北极气候

北極氣候的特點是冬季寒冷漫長，夏季短暫而涼爽。北極不同地區的氣候變化多樣，但冬夏二季都會經歷極端的日照變化。部分地區終年被冰雪覆蓋（海冰、冰川或積雪），此外絕大部分地區每年中的大部分時間地表都有冰雪。北極各地區一月份的平均氣溫在-40℃至0℃之間，冬季大部分地區的最低氣溫可低至-50℃以下。七月份的平均氣溫在-10℃至10℃之間，某些地區夏季最高溫度可達30℃以上。
北極地區中部是北冰洋，四周環繞著歐、亞、美洲大陸。因此，北極地區的氣候因海洋水體而變得較為溫和。北極地區的海水溫度基本維持在-2℃以上。正因為有這樣相對溫暖的海水，在冬季，儘管水面上漂浮著巨大的冰蓋，北極仍舊不是北半球最寒冷的地區，而且明顯比南極更「溫暖」。而在夏季，冰涼的海水也使北冰洋沿岸地區的氣溫較低。

北極氣候觀測歷史

北極地區人口稀少，文明進展緩慢，本地居民並沒有觀測與記錄氣候數據的條件。歐洲文明對北極地區的探索直到十九世紀才取得足夠進展，但即便是僅僅在俄羅斯境內的泰梅爾半島附近的北地群島，也直到公元1913年才被發現，二十世紀三十年代後才被記錄到地圖中。因此，北極地區氣候觀測的歷史遠遠短於中低緯度的地區。

歐洲的早期北極探險

歐洲各國的北極探險始於十六世紀後。馬可·波羅的遊記和新大陸的發現使歐洲各國燃起了對神秘而遍地財富的東方的巨大憧憬。然而，南方的海上航線被西班牙和葡萄牙牢牢掌握，來往航行的船隻都要被征以重稅。為此，英國與荷蘭都希望能夠開通一條經過西伯利亞海岸到達遠東的航線（東北航線）。1553年，英國派出三艘船前往探索東北通道，但只有一艘船到達莫斯科，受到沙皇的盛情款待。之後的30年裡，經過另兩次失敗的嘗試後，英國放棄了打通東北航線的希望。與此同時，英國商人馬丁·弗洛貝舍開始了西北航線的嘗試，並在格陵蘭發現了所謂的金礦（後來證明是黃鐵礦）。數年之後，英國航海家約翰·戴維斯繼續嘗試與格陵蘭的因紐特人接觸，併到達了北緯72°的地方。十七世紀時，捕鯨業的興起使英國重新掀起探索西北通道的熱潮。其中亨利·哈得遜發現了以其命名的哈得遜灣。
十七世紀也是俄羅斯快速擴張的時代。俄羅斯人在和北極居民的毛皮交易中大肆獲利。1648年，哥薩克首領德茲涅夫進入北冰洋沿岸收集黑貂皮、熊皮等珍貴毛皮，繞過亞洲的東北角，穿過白令海峽，直下太平洋，第一次證明了歐亞大陸和美洲大陸是由一個海峽分開的，但他的發現沒能回到莫斯科。1725年，彼得大帝任命丹麥人維他斯·白令為俄國考察隊長，去「確定亞洲和美洲大陸是否連在一起」。在完成任務的過程中，白令跨越了白令海峽，達到了北美洲的西海岸，發現了阿留申群島和阿拉斯加。
早期的北極探險主要擴張了歐洲人對北極的地理認知，但對於北極的氣候沒有過多的記錄。某些記錄中對海冰、溫度、天氣的描述的確對氣候學的研究有所幫助，但系統的科學觀測並沒有建立。十九世紀以後，有關的氣象學、海洋學與地質學記錄逐漸增多，但仍舊是非系統的。十九世紀五十年代後，各國都開始了對北極地區的定期氣象學觀測，其中以英國海軍的觀測記錄最為詳盡。從十九世紀下半葉開始，北極地區的氣候特徵逐漸展現在人類面前。

