Ice Melt, Sea Level Rise and Superstorms: Evidence from Paleoclimate Data, Climate Modeling, and Modern Observations that 2°C Global Warming is Dangerous
我们使用数值气候模拟，古气候数据和现代观测来研究南极洲和格陵兰岛的冰融化的影响。融水趋于稳定海柱，诱导放大反馈，增加地下海洋变暖和冰架融化。寒冷的融水和引发的动力学效应导致南大洋和北大西洋的海洋表面冷却，从而增加了地球的能量不平衡和进入全球大部分海洋表面的热通量。南大洋表面变冷，而低纬度地区变暖，增加了南大洋的降水，增加了海洋层化，减缓了深水形成，增加了冰盖质量损失。这些反馈使与海洋接触的冰盖容易加速解体。我们假设，冰质量损失从最脆弱的冰，足以提高海平面数米，是更好地近似为指数比一个更线性的响应。10年、20年或40年翻一番，海平面将在大约50年、100年或200年内上升数米。最近的冰融化加倍时间接近10-40年范围的低端，但记录太短，无法确认反应的性质。包括次表层海洋变暖在内的反馈有助于解释古气候数据，并指出南大洋在控制大气二氧化碳方面的主导作用，这反过来又严格控制了全球温度和海平面。深海通风的千年（500-2000年）时间尺度影响了自然CO2变化的时间尺度，从而影响了古全球气候、冰盖和海平面变化的时间尺度，但这一古千年时间尺度不应被误解为冰盖对快速大人为气候强迫的响应时间尺度。
2016-02-03 physics.ao-ph
Rapid loss of Arctic sea ice
在经常使用的气候模式中，仍然忽视了若干环境临界点和自我强化反馈回路。因此，现有的气候模式在预测实际环境临界点触发后的状况方面并不具有很大的代表性。在本文中，我们讨论了北极海冰损失临界点的存在及其对全球变暖的影响。我们的文献检索和基于PIOMAS海量观测数据的预测表明，在不久的将来，海冰的损失（这将导致一年左右的永久无冰北极）显着加速。
2022-08-06 physics.ao-ph
The Arctic surface climate in CMIP6: status and developments since CMIP5
在这里，我们评估的海冰，表面气温，海平面气压从31个模型中使用的耦合模式相互比较项目第6阶段（CMIP 6）的偏差，趋势和变化，并比较它们的CMIP 5合奏和ERA5再分析期间1979年至2004年。本评估的主要目的是提供CMIP 6集合代表北极气候的能力的概述，并了解自CMIP最后一个阶段以来这一能力的变化。总体而言，我们发现一个显着的改善，在代表性的海冰量，但也在海冰的范围，主要是在巴伦支海的季节性周期的改善。然而，许多模型偏差一直持续到CMIP6，包括冬季太冷的条件（4 K冷偏差）和冬季冰的日常变化的负趋势。我们发现，在低排放情景下，SSP 126，预计到2060年，北极气候将稳定下来，海冰范围约为250万平方公里，温度比20世纪初的平均温度高4.7 K，而全球变暖1.7 K。
2019-12-25 physics.ao-ph
Diffusive Heat Transport in Budyko's Energy Balance Climate Model with a Dynamic Ice Line
M. Budyko和W.塞勒斯在1969年独立地引入了开创性的能量平衡气候模型，每个模型的目标都是研究正冰反馈在气候动力学中所扮演的角色。在本文中，我们取代松弛的平均水平热传输机制中使用的Budyko和Sellers模型与扩散热传输。我们将得到的表面温度方程与最近由E. Widiasih.我们应用谱方法的温度-冰线系统，并考虑有限的近似。我们证明了存在一个稳定的平衡解与一个小的冰帽，和一个不稳定的平衡解与一个大的冰帽，参数值的范围。然而，如果扩散输送过于有效，小冰盖就会消失，无冰的地球就会变成一个极限状态。此外，我们分析了一个变种的耦合扩散方程适当的广泛的冰川发作在新元古代的模型。虽然模型方程不再是光滑的，由于切换边界的存在，我们证明了存在一个唯一的稳定的平衡解与热带地区的冰线，气候事件被称为Jormungand或水带状态。由于这里介绍的系统包含不同时间尺度的变量，在分析中使用的主要工具是几何奇异扰动理论。
2016-07-26 math.DS physics.ao-ph
Eurasian cooling in response to Arctic sea-ice loss is not proved by maximum covariance analysis
北极海冰的持续减少对中纬度气候的影响程度受到了极大的关注和两极分化的观点。基本的问题是北极海冰的年际变化是中纬度大气环流变化的原因还是响应。Mori等人（M19）最近的一篇论文声称已经调和了以前相互矛盾的研究，表明在作为观测的ERA中期再分析和大气模式（AMIP）集合气候模式模拟中，都可以识别出中纬度气候对年际海冰异常的一致响应。我们在这里证明，由于对最大协方差分析的解释存在问题，无法得出这样的结论。在将M19方法应用于一个简单的统计模型的输出后，我们得出结论，海冰变率的主要大气强迫，而不是相反，是M19中给出的结果的最合理的解释。
2019-11-25 physics.ao-ph
Arctic melt ponds and bifurcations in the climate system
了解海冰如何融化对气候预测至关重要。在北极，春末和夏季在海冰表面形成的融化池在很大程度上决定了它们的冰温--气候模拟中的一个关键参数。在这里，我们探讨了一个概念性的海冰气候模型通过一个分叉点的可能性-一个不可逆的临界阈值系统变暖，通过将几何信息融化池的演变。本研究基于冰-水反馈作为驱动系统分岔点的关键机制的能量平衡气候模式的分岔分析。
2014-08-11 nlin.PS physics.ao-ph
Multiscale Decomposition Reveals Predictable Interannual Variability and Climate Trends in Antarctic Sea Ice Loss
The Alan Turing Institute（艾伦·图灵研究所）；Department of Cyrospheric and Atmospheric Sciences, University of Innsbruck（因斯布鲁克大学冰冻圈与大气科学系）；British Antarctic Survey（英国南极调查局）；Autodesk Research（欧特克研究院）
本研究利用基于动态模态分解的多尺度分解方法，从卫星观测中提取南极海冰浓度的时空模式，揭示了2014-2017年海冰骤减和随后恢复是由年际模态相互作用所致，并发现2012年出现的气候变化信号到2022年已主导年际变率；提出的预测模型IceDMD可提前两年预测海冰异常，性能优于现有方法且计算成本极低。
2026-06-02 physics.ao-ph
Cracking the Code of Arctic Sea Ice: Why Models Fail to Predict Its Retreat?
