北极海气界面过程数值模拟的敏感性试验研究

采用Colorado州立大学ARCSCM（Arctic Single-Column Model）极地柱模式,对北极表面能量平衡和低层大气结构进行模拟试验,并将模拟结果与SHEBA资料进行对比分析。对模式中的云物理过程参数化以及辐射参数化方案进行了敏感性分析,研究不同的参数化方案对北极地区海气界面过程数值模拟的影响。研究结果表明,ARCSCM模式能够模拟北极表面辐射与能量平衡的物理过程,而对于不同的参数化方案其模拟的结果有很大的差异。     

南极冰盖地表能量平衡的研究进展

南极冰盖地表能量平衡研究,是耦合冰冻圈、大气圈和水圈过程的基础之一,对了解冰盖表面物质平衡过程、提升极地天气气候预报水平有着极其重要的意义。随着近年来极地观测水平的提升,南极冰盖地表能量平衡研究取得了长足的进步,特别是在辐射参数化和有效热传导系数模拟等方面。但在南极广袤的地域和多样的天气条件下,已有的研究大都适用于局地环境,限制了我们的模拟和预测能力。因此,适用于极地特殊环境的传感器的研发、关键气候区的科学试验的开展和基础的气象站网建设,能加深我们对冰/雪-气相互作用过程的理解,进而改进已有的参数化方案,应用于多圈层模式的耦合。     

2010年夏季北极海冰反照率的观测研究

雪和海冰作为北极地区反照率最高的地表类型,可以将大部分入射辐射能量反射回天空,其表面反照率的变化对整个地表-大气辐射平衡系统和全球气候变化都会有重要影响。在2010年中国第4次北极科学考察期间用ASD光谱仪对北极太平洋扇区不同类型的海冰表面反照率进行了现场测量,观测时段为7月27日至8月23日,地理范围在72°18′-87°20′N和152°34′-178°22′W之间。观测结果表明积雪覆盖海冰的反照率最高,干雪覆盖时均值达到0.82,融化的湿雪覆盖时反照率会有一定程度地降低。夏季北极地区存在大量融池,融池海冰按颜色划分为白冰,蓝冰和灰冰,白冰的平均反照率为0.54,蓝冰的为0.31,灰冰的只有0.20,融池水的反照率只有0.16。融池是北极夏季反照率变化的重要原因。     

星载激光测高及其在极地的应用研究分析

提要采用卫星测高技术研究两极冰面高程变化和物质平衡状态是目前国际研究的一个热点。本文首先叙述了IcEsat卫星任务,包括系统构成、基本原理和数据产品等,然后结合极地研究的主题和具体任务,分析了星载激光测高技术用于监测两极冰雪变化的优越性和应用前景,为今后利用多种卫星遥感遥测技术研究极地冰雪变化打下基础。     

极地冰雪探测冰雷达技术发展回顾与展望

冰雷达是用于极地冰雪探测的主要技术手段,为研究极地冰雪的几何特征、内部结构、冰下地形地貌和冰底环境提供了重要的基础观测数据。20世纪50年代,人类首次发现特定频段的电磁波可以“穿透”南极冰盖,进而在60年代研制出用于极地冰盖冰下探测的冰雷达系统。之后60多年里,随着计算机、电子信息和卫星定位导航等技术的发展,冰雷达技术研究取得快速发展,形成了适用于极地冰盖、海冰及其上覆积雪不同探测需求的多样化冰雷达系统。本文在简要回顾了早期冰雷达技术发展的基础上,着重从极地冰盖深部探测、极地冰盖和海冰浅表层探测以及新型极地冰雪探测冰雷达技术3个方面,回顾总结了近10年来国内外主要进展。未来,为适应极地冰盖、海冰及其上覆积雪观测研究的多种需求,需要进一步提升冰雷达系统性能(探测深度、跨轨迹向分辨率、垂向分辨率等),并且研制满足新型平台(无人机、卫星等)搭载需求的小型、低功耗冰雷达系统,以及发展多通道、多频、多极化集同观测模式的综合冰雷达技术。     

