滑动平均来消除年代际变化和总的非线性衰减趋势，检测到北极SIC年际变化。三年滑动平均隔离了常见于早夏和晚夏的沿着北冰洋边缘的年际频率。（图.1）为了推导年际SIC变化的主要模式，在早夏（六月-八月）和晚夏（八月-十月）实施EOF分析，分别地省略了动力学变化，因为这两个产出的周期与第二EOF模式不同，并且他们在统计意义上与相应的第一类和高级模式有显著区别。两个月的聚合是最先被选择的，但是它没能产出早夏和晚夏的EOF 2模式，这两个模式得是分离的，并且它们之间关联度很低。这个EOF分析的空间域与 NSIDC极射赤面投影平面位于(30.98°N, 168.35°E), (33.92°N, 279.26°E) ，(34.35°N, 350.03°E), and (31.37°N, 102.34°E) 的角落相适应。

两个时间段的第一种模式沿着北冰洋边缘从欧亚北冰洋至波弗特海有相似的纬向对称模式，并且显示一个短时相关系数r=0.92（图.2a 和 3a）。这些EOF1模式与北极涛动状况相关，它符合先前北极涛动和北极海冰之间局地耦合的发现。但是，早期的工作发现了夏季纬向对称SIC的减少与高阶冬季涛动之间有联系，但经过我们长时间的分析我们发现，夏季SIC EOF 1模式显示了一个与比早先冬季月份早1至2个月的涛动更强的联系。这个在五月-七月（六月-八月）出现的三月平均北极涛动指数，和在六月-八月（八月-十月）出现的SIC EOF 1，已经在统计意义上明显地滞后一到两个月，以短时相关系数r=-0.78（r=-0.69；图. 4a 和 4b）。除此之外，贯穿北极边缘的大部分区域海冰减少很大程度上归因于低的北极涛动指数值（北冰洋上异常高的SLP），正如SLP的回归和海冰移动向量所显示的那样（图.5）.

在两个夏季阶段的EOF 2模式有唯一的纬向对称SIC模式并且与亚洲季风降水有关（图.2b 和 3b）。亚洲夏季季风有两个主要成分构成，ISM和EASM。对ISM来说，对流中心和相关加热都位于阿拉伯海和孟加拉湾地区，同时对EASM来说，在副热带东亚和热带中国南海之间有一个经向偶极模式。利用空间平均降水指数来代表ISM和EASM的强度，实施敏感性计算来确定每一个SIC EOF 2和对应的季风系统之间的联系。八月-九月-十月SIC的第二EOF模式显示了与ISM中巅峰月（七月-八月）降水之间的一个强相关（图. 4d）。通过检测两个季风系统之间的遥相关模式，季风降水和SIC反应之间的时间滞后能够被解释，这创造了一个在全球气候上的遥影响，并且两个季风驱动的波列形成海冰强迫机制强度。

1. 东亚夏季风-北极 遥相关

在东亚夏季风降水小的年份里（和同时发生的西北太平洋强降水），一个类三级循环模式发展，向东北延伸东亚沿岸，在这之中一个斜压异常的低层气旋在菲律宾海发展，正压反气旋环流在日本和朝鲜半岛异常发展，还有一个在东北俄罗斯发展了的正压气旋环流（图.6）。在东西伯利亚波列分叉。南分支沿大圆路线穿过北太平洋向北美传播，然后沿着副热带急流进入北大西洋，这已经在先前的研究中讨论过。之前没有注意到的是一个从东西伯利亚进入北冰洋的北方分支。这个向北的遥相关路线直接联系着北西伯利亚和阿拉斯加的正压北极异常高压。使用高低EASM指数年之间的区别，低层位势高度场显示一个显著的从西伯利亚到北冰洋的向北的能量传播途径，如波活动通量散度和遥相关模式的横截面所示（图.6b）。因此，EASM-Arctic遥相关由四个统计意义上重要的异常循环项组成：菲律宾海的斜压低层气旋，在日本朝鲜半岛的正压反气旋异常，东西伯利亚的正压气旋和北极正压反气旋。向北传播的EASM-Arctic遥相关模式部分上解释了在异常东亚季风加热和遥相关反应之间的短时间滞后（不到一个月）。