本文指出北极海冰消退速度被低估源于气候模型分辨率不足，无法刻画涡流浮冰相互作用等小尺度过程，并呼吁发展高分辨率模型以改进预测。
2025-11-07 physics.ao-ph
FloeNet: A mass-conserving global sea ice emulator that generalizes across climates
FloeNet基于SIS2模型训练，通过机器学习模拟海冰和雪-海冰生长、融化和输运过程，其守恒特性在不同气候条件下均能准确预测海冰状态及变化，展现出高物理可解释性与高精度耦合变量输出。
2026-03-12 cs.LG physics.ao-ph
The Sensitivity of Sea Ice Brine Fraction to the Freezing Temperature and Orientation
通过理想化实验模拟海冰生长，发现盐水质量分数对冻结温度最敏感，每升高1°C增加2.5%，预示未来暖气候下海冰保留更多盐水并影响高纬度海洋环流。
2023-10-10 physics.ao-ph
Identifying Arctic states vulnerable to rapid ice loss with a convolutional neural network
University of St Andrews（圣安德鲁斯大学）；National Centre for Atmospheric Science, University of St Andrews（国家大气科学中心）
本研究利用卷积神经网络（CNN）分析气候模型集合数据，识别北极易受快速海冰损失影响的区域，发现2007年前后及2015年后风险上升，该方法可用于评估北极海冰变化风险。
2026-10-14 physics.ao-ph
Climate Sensitivity, Sea Level, and Atmospheric CO2
新生代温度、海平面和CO2的共同变化为气候对外部强迫的敏感性和海平面对气候变化的敏感性提供了见解。气候敏感性取决于初始气候状态，但可能可以从精确的古气候数据中准确推断。如果使用相对于末次冰盛期（LGM）的全新世变暖作为校准，更新世气候震荡对4 W/m2 CO2强迫产生3 +/- 1°C的快速反馈气候敏感性，但由于定义不清的LGM全球温度和全新世可能的人类影响，误差（不确定性）很大，部分是主观的。导致先前（Eemian）间冰期的冰期-间冰期气候变化不那么模糊，意味着上述范围的上部敏感，即，对于4 W/m2 CO2强迫，3-4°C。缓慢的反馈，特别是冰盖的大小和大气中的二氧化碳的变化，放大总的地球系统的敏感性的量，取决于所考虑的时间尺度。冰盖响应时间定义不清，但我们表明，在现行的冰盖模型的缓慢响应和滞后被夸大。我们使用一个全球模式，简化为基本过程，调查国家对气候敏感性的依赖，发现增加对温暖的气候的敏感性，低云量减少，增加水蒸气升高对流层顶。我们的结论是，燃烧所有化石燃料将使地球上的大部分地区不适合人类居住，从而使强调适应气候变化的战略受到质疑。
2013-04-02 physics.ao-ph
Challenges for ice age dynamics: a dynamical systems perspective
这一章致力于气候系统的缓慢动态，在一千到一百万年的时间尺度。我们特别关注冰河时代的现象，这是第四纪气候缓慢演变的特征。冰河期是气候系统中不同大尺度组成部分和过程之间相互作用的一种变异形式，包括冰盖、深海和碳循环动态。这种变化也至少部分地受到季节性和纬度入射太阳辐射的变化的控制，这些变化与地球轨道形状变化、分点岁差和赤道变化的综合影响有关。本章审查了一些可能的机制。我们强调，这些缓慢的动态和更快的变化模式，如千年和百年的变化模式之间的相互作用的性质，仍然知之甚少。例如，冰河时代的时间序列是否由天文强迫有力地确定是一个有争议的问题。这些问题需要通过一系列模型来解决。我们建议在低分辨率模式（侧重于气候时间尺度）中使用随机参数化，以解释用高分辨率模式模拟的天气和宏观天气动力学。我们讨论的挑战-包括统计挑战-和可能的方法与此方案。
2015-12-11 physics.ao-ph
Stable equatorial ice belts at high obliquity in a coupled atmosphere-ocean model
利用一个水行星结构的动态大气-海洋-海冰气候模式，实现了在一系列恒星辐照度下，高密度下的各种气候状态。三个稳定的气候状态得到不同的海冰覆盖的程度。对于低辐照度值，该模型模拟了具有常年全球海冰覆盖的Cryoplanet。通过增加恒星辐照度，转变发生在一个常年赤道海冰带的无盖冰冻行星上，最终转变为一个没有冰的水行星。使用模拟器模型，我们发现，无帽Cryoplanet是一个强大的稳定状态的范围内的辐照度和高的CO2和对比早期的结果，高CO2的气候状态与赤道冰带可能是不可持续的或无法实现的。当赤道海洋热通量增强时，由于赤道海冰的融化，允许一个稳定的无盖冰冻行星的参数范围减小。当赤道海洋热通量超过一个临界阈值时，常年赤道冰带消失。因此，一个强大的海洋环流可能会使它不稳定。我们的研究结果表明，常年赤道冰层覆盖是一个可行的气候状态的高湿度系外行星。然而，由于多重平衡，这种状态只能从更多的冰川条件下达到，而不是从较少的冰川条件。
