基于多源数据融合的北极地表能量收支变化及其影响机制研究

Under the influence of recent global warming, the Arctic climate is continuing to experience unprecedented changes. Summer sea ice is retreating at an accelerated rate, and surface temperatures in this region are increasing at a rate double that of the global average, known as the Arctic amplification. And it’s believed that Arctic amplification has caused the increased frequency of extreme weather event in midlatitudes. However, due to the data quality problems and lack of systematic quantitative study on causes of Arctic surface energy budget, the mechanism of the unprecedented climate change in the Arctic remain unclear and are still under heated debate. To understand and reconcile the discrepancy between different studies, and seek the evidence chains that lead to Arctic warming and sea ice melting, we will carry out three main steps of studies in this program. First, we will design a multi-source data fusion method to generate a long-term (1984-2018) spatial-temporal completed surface radiation product. Then, based on the fused dataset and other ancillary products, we will try to analyze the spatial-temporal variation of the Arctic surface energy budget. Finally, we will try to qualify the contributions from different variables to the change of Arctic surface energy budget and analyze the impacts of these variables on each other, to find out the driving mechanism of change in the Arctic surface energy budget in the past 35 years.

受全球持续暖化影响，北极地区气候近年来发生剧烈变化：一方面，北极海冰覆盖正在加速消融；另一方面，北极近地表气温以两倍于全球平均（冬季达四倍以上）的速度急剧升高，被称为“北极放大”。北极急剧升温还造成了中纬度地区极端气候事件（如极寒、干旱等）的增加。地表能量收支失衡是导致北极近地表气候出现剧烈变化的直接原因，但由于高质量、长时序辐射数据和系统性量化研究的缺乏，北极地表能量收支失衡的驱动机制仍不明确，不同研究之间存在很大分歧，甚至观点对立。本项目旨在通过三年左右的研究，构建基于遥感观测的多源地表辐射数据融合方法，并生成一套高质量、时序完整且长时间覆盖（1984-2018）的地表辐射数据集；结合辅助数据对1984-2018年北极地表能量收支的时空变化特征进行分析，并进一步通过量化对比不同潜在影响因素对北极地表能量收支的贡献以及对各影响因素之间内在关系的研究，揭示北极地表能量收支变化的影响机制。

“北极放大”是全球气候变化的典型现象，但导致北极地区快速升温的驱动机制目前仍不明确，不同研究之间仍然存在较大分歧。本项目在系统评述驱动北极地区快速升温的诸多潜在关键机制的研究现状与存在问题的基础上，分析了导致现有不同理论之间存在巨大分歧的原因，并指出了北极地区气候变化研究的潜在方向；在驱动北极地区快速升温的复杂机制中，大气下行长波辐射是多项潜在因素的关键表征，本项目在系统评价多种主流大气下行长波辐射产品质量的基础上，综合利用各种产品的优势设计多源数据融合方案，生成了一套长时序、高质量且时空完整的北极地区大气下行长波辐射数据集；以所生成大气下行长波融合数据集为基础，结合北极地区逐日海冰密集度、覆盖范围、大气总云量、地表温度、大气可降水含量等数据产品研究发现，北极冬春季大气云量、水汽的异常增加所引起的大气温室效应（大气下行长波）增强是导致边界层大气快速升温的关键，该过程通过抑制冬季海冰的冻结过程和加速春季海冰的初融过程，使得海冰融化季提前，进而触发海冰反照率的辐射反馈过程；项目进一步从大气环流的角度分析了北极极涡减弱与北半球热带扩张的潜在关联机制，发现两者存在非常显著的低频协变特征，且可能共同受控于北半球温带海温的低频震荡，AMO与PDO两涛动指数可以解释61%的热带边界变化和56%的北极极涡变化。综上，虽然北极独特的地理、大气环境形成的各种辐射反馈机制（如海冰反照率辐射反馈、温度梯度正反馈和普朗克反馈等）对北极放大的贡献十分重要，北半球大气环流异常引起的极向物质与潜热能量传输增加可能是北极地区近年来快速升温过程更为关键的外部强迫。