歐洲的早期觀測

歐洲人首次大規模的對北極進行氣象觀測，是1882-1883年的國際極地年（International Polar Year, IPY）活動。11個國家提供支持，在北極地區建立了12個科學考察觀測站。儘管這對於全面分析北極地區的氣候特徵來說，無論在數量上還是在持續觀測時間上都不足夠，但極地年中的觀測成果使人們對北極的天氣有了一個科學的認知。
1884年，人們在格陵蘭島的海岸發現了3年前廢棄在俄羅斯東側北冰洋岸邊的「傑內特號」。挪威探險家弗里喬夫·南森據此推斷，海冰是從西伯利亞側的北冰洋向大西洋側移動的，也就是北極洋流向西流動的假設。根據這個假設，他提出以漂流的方式向北極點進發的方法，將探險船固定在浮冰上，然後隨水流漂流。1893年，他率領「弗瑞姆」號開始了為期3年的航程，期間最遠到達了北緯85°55′的地方。在這次探險中，南森採集了大量的氣象學觀測數據。這次探險對北冰洋的海冰環流情況提供了珍貴的資料。
對北極地區的首次系統的氣象學觀測出現在二十世紀三十年代。科學家對格陵蘭島冰層進行了系統的探測。這些探測提供了北極地區最為極端的氣象資料，並且首次顯示出格陵蘭島冰層下的基岩呈凹陷形狀（現今研究表明是由於冰層的重量導致地層的凹陷）。
第一次國際極地年的五十周年之際，在1932-1933年，第二次國際極地年活動開展。第二次國際極地年比第一次規模更加龐大，建立了94個氣象觀測站。然而不久後第二次世界大戰爆發，大量觀測結果無法發表或被迫延遲發表。二戰前的另一次重要的北極氣象觀測活動是蘇聯在1937年建立的首個北極漂浮觀測站。這個觀測站與後來建造的三十餘個漂浮觀測站一樣，都是建立在極厚的大浮冰塊上，經歷一年的漂流。而觀測人員則收集觀測站傳來的沿途各種氣象學與海洋學方面的數據。

冷戰期間的北極觀測

二戰過後，美蘇冷戰開始。處在美洲大陸和俄羅斯大陸之間的北極地區也成為了冷戰的前線之一。冷戰雙方對北極地區的戰略爭奪也促進了科學界對北極地區的科學探測，加深了人們對北極氣候的了解。1947年至1957年間，美國和加拿大在北極地區沿岸建立了一系列觀測站，稱為「遠距離預警線」（Distant Early Warning Line, DEWLINE），以偵測蘇聯核飛彈攻擊。
蘇聯也將北極地區作為戰略重點，陸續建造了30個北極漂浮觀測站。這些觀測站從1950年持續運作到1991年，期間採集的數據對了解北極盆地的氣候極有價值。右圖展示了二十世紀七十年代中期雙方的北極科研設施以及1958年至1975年間各個漂浮觀測站的運動軌跡。
冷戰期間雙方都派遣潛艇對北極地區進行探查。1958年，美國的核動力潛艇「Nautilus號」首次到達北極極點。此後，北約的潛艇都定期在北冰洋海底游曳，使用聲納對海底和冰層進行探查，記錄了大量的冰層厚度、廣度、形狀方面的數據。冷戰結束後，這些數據向外界開放。從這些數據中，人們發現北極冰蓋的厚度在逐年減小。此外，蘇聯的破冰船「Arktika號」也曾經在1977年駛到北極點。這是歷史上首次有船隻從北冰洋表面到達北極點。
冷戰期間，民間對北極的科學考察也越來越頻繁。其中有部分活動也得到了軍方的資助。1966年，格陵蘭的世紀營（Camp Century）進行了首次冰岩岩心鑽探。取得的冰岩心向人們揭示上一個冰河時期的某些氣候信息。二十世紀九十年代，科學家們在靠近格陵蘭冰層中心的地方又進行了兩次更深的冰岩鑽探，取得了更加豐富的信息。1979年啟動的北極海洋浮標計劃（Arctic Ocean Buoy Program，1991年後改稱為國際北極浮標計劃，International Arctic Buoy Program）使用20至30個海洋浮標，不間斷地採集北極的氣象數據和記錄浮冰情況。