2018-09-16 astro-ph.EP physics.ao-ph
Hopf bifurcation in a conceptual climate model with ice-albedo and precipitation-temperature feedbacks
在本文中，我们分析了一个动力系统的基础上，所谓的KCG（Källén，Crafoord，Ghil）概念气候模式。该模型描述了全球平均温度和冰盖平均范围的演变。在无量纲形式下，模型易于进行几种简化，便于后续分析。我们考虑的极限情况下，固定雪线的相平面可以完全分析，每个驻点的类型可以确定。其中之一可以表现出的Hopf分支的发生，我们找到的充分条件。这些反过来又具有直接的物理意义，并表明该模型预测了气候的内部振荡。使用模型参数的典型值，我们得出的结论是，所获得的结果是在同一个球场上的条件，我们的星球在第四纪冰期。我们的分析是KCG和其他作者的一些以前的结果的推广严格的理由。
2019-02-13 math.DS physics.ao-ph
A Low Order Theory of Arctic Sea Ice Stability
我们分析了低阶耦合海冰和气候模式的稳定性，并提取了作为温室气体强迫函数的响应时间尺度的基本物理。在目前的气候条件下，稳定性由长波辐射驱动的热传导控制。然而，随着温室气体强迫的增加和冰盖的衰减，冰-气反馈的不稳定影响与长波稳定作用是同等重要的。两者都是季节性的相位和系统变暖的季节性冰的状态，这些影响，这是气候状态之间的分歧，结合表现出“放缓”，延长内在的松弛时间尺度从2年到5年。
2011-09-15 physics.ao-ph physics.geo-ph
How optimal control of polar sea-ice depends on its tipping points
本文研究理想化扩散能量平衡模型（EBM）的最优控制策略，发现在气候强迫下逆转海冰损失可行，但越过临界点后成本激增，热惯性可提供短暂线性干预窗口，且恢复海冰的控制局部于极地区域。
2024-07-24 physics.ao-ph
Eurasian Cooling Patterns in the CMIP5 Climate Models
与过去几十年的全球平均水平相比，北极已经大幅变暖。在同一时期，在冬季观察到欧亚大陆中部近地面气温有强烈的冷却趋势，这种现象被称为欧亚大陆冷却。许多研究表明，海冰的减少，特别是在巴伦支海和喀拉海，与欧亚大陆上空的冷却有关，尽管这种联系及其可能的机制仍然是一个激烈辩论的来源。观测和再分析表明，北极海冰和欧亚冬季温度之间存在明显的协变模式。然而，关于这一遥相关模式在当前一代气候模式中的再现能力有多强，还有一个悬而未决的问题。这项研究已经研究了欧亚大陆的冷却在20个模型从耦合模式相互比较项目第5阶段（CMIP 5），无论是在温度趋势和使用奇异值分解，以确定模式的北极海冰浓度和近地面温度欧亚大陆之间的协变。将这些与ERA中期再分析中发现的协变趋势和模式进行比较。虽然大多数CMIP5模型具有与再分析中发现的相似的稳健的协变模式，但许多模型未能再现已观察到的冬季冷却。对模型中北极海冰范围的研究表明，一种可能的解释是，模型无法准确模拟巴伦支海和喀拉海等关键地点的冬季海冰变化。
2019-11-19 physics.ao-ph
Nonsmooth Invariant Manifolds in a Conceptual Climate Model
人们普遍认为，在地球的过去，冰盖在海平面的热带纬度流入海洋。这些极端冰河时期是否是雪球地球事件，整个表面都被冰覆盖，或者赤道附近的海水是否仍然没有冰，仍然存在争议。对于后一种情况的发生，正的冰反作用反馈的影响必须被阻尼，以稳定远离赤道的前进冰盖。在本文中，我们分析了一个概念模型，包括一个纬向平均表面温度方程耦合到动态冰线方程。这个差分方程模型通过一个适当选择的多项式函数与这些大冰期的寒冷世界相一致。使用谱方法，分析导致一个非光滑的奇异扰动问题。Hadamard图变换方法被应用于证明持久性的不变流形，从而提供洞察模型的行为。一个稳定的气候状态与冰线休息在热带纬度，但与开放的水域赤道，被证明存在。还提出了局部光滑和非光滑分岔的参数有关的大气CO $_2$浓度和对流热传输的效率，分别是不同的。
2017-05-08 math.DS physics.ao-ph
Fluctuations in Arctic Sea Ice Extent: Comparing Observations and Climate Models
在卫星时代观测到的海冰范围的波动统计进行了比较，从CMIP 5模式使用多重分形时间序列方法的模型输出。观测的两个强大的功能是，在一年到两年的时间尺度上，冰的范围呈现白噪声结构，并有一个十年尺度的趋势与冰盖的衰减。结果表明：（i）从模式中提取的时间尺度存在很大的模式间变异性;（ii）没有一个模式表现出卫星观测中发现的年代际时间尺度;（iii）在所考察的21个模式中，有{5}个模式表现出观测到的白噪声结构;（iv）多模式集合平均既没有表现出观测到的白噪声结构，也没有表现出观测到的年代际趋势。它建议，通过这种方法产生的观察到的波动统计作为一个适当的测试床建模研究。
2018-06-23 physics.ao-ph physics.geo-ph
Should we geoengineer larger ice caps?
