北极海冰的锐减对北半球寒冬及积雪异常的影响

New researches suggest that increase of winter snow cover in continents of Northern Hemisphere is closely related to sharp reduction of Arctic sea ice, which is often called "Warm Ocean and Cold Continent". Under the background of global warming, the Arctic sea ice sharply shrink, however, snow storms and severe winters were frequently observed in recent years somewhere over Northern Hemisphere. This phenomenon show great inconsistence with the theory of global warming and attracts much attention from scientists. Until now, great difference of opinion still exist in explaining how the sharp reduction of Arctic sea ice results in increase of snow winter and frequent occurence of severe winters over Northern Hemisphere. New results of CMIP5 (Coupled Model Intercomparision Project Phase 5) models indicate that global warming will accelerate the melting of Arctic sea ice in the next several decades, and summer-autumn Arctic sea ice will almost disappear in 2030s.So, it is very urgent for us to know how sharp reduction of Arctic sea ice affect the occurence of severe winters and snow cover in Northern Hemisphere.Understanding of these processes will be very useful for seasonal prediction and prejections of future climate using the Arctic sea ice change.In this project, at first we will try to investigate the relationship among winter surface temperature, winter snow, atmospheric circulation and Arctic sea ice extent based on observed and reanalysis data;and then multi-initial numerical simulations with atmospheric circulation model (CAM3) will be used to verify the above results and explore the physical mechanism that sharp reduction of Arctic sea ice affect on severe winters and snow cover in Northern Hemisphere.

近年研究发现北半球冬季积雪增加与北极海冰的锐减有关，有科学家将此称为"暖大洋冷大陆"现象。全球变暖仍在继续，北极海冰还将继续减少，而北半球冬季频繁出现暴风雪和寒冬这不得不引起人们的注意。对于北极海冰的减少如何引起北半球寒冬和暴风雪，现有研究仍存在很大的分歧。最新CMIP5模式结果表明未来北极海冰还将加速减少，到2030s北极9月海冰将几乎消失，因此海冰锐减将如何影响冬季气候是一个迫切需要解决的问题。本项目拟结合观测资料、再分析资料和数值模拟对此问题开展研究，诊断分析温度、积雪、海冰和环流的变化规律以及探寻它们之间的关系；通过多初值数值模拟集合试验验证分析结果，进一步探索北极海冰锐减影响北半球寒冬和积雪的物理过程和机制。完成本项目将加深对全球变暖及其影响的认识，为利用北极海冰做季节或更长时间的气候预测提供科学依据。因此，本研究不仅具有科学意义而且也具有实际应用意义。

近30年以来，北极地区的气候发生了显著的变化，海冰快速消融减少，温度升温加快，其速率是全球平均温度变化的2-3倍。近些年来，北半球冬季大陆上频发寒冬给人们的生活和生产造成了很大的影响。已有研究指出，北半球中纬冬季寒冬与北极海冰的减少有关，然而已有研究对海冰减少如何影响中纬度气候的过程仍然不确定。此外，北极气候的变化对全球气候变化又什么样的影响，这也是当前国际上最为关注的科学问题。本研究通过诊断分析观测的海冰和温度以及它们之间的关系，发现北极海冰的变化存在明显的季节性特征，即10-12月份的海冰变化密切相关，而1-2月份的海冰变化密切相关，我们将前者称之为早冬而后者称之为晚冬，早冬与晚冬海冰间关系不显著。通过回归分析，发现早冬与晚冬的海冰对冬季的温度的影响不同，作用过程也不同。另外，本研究通过设置三个敏感性试验，开展集合模拟研究北极地区海冰减少对中纬度气候的影响，模拟结果显示北极地区海冰面积和融冰区域的海温升高共同作用产生了欧洲和欧亚大陆中部地区的变冷；融冰区域的海温能单独导致上面两个区域的冬季变冷，而海冰面积的变化仅仅能产生欧亚大陆中部的变冷，其贡献与海温升高作用相当。此外，现有器测观测数据在北极地区存在大量的缺测或者覆盖时间较短，特别是缺乏对2000年后北极地区的快速变暖描述，而与此同时，国际上仍然在争论全球变暖的停滞问题。我们利用最新的全球温度资料以及有限的北极观测资料，通过DINEOF方法重建了近百年以来的北极温度资料，该资料显示已有的插值方法低估了北极地区的变暖强度。考虑到新的北极温度资料，全球平均温度并不存在变暖停滞问题，甚至回溯到20世纪初以来，全球平均温度的升温速率在不断增加即全球变暖在不断增强而不是停滞。综上，本项目研究明确海冰的季节变化特征以及对温度变化的影响；通过模式集合试验丰富了对极地对中纬度气候影响的认识；通过北极地区温度的重建，理清了当前争论的全球变暖停滞等科学问题。