衛星時代的北極觀測

1991年，蘇聯解體，之後的一段時期中，原蘇聯方面對北極的定期觀測受到很大影響。俄羅斯政府結束了北極漂浮觀測站的計劃，關閉了俄羅斯境內大量的地表觀測站。與此同時，由於蘇聯威脅不再，遠距離警戒線計劃也不再需要，美國和加拿大政府因而縮減了在北極觀測上的花費。結果，近代以來最詳盡的地表北極觀測資料是1960年至1990年間的一段。
進入衛星時代後，大量的衛星裝載的遙感系統在空間軌道上運行，取代了不少地表觀測站的功能，不但彌補了冷戰結束後地表觀測站減少造成的觀測缺失，還覆蓋了許多以往的地表觀測站無法觸及的區域。對北極定期的衛星觀測形成於二十世紀七十年代，無論在數量還是在質量上都有著快速的發展。衛星觀測的主要成果是完整地記錄下了自八十年代起北極海冰的覆蓋情況。NASA和NSIDC的觀測結果都顯示，北極冰蓋的面積在不斷縮小，並且揭示出這個現象和全球暖化之間的聯繫。這些結果也促使人們對北極施以更多的關注。現今的衛星技術可以不但可以記錄北極的雲層、積雪和海冰情況，還能夠記錄下海洋或冰層表面氣溫、濕度、風力和臭氧濃度。
民間的北極地表科考也在繼續。2007到2009年中，隨著第三次國際極地年活動開展，環北極國家對北極地區的科考投入也在增加。在兩年的活動中，來自超過60個國家的數以千計的科學工作者協作展開了兩百多個科考計劃，包括物理學、生物學以及社會科學等多個層面。
計算機科學的發展也為現代的北極科學研究起到很大的幫助。隨著研究深入，科學家需要引入更多更複雜的變量來進行模擬，用更接近真實的模型取得更優的結果。儘管許多計算機模擬的模型仍舊不完美，但也能夠代替無法進行的實際試驗，揭示一些氣象上的問題。在預測未來的氣候變化，或者研究人類的某些活動可能對北極環境帶來的影響時，也需要使用計算機模型。還有的計劃（ECMWF）是使用計算機模型，依據過去50年來的觀測數據來對以往沒有觀測到的北極地區的氣候狀況進行估計，近似還原出過往無法觀測地區的氣候數據。

太陽輻射

太陽的熱量經過一億五千萬公里的距離，以輻射的形式進入地球的大氣層，對地球表面和大氣層的熱量分布造成了重大影響。太陽的輻射包括肉眼可見的光線以及紫外線、α粒子流等各種無法見到的射線。它們進入地球大氣層後，一部分以能量的形式留在大氣層中，其餘的穿過大氣接觸到地表，其中一部分被地表吸收，另一部分被地表反射，再次進入大氣層。地球的各個地區受太陽輻射的影響都不一樣，其中緯度是一個關鍵的因素。維度越高的地區，平均受到太陽輻射的量就越少。直接的後果就是，高緯度地區的氣溫整體來說要比低緯度地區更低。
緯度對各個地區接受的太陽輻射之影響還表現在日照時間的長短上。由於地球自轉軸和黃道面之間有一定傾角，每年各個時段地球各個維度的地區每天受到太陽照射的時間長度會有變化。這個變化產生了季節的差別，也對各地的溫度造成影響。這種影響隨著維度增加而逐漸變大。在緯度足夠高的地區，每年會有一定時間因為地球自轉傾角，無法受太陽照射，而另一段時間中會連續接受太陽照射，產生被稱為極晝和極夜的現象。而北極地區就是這樣的地區之一。
北極地區緯度都在60度以上，能夠接收到的太陽輻射少於中低緯度地區。大部分熱量來源於地表接收到的太陽輻射。所以雲層遮擋陽光會造成顯著的溫度變化。而地表的情況也是決定吸收輻射多少的關鍵因素。白色的積雪或浮冰會大量反射太陽輻射，提升返照率，使地表吸收的熱量少於深色的土壤地表。