地球的气候很容易受到可能威胁人类文明寿命的灾难的影响。有人建议通过地球工程来减少太阳辐射，以缓解当代气候变化的变暖效应，但数千年来的地球工程计划也可以用来扩大极地冰盖的面积，创造一个永久性的凉爽气候。这样一个巨大的冰盖状态将使地球不那么容易受到气候威胁的影响，并使人类文明能够比其他可能的方式更远地生存下去。有意地扩大地球的冰川覆盖范围将需要对这一计划的千年不间断的承诺，但最终将达到一个更冷的平衡态，不再需要地球工程。无论是否尝试过这一计划，这一概念都说明了需要确定潜在气候状态之间的偏好，以确保文明的长期成功。
2015-07-20 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.soc-ph
IceCloudNet: Cirrus and mixed-phase cloud prediction from SEVIRI input learned from sparse supervision
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；European Space Agency (ESA)（欧洲空间局）；Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto di Scienze Marine (CNR-ISMAR)（意大利国家研究委员会-海洋科学研究所）
针对含冰云在气候预测中不确定性大的问题，研究提出IceCloudNet，用三年SEVIRI和DARDAR数据训练卷积神经网络，构建兼具高时空覆盖与反演质量的冰微物理特性观测约束，助力冰云研究与气候不确定性降低。
2023-10-05 cs.CV physics.ao-ph
Paleoclimate Implications for Human-Made Climate Change
古气候数据帮助我们评估气候敏感性和潜在的人为气候影响。我们的结论是，在过去百万年中最温暖的间冰期，地球比全新世温暖不到1°C。这些间冰期和上新世的极地温暖并不意味着在今天的气候和危险的变暖之间仍然存在大量的缓冲，而是地球准备经历强烈的放大极地反馈，以应对适度的全球变暖。因此，将人为变暖限制在2°C的目标是不够的-它们是灾难的处方。冰盖解体是非线性的，由放大的反馈刺激。我们认为，冰盖的质量损失，如果变暖继续有增无减，将更好的特点是质量损失率的两倍的时间比线性趋势。卫星重力数据虽然过于短暂，无法得出结论，但与10年或更短时间的翻倍时间一致，这意味着本世纪海平面可能会上升数米。观测到的加速冰盖质量损失支持了我们的结论，即地球温度现在超过了全新世的平均值。人类需要迅速减少化石燃料的排放，才能成功地保护一个与文明发展所在的星球相似的星球。
2011-07-20 physics.ao-ph
Centennial-scale variability of the Atlantic Meridional Circulation in CMIP6 models shaped by Arctic-North Atlantic interactions and sea ice biases
该研究首次系统比较 CMIP6 工业化前控制模拟中的百年尺度 AMOC 变率，发现北极—北大西洋淡水交换及拉布拉多海海洋—海冰反馈是关键机制，海冰偏差可作为观测约束。
2024-06-14 physics.ao-ph
A model for Dansgaard-Oeschger events and millennial-scale abrupt climate change without external forcing
我们提出了一个概念模型，产生类似于Dansgaard-Oeschger事件的突然气候变化。在该模式中，这些突然的气候变化不是由外部扰动触发的，而是通过海洋、大气和间歇过程的复杂相互作用在动态自洽模式中出现的。模式中的气候变化是由海冰覆盖层的变化引起的。海洋用Stommel双盒子模式表示，大气用Lorenz-84模式表示，海冰覆盖用相关加性和乘性噪声（CAM）过程的确定性近似表示。该模型的关键动力学成分是由确定性多尺度系统的随机极限和确定性均质化理论的最新结果给出的。确定性模型再现了实际冰芯数据的统计特征，如非高斯$α$ -稳定行为。千年尺度气候变化的机制仅仅依赖于一个量的存在，它在中间时间尺度上表现出间歇性的动态。我们认为，作为一个特殊的机制间歇性海冰覆盖的不稳定性所产生的紧急大气噪声。然而，也可在拟议的框架内拟订淡水流入等其他机制。
2020-09-23 nlin.CD physics.ao-ph
Extremes of summer Arctic sea ice reduction investigated with a rare event algorithm
本文将罕见事件算法用于 PlaSim-LSG 集合模拟，定量估计工业化前气候下北极夏季极端海冰减少的超长重现时间，并揭示冬季前期条件、暖湿大气与感热通量共同触发海冰—反照率反馈。
2024-04-08 physics.ao-ph
Impact of Changing Greenhouse Gas Concentrations on Ontario's Climate
本研究评估温室气体浓度变化对安大略省气候的影响，通过对比GCM预测与观测数据，量化该省对全球变暖、海平面上升和海洋酸化的贡献，并分析降水、湖水位及极端事件趋势，发现其影响总体有限。
2023-05-09 physics.ao-ph
Fine-Scale Heterogeneity of Snow Cover in the Antarctic Marginal Ice Zone
The University of Melbourne（墨尔本大学）；Swinburne University of Technology（斯威本科技大学）；University of Tasmania（塔斯马尼亚大学）；University of Cape Town（开普敦大学）；British Antarctic Survey（英国南极调查局）；Bureau of Meteorology（气象局）
该研究利用五次南极考察的多源数据，揭示南极边缘冰区积雪精细尺度异质性全年存在且与冰浓度无关，其纳入通量计算会引入系统偏差，建议将亚网格积雪分布用于南极海冰演变模拟及极地气候反馈研究。