1. 印度季风-北极遥相关

在多年的高ISM降水期间，300-200hPa位势高度场呈现出不同的波能传播模式（图.8）.该波列大部分与对ISM加热的环球遥相关响应共享，其显示具有与早期研究中讨论的那些（Ding等人2005）有变化中心的波数-6模态紧密符合。相对于亚热带急流，ISM加热的接近产生了强耦合，产生统计上显著的下游波列，由于沿喷射边缘的强涡度梯度，急作为波导（Hsu等人，1992；Hoskins和Ambrizzi1993；图.7b和8）。亚热带急流允许上游热带海洋活动进入北大西洋上的急流入口区，其中区域性变化的流动产生强的正压不稳定性，这进一步放大波列（Simmons等人，1983）。这使用沿着遥相关路线的横断面进行验证，这表明太平洋上的正压环流增强，北大西洋上的增强更大。值得注意的是，在北大西洋和西北欧洲，波浪能量分叉处强烈的反气旋特征。进入南部欧亚大陆和巴基斯坦北部的东南传播路径已经被注意到，是完成ISM CGT的关键组成部分。更令人感兴趣的是从北大西洋到北极的东北传播的波能量分支（Iwao和Takahashi 2008; Zhu等人2011），跟着较弱的次极地射流（Orsolini等人2015年;图9）连着异常ISM遥相关和北极变率。罗斯贝波列产生覆盖挪威海和东北亚的正压气旋和从西伯利亚延伸到加拿大北部的正压反气旋（图.8）。与EASM-北极遥相关模式不同，其直接延伸到东亚海岸，ISM-北极遥相关必须沿着亚热带地区沿北半球的大部分行进，然后从北大西洋急流出口区域向北延伸并产生极地特征。这可以部分解释七月至八月ISM降水与八月至十月的相关北极SIC EOF 2模式之间的一个月滞后。

1. 对东亚季风的北极反馈

北极亚洲季风所产生的异常正压循环负责沿北冰洋周边产生异常的SIC模式。通过使用SLP，850 hPa风，海冰浓度和冰运动矢量的复合，利用高和低季风指数年份之间的差异来检查由每个季风造成的北极环流和SIC模式之间的联系（表.1）。 EASM的高低指数差异显示出中心北冰洋的异常高，加拿大北部和欧洲北极到北大西洋的低压（图.10a）。这种SLP异常模式，特别是异常高压，是EASM-北极连接的一部分，如它与四细胞遥相关的最北端正压反气旋的共同位置所示（图.6a）。异常海冰运动矢量紧密符合低层地转气流，部分解释了SIC模式的创建。使用从7月至8月ISM指数的高和低年的差异观察ISM相关的SIC模式。在SLP领域，在北极形成偶极状模式，从西伯利亚北极到西北美洲北极的高压异常和欧洲北极北部的异常低压（图.10b）。这些SLP特征的布置对应于在北大西洋和欧洲的ISM CGT分叉之后的东北遥相关分支（图.8a）。斯堪的纳维亚的正SLP异常对应于遥相关分裂的正压反气旋（图.8a）。沿着ISM-北极连接向北移动，欧亚北极的气旋与低SLP异常共处，而从西伯利亚延伸到加拿大北部的正压反气旋与异常高的SLP相对应。这些SLP特征的配置驱动了分离成两股流动的Laptev海的异常循环模式;一个进入西北美北极，另一个进入Fram海峡。异常冰运动矢量非常类似于与ISM相关的循环特征相关的地转流并解释SIC模式。分析北极冰海模式和同化系统（PIOMAS）再分析数据揭示了异常季风驱动平流和热力学过程在形成海冰厚度和浓度模式中的重要性。在低EASM降水（和西北太平洋夏季季风-WNPSM降水）年代，西北美洲北极的正SIC和海冰厚度（SIT）异常是通过热力学增长和海冰进入该区域产生的（图.11）。在拉普捷夫海，平流海冰的辐散是造成该地区海冰减少的原因。在东西伯利亚海的上风侧有一股冰散射，而沿西部地区发生辐合，这是由北极低层的反气旋南缘的低层地旋风驱动的，并解释了观测到的异常SIC模式。在高ISM降水年代，由于该区域的平流散度和热力学熔融，SIC和SIT从欧洲北极减少到Laptev海（图.11）。从西伯利亚北极到北美北极，热力学生

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