2026-08-25 physics.ao-ph
Climate and ocean circulation changes toward a modern snowball Earth
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology（日本海洋地球科学技术局）；Earth-Life Science Institute (ELSI), Institute of Future Science, Institute of Science Tokyo（东京科学大学未来科学研究所生命起源研究所）；Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo（东京大学大气海洋研究所）；University of the Ryukyus（冲绳大学）；Department of Geophysics, Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学理学研究科地球物理学科）；National Institute of Polar Research（国立极地研究所）；The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI（综合研究大学院大学）
研究通过气候模型探讨现代雪球地球形成过程中海洋环流的变化及演变，揭示了海冰增长和盐度分层对环流的影响。
2026-03-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Stochastic Paleoclimatology: Modeling the EPICA Ice Core Climate Records
本研究分析了EPICA冰芯80万年的古气候时间序列，利用多重分形时间加权去趋势波动分析将其建模为一维周期性非自治随机动力系统，并扩展为四变量耦合模型，揭示了甲烷和一氧化二氮的失稳影响及二氧化碳和温度的稳定影响，为冰川过渡的因果关系提供了新见解。
2023-06-18 cond-mat.soft physics.ao-ph
Climate tipping as a noisy bifurcation: a predictive technique
从模拟研究中人们通常知道，气候倾斜的某种模式（例如海洋温盐环流）是由一个基本的褶皱分叉决定的。对于这样的情况下，我们提出了一个分析方案，确定最佳的随机适合现有的数据。这提供了有效控制参数的演化速率、稳定性系数的变化、路径本身及其临界点。通过评估可用时间序列中的实际有效噪声水平，我们能够对倾倒时间进行概率估计。这项新技术首先被应用于大约3400万年前温室地球结束时的计算机模拟输出，当时气候从热带状态转变为冰帽状态。其次，我们使用的算法，以概率小费估计地球最近的冰川使用实际的考古冰芯数据的结束。
2010-11-30 math.DS physics.ao-ph
Global Climate Modeling of the Martian water cycle with improved microphysics and radiatively active water ice clouds
水冰云的辐射效应对火星大气层、热结构和环流有显著的影响。因此，在LMD火星全球气候模型（GCM）中纳入这些影响极大地修改了模拟的火星水循环。本文的目的是解决辐射活跃的云对大气水蒸气和冰的影响，在GCM和提高其代表性。我们提出了一个新的增强模型的水循环，包括详细的云微物理与动态凝结核和更好地实现常年地表水冰。该物理建模基于可调参数。这个新版本的GCM相比，热发射光谱仪观测的水循环。对水汽和云的不透明度都得到了满意的结果。然而，模拟结果表明，在Ls=180°之后，热带地区缺乏水蒸气，这与观测结果相比在模拟中持续存在，这是远日点云辐射效应加强Hadley环流的结果。每年，我们的GCM模拟表明，北极冰帽上的永久性地表水冰在高于80°N的纬度增加，在低纬度减少。根据SPICAM的观测结果，预测了湿层顶以上的过饱和。该模型还首次表明，水冰云单独清除灰尘无法完全解释观测到的灰尘分离层。
2014-07-28 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
An Astronomer's View of Climate Change
本文描述了一些天文学效应，这些效应对于理解冰河时代、历史气候变化和最近的气温上升可能是重要的。这些变化包括太阳光度的变化、地球轨道参数的周期性变化、太阳围绕银河系的轨道、太阳活动的变化以及宇宙射线通量与太阳活动的关系。最后，将太阳活动和全球气温的最新趋势与气候模式的预测进行了比较。
2014-01-17 physics.ao-ph
From trees to rain: Enhancement of cloud glaciation and precipitation by pollen
本研究结合美国地面花粉观测与卫星云观测，证明春季花粉浓度升高会提高云冰分数并增加降水频率，提示花粉季节变化可形成局地气候强迫。
2024-04-05 physics.ao-ph
Predicting ice flow using machine learning
Mila - Quebec AI Institute（Mila-魁北克人工智能研究所）；Université de Montréal（蒙特利尔大学）
虽然机器学习在为语音识别和计算机视觉建模序列和空间数据方面取得了显著的成功，但很少考虑应用于遥感和气候科学问题。在本文中，我们展示了未来视频帧预测的无监督学习技术，以提高多光谱卫星图像中冰流跟踪的准确性。随着未来几年冰冻圈数据量的增加，这是机器学习应对气候变化、洪水风险管理和保护淡水资源等全球挑战的一个有趣而重要的机会。由于全球气温上升、降水模式变化、云层遮挡、黑碳气溶胶沉积、野火或人类化石排放等因素的不确定性，未来冰融化框架预测和跟踪冰动态的光流存在建模困难。我们表明，与气候科学中现有的方法相比，对抗学习方法有助于提高跟踪冰动力学光流的准确性。我们提出了一个数据集，IceNet，以鼓励机器学习研究，并帮助促进在冰冻圈科学和气候变化领域的进一步应用。
2019-10-20 cs.LG physics.ao-ph physics.geo-ph
An Estimate of the Surface Pollution of the Arctic Sea Ice
北极海冰是北半球气候的一个重要能量库。在过去的几十年里，极地冰层的萎缩减少了储存的能量，并引起了对未来气候变化的严重关注。[1-4]本文作者[5，6]的模型计算表明，过去50年中全球变暖的一半与海冰的退缩直接相关，而原因尚不清楚，例如表面污染的作用[7-10]。我们分析了1979年至2018年北部海冰的年度融化和冻结数据[11]，以获得一些见解。从我们的简单模型中可以推导出两个特征：（i）最近的结果[12，13]证实，大约60%的海冰损失源于向北极地区的能量输送。(ii)我们发现的证据表明，其余部分的冰撤退源于增加太阳辐射的表面吸附，显然是由于上升的表面污染的海冰。虽然这一现象以前被认为是由几个作者在定性的方式，我们的分析有助于半定量信息的情况。我们估计，在过去的50年里，光吸收气溶胶在海冰上的相关沉降增加了17 +/-5%。在融化区域额外沉积3 +/-1%的太阳辐射导致冰退缩。回顾冰损失对陆地气候的重要作用，[3，5，9]北极空气污染的降水似乎是全球变暖的一个重要因素。
2019-12-04 physics.ao-ph physics.geo-ph
3D climate modeling of close-in land planets: Circulation patterns, climate moist bistability and habitability
经典的宜居带的内边缘通常由触发失控的温室不稳定性所需的临界通量来定义。然而，这种临界通量的一维概念对于非均匀辐射的行星，或者当水含量有限时（陆地行星）可能不那么相关。在这里，根据我们的三维全球气候模式的结果，我们发现，当赤道Rossby变形半径显着超过行星半径的环流模式可以从超旋转恒星/反恒星环流。使用分析和数值参数，我们还证明了平均地面温度或温度分布预测从一维或三维模拟之间的系统偏差的存在。包括一个完整的水循环模型，我们进一步证明，对于陆地行星比经典的宜居带的内边缘更接近，两个稳定的气候制度可以存在。一种是经典的失控状态，另一种是坍缩状态，其中水被捕获在永久的冷阱中。我们确定这种“潮湿”的双稳态之间的竞争的结果温室效应的水蒸气和它的冷凝。我们还提出了合成光谱显示这两个国家的可观察到的签名。以处于这种状态的两颗原型行星为例，即Gl 581 c和HD 85512 b，我们认为它们的表面可能积累了大量的水冰。如果存在这样厚的冰盖，重力驱动的冰流和地热通量应该发挥作用，在冰盖的边缘和/或底部产生长寿的液态水。因此，不能排除轨道距离小于经典宜居带内缘的行星的宜居性。在这一制度中的凌日行星代表了即将到来的像ECHO和JWST这样的天文台的有希望的目标。
2013-03-28 astro-ph.EP physics.ao-ph
Nonlinearity and Multifractality of Climate Change in the Past 420,000 Years
过去气候变化的证据储存在冰中，表明冰川-间冰期循环的特点是三个主要的时间段，20 kyr，40 kyr和100 kyr。本文研究了南极和格陵兰四个冰芯温度代用记录的标度特性。这些系列在1- 100 kyr的时间尺度上是长程相关的。我们发现，这些序列是非线性的波动率相关性和广泛的多重分形谱表示。我们提出了一个随机模型，捕获的缩放和数据中观察到的非线性特性。
2002-02-08 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.data-an
Ising model for melt ponds on Arctic sea ice
北极海冰融化的最具标志性的特征也许是在晚春期间在其表面形成独特的复杂池塘。融化池的演变及其几何特征决定了气候模拟中的一个关键参数--海冰的融化度。然而，对这种演变的理论理解和几何特征的预测仍然难以捉摸。为了解决极地气候科学中的这一基本问题，本文引入了一个二维随机场伊辛模型。池塘被确定为系统的亚稳态，其中的二进制自旋变量对应于存在的融水或冰的海冰表面。只有一组最小的物理参数，模型预测同意非常密切与所观察到的幂律缩放的池塘尺寸分布和临界长度尺度，熔体池经历了过渡的分形几何。
2017-08-10 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph
Dynamical anomalies in terrestrial proxies of North Atlantic climate variability during the last 2 ka
最近的工作提供了充分的证据表明，非线性方法的时间序列分析可能允许检测周期的异常动态的古气候代理记录，否则隐藏到经典的统计分析。根据这些想法，在这项研究中，我们系统地测试了一组晚全新世陆地古气候记录从北欧间歇期的时间不可逆性的迹象，在此期间的数据是不兼容的一个平稳的线性随机过程。我们的分析表明，中世纪气候异常和小冰期的开始，罗马暖期的结束和晚古小冰期都具有这种动力学异常的特征。这些发现可能表明，在影响北大西洋区域气候的大尺度大气环流模式、海洋-大气相互作用和外部强迫方面，年际气候变率的主导机制发生了质的变化。
2018-09-19 physics.ao-ph physics.data-an
Causal Feedback Discovery using Convergence Cross Mapping on Sea Ice Data
University of Maryland, Baltimore County（马里兰大学巴尔的摩分校）
针对气候系统因果识别难题，本研究用合成数据和41年北极气候数据基准对比CCM与多种因果方法，证明CCM能检测弱及双向因果关系，可作为非线性气候动力学的可靠因果推断工具。
2026-08-23 physics.ao-ph stat.AP
Earth's Energy Imbalance and Implications
对海洋热含量观测的改进表明，即使在最近的太阳活动极小期，地球从太阳吸收的能量也比以热量形式辐射到太空的能量要多。2005-2010年6年间，推断出的行星能量不平衡为0.59 \pm 0.15 W/m2，证实了人为温室效应在推动全球气候变化方面的主导作用。观测到的地面温度变化和海洋增热共同制约净气候强迫和海洋混合率。我们的结论是，大多数气候模式过于有效地将热量混合到深海中，因此低估了人为气溶胶的负强迫。气溶胶气候强迫今天推断为1.6 \pm 0.3 W/m2，这意味着大量的气溶胶间接气候强迫通过云的变化。继续未能量化这一巨大强迫的具体来源是站不住脚的，因为需要了解气溶胶影响的变化来了解未来的气候变化。我们的结论是，最近海洋热量吸收的放缓是由皮纳图博山气溶胶和深延长太阳极小期的延迟反弹效应造成的。在阿尔戈浮标时代观测到的海平面上升很容易被解释为冰融化和海洋热膨胀，但冰融化的优势使我们预计海平面上升的速度在这十年加速。
2011-09-02 physics.ao-ph
The Reality of Climate Change: Evidence, Impacts and Engineering Solutions
本报告基于NASA、NOAA和NSW政府数据澄清了气候变化的科学现实，证实其主要由碳排放增加驱动，并提出可再生能源、绿色建筑和碳捕获等工程解决方案以缓解其影响。
2024-10-16 physics.ao-ph
Lake Ice Detection from Sentinel-1 SAR with Deep Learning
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Skoltech（斯科尔科沃科技学院）
湖冰作为基本气候变量（ECV）湖泊的一部分，是监测气候变化和全球变暖的重要指标。湖泊冰盖的时空范围，以及关键的物候事件，如冻结和解体的时间，提供了关于当地和全球气候的重要线索。我们提出了一个湖冰监测系统的基础上，自动分析哨兵-1合成孔径雷达（SAR）数据与深度神经网络。在以前使用光学卫星图像进行湖冰监测的研究中，频繁的云层覆盖是一个主要的限制因素，我们克服了这一限制因素，这要归功于微波传感器穿透云层并观察湖泊的能力，而不管天气和照明条件如何。我们将冰检测作为两类（冻结，非冻结）语义分割问题，并使用最先进的深度卷积网络（CNN）解决它。我们报告了两个冬季（2016 - 17和2017 - 18）和瑞士三个高山湖泊的结果。所提出的模型达到平均相交超过联盟（mIoU）得分>90%，即使是最困难的湖泊也>84%。此外，我们进行了交叉验证测试，并表明我们的算法在看不见的湖泊和冬季中具有很好的泛化能力。
2020-05-06 cs.CV eess.IV physics.ao-ph
Understanding Ice Crystal Habit Diversity with Self-Supervised Learning
Columbia University（哥伦比亚大学）；Qualcomm Auto Ltd Sweden Filial（高通美国有限公司瑞典分部）；Linköping University（_linköping大学）；University at Albany（阿尔巴尼大学）
针对冰晶习性多样性导致含冰云建模困难的问题，提出基于自监督学习预训练视觉Transformer以提取稳健的冰晶形态潜在表示，并验证了其在量化冰晶多样性及改善气候系统表征中的有效性。
2025-11-03 cs.CV physics.ao-ph
Transitions across Melancholia States in a Climate Model: Reconciling the Deterministic and Stochastic Points of View
众所周知，在当前的天文学配置中，地球处于可以实现两个渐近状态的状态。我们生活的温暖的州正在与冰雪覆盖的雪球州竞争。双稳性是由于正的冰-电反馈而存在的。在以前的调查中进行的一个中等复杂性的气候模式，我们已经确定了不稳定的气候状态（忧郁状态）分离共存的气候，并研究了它们的动力学和几何特性。忧郁状态是冰覆盖到中纬度地区，并吸引轨迹初始化的盆地边界。在本文中，我们研究如何随机扰动控制入射太阳辐射强度的参数影响气候的稳定性。我们检测到温暖和雪球状态之间的转换，并详细分析了噪声引起的逃逸从相应的盆地的吸引力的属性。我们确定最可能的过渡路径，并找到证据表明，忧郁症国家作为网关，类似于鞍点在能源景观。
2019-03-14 astro-ph.EP cond-mat.stat-mech nlin.CD
Aerosols and tides in the martian tropics during southern hemisphere spring equinox from Mars Climate Sounder data
我们分析了火星气候探测器在热带地区的温度和气溶胶数据，以研究大气潮汐及其与尘埃和水冰分布的关系。研究结果表明，在火星29-35年（MY 29-35）的南半球春分，在同一时间内，MY 29年出现了其他年份所没有的大幅度非迁移热潮。与其他年份相比，夜间温度最受干扰，在35-55公里高度处有强烈的逆温。对不同当地时间数据的分析表明，MY 29上午03：45的温度和水冰云与其他年份上午05：00的温度和水冰云更接近，这表明周日潮汐的相位向当地时间提前。这种相移，以及大幅度的非迁移热潮汐，似乎与早期的尘埃活动。在MY 29中，两次早期沙尘暴发生在热带地区的上升流附近，与哈德利环流有关，使沙尘能够被输送到更高的高度，在那里它具有更大的辐射影响。除了尘埃，水冰云也被发现影响潮汐结构。由于非迁移潮汐的相互作用，水冰云在夜间出现在两个离散的纵向区域。辐射冷却的增加导致云上下沉流的增加，导致绝热变暖的增加和逆温的加强。
2020-11-17 astro-ph.EP physics.ao-ph
Rediscover Climate Change during Global Warming Slowdown via Wasserstein Stability Analysis
本文提出Wasserstein稳定性分析方法，通过检测概率分布函数变化而非均值趋势，重新发现全球变暖减缓期的极端温度偏移和海冰约束减弱现象。
2023-05-28 physics.ao-ph stat.AP
Isotopic profiles imply strong convective influence on water near the tropical tropopause
深对流对热带对流层顶（TTL）中水蒸气的影响是大气科学中一个悬而未决的问题。水汽输送到这一地区对气候预测很重要，因为它推动了当地卷云（冰）的形成，对地球的辐射平衡产生了不成比例的影响。深积云塔携带着大量的冰到达TTL，但它们对水量收支的重要性已经争论了几十年。我们在这里表明，配置文件的同位素成分的水蒸气可以提供一个定量的估计对流贡献TTL润湿。从ACE卫星仪器的同位素测量，结合冰负荷推断从CALIOP卫星测量和简单的质量平衡模型，表明对流是水蒸气的主要来源，在TTL近对流层顶高度。从CALIOP卫星测量中推断出的相对较大的冰负荷只能由重要的水源产生，同位素分布表明这些水源主要是对流冰。升华冰从深对流似乎增加TTL卷云的几个因素，如果卷云生产仅由大规模隆起驱动的预期;敏感性分析意味着，这些结论是强大的物理合理的假设。因此，在未来较暖的条件下，热带深层对流的变化可能提供重要的气候反馈。
2016-12-06 physics.ao-ph
An energy balance model of carbon's effect on climate change
由于气候变化的影响，近年来利用数学模型研究我国气候系统的兴趣日益浓厚。一个著名的模型是Budyko的系统，它代表了两个变量的耦合演化，即冰线和地球平均地面温度。该系统取决于自然参数，如地球反照率和大气中的碳含量A。我们引入了一个三维扩展的这个模型中，我们把A作为第三个耦合变量的系统。我们分析相空间和参数依赖性，寻找Hopf分岔和循环行为的诞生。我们将这些周期解释为极端温度下碳排放调节的敏感性引发的气候振荡。
2015-12-20 physics.ao-ph
Climate of Earth-like planets with high obliquity and eccentric orbits: implications for habitability conditions
我们探索的季节性变化的影响，为类地行星的气候所确定的两个参数的极地和轨道偏心率使用一个通用的环流模型的中间复杂性。在本文的第一部分中，我们研究了辐射和地面温度的时空模式以及大气环流的主要特征的不同的垂直度和离心率值的后果。在第二部分中，我们分析了相关的影响，行星的可居住性接近外缘的宜居带（HZ）。本文的这一部分特别着重于气候的多稳定性，即无冰和有冰气候状态的平行存在。我们的研究结果表明，季节变化影响两种气候状态的存在和过渡。此外，我们的实验表明，具有类似地球的大气层和高季节变化的行星可以在距离主星更大的距离上拥有无冰区域，而不是没有季节变化的行星，这导致了HZ外缘的大幅扩张。探索方位角折射率和表面热容的作用的敏感性实验测试我们的结果的鲁棒性。在圆形轨道上，我们的研究结果与大气环流模型同意以及以前的研究的基础上的一维能量平衡模型，而显着差异被发现在偏心轨道。
2014-10-09 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Robust seasonal cycle of Arctic sea ice area through tipping point in amplitude
北极海冰的变化主要受季节循环的影响，年际间的相关性很小。虽然平均海冰面积在卫星观测期间稳步下降，但随着2007年9月海冰面积创历史新低，动态发生了戏剧性的转变。这种变化在季节周期的幅度上比在年平均冰面积上更为明显。令人惊讶的是，尽管总体上呈下降趋势，但在整个观测记录中，季节周期的形状是恒定的。一个简单的解释，独立于温室效应的增加，季节循环的形状提供。因此，北极冰区剧烈的气候变化表现在周期的振幅上，其次是年平均和夏季冰的延伸。气候变化之所以在幅度上最为显著，与常年冰的迅速减少从而冰变薄有关。分析表明，北极冰层面积的临界点在2007年被跨越。
2012-09-17 nlin.CD physics.ao-ph physics.data-an
Basin stability and limit cycles in a conceptual model for climate tipping cascades
本研究构建了包含五个气候临界元素的概念模型，通过盆地稳定性与分岔分析发现大型冰盖对地球系统恢复力至关重要，并揭示了格陵兰冰盖与AMOC间因负反馈产生的极限环现象。
2020-11-10 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.geo-ph
Influence of external forcings on abrupt millennial-scale climate changes: a statistical modelling study
末次冰期被一系列突然的气候变化所打断，即所谓的Dansgaard-Oeschger（DO）事件。溶解氧事件的频率随时间变化，据推测是由于背景气候条件的变化。在这里，外部强迫对DO事件的影响进行了研究与统计建模。我们假设两种类型的简单随机动力系统模型（双井势型和蒸发器型），强迫北半球夏季日照变化和/或全球冰量变化。模型参数的估计，通过使用极大似然法与NGRIP Ca $^{2+}$记录。随机振荡器模型与至少冰量强迫再现以及记录的样本自相关函数和频率变化的变暖过渡在末次冰期跨MISs 2，3和4。附加的太阳辐射强迫可以改善模式的性能。BIC分数还表明，冰体积强迫是相对更重要的比日照强迫，虽然证据的强度取决于模型的假设。最后，我们模拟了过去四个冰期的平均变暖转变次数，假设该模型可以扩展到末次冰期之后，并将结果与伊比利亚边缘海表面温度（SST）记录进行比较（Martrat等人，Science，第317卷，第502页，2007）。模拟结果支持了以往的观测结果，即倒数第二次冰期（MIS 6）的千年尺度气候变化比末次冰期（MIS 2-4）的气候变化要少。另一方面，它表明，在较老的冰期（MISs 6，8和10）突然的千年尺度气候变化的数量可能大于从SST记录推断。
2016-07-25 physics.ao-ph physics.geo-ph