雪冰电导率反映的南、北极和青藏高原大气环境差异

青藏高原（无论南部、北部）雪冰电导率与雪冰体的酸碱度及雪冰内各类杂质成分的关系明显不同于极地冰盖（南极冰盖与格陵兰冰盖）,青藏高原雪冰电导率依赖于地壳来源的碱性矿物盐类杂质（如Ｃａ２＋,Ｍｇ２＋,ＳＯ２－４等）,因而与雪冰酸度（即Ｈ＋）呈反相关;极地冰盖雪冰电导率依赖于海洋来源的酸根离子（如Ｃｌ－,ＳＯ２－４等）,因而与雪冰酸度呈正相关。但在北极地区,雪冰电导率与各离子的关系存在复杂的地域分异,如在北极中心地区,极可能由于“北极霾”的干扰,打破了格陵兰冰盖内电导率与酸根离子间明确的函数关系。总之,雪冰电导率是寒区大气环境的替代性“指示器”     

黑河中游非均匀地表能量通量的卫星遥感参数化

对黑河中游非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(或蒸散)的研究是一个十分重要但又是一个难点问题。文中提出了2个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其用于黑河中游地区。同时利用2个景的陆地资源卫星Landsat TM资料进行了分析研究,得到了一些有关非均匀地表的沙漠化地区的区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的新概念。文章最后还讨论了所提出的参数化方案的适用范围和所需的改进之处。     

ICESat与ICESat-2应用进展与展望

近十年来,格陵兰和南极冰盖消融增速,两极地区显著变化.美国国家航空航天管理局(NASA)的冰、云和陆地高程卫星(ICESat)自2003年发射至2009年的在轨期间,用于定量分析冰盖和海冰的变化速率,并对这些变化的驱动机制进行检测与监测.ICESat在极地冰雪遥感应用等方面展示出了无可比拟的优势,对精确估算冰盖对海平面...     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海     

北冰洋78°N冰站近地层参数的观测研究

利用2003年8月22日-9月3日中国北极科学考察队在北冰洋78°N浮冰站获得的近地层观测资料,采用整体输送法对北冰洋浮冰近地层特征参数进行了分析研究。结果表明,在考察期间,雪面吸收的净辐射仅为3.6 W/m2,其中以感热和潜热向大气输送的能量分别占52%和31%,向海冰深层传导的热量很少;近中性层结条件下的平均拖曳系数Cdn为1.16×10-3,略小于75°N北冰洋浮冰上近中性层结的Cdn。与1999年75°N附近冰站观测结果的对比表明,当海冰密度及冰站所在浮冰的尺度不同时,海冰与大气相互作用的热力学和动力学过程的差异显著,在研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程影响时,应考虑这一问题。     

海冰模式中融池参数化方案的伴随模式参数估计

融池是影响北极海冰变化的重要因子。但在目前广泛使用的海冰模式CICE6.0中,融池模拟与观测存在较大差异。CICE6.0中的CESM融池参数化方案可以计算融池覆盖率与深度,但其中的部分重要参数存在一定的经验性,影响了融池模拟。本研究为CICE6.0海冰模式的CESM融池参数化方案开发了伴随模式,利用CICE6.0海冰模式、融池伴随模式和L-BFGS极小化算法,使用一年冰及多年冰区域的MODIS卫星融池覆盖率观测数据,对CESM参数化方案中的融池纵横比参数进行了分时段分区的参数估计。结果表明:使用伴随模式可以有效地对融池参数进行估计;得到的融池参数随时空变化,符合融池过程时空变化强烈的特征;估计的参数值用于模拟,减小了融池覆盖率的模拟误差,与MODIS观测更为一致。     

可服务于北极航道的海冰与气象预报信息综合分析

全球气候变暖和北极海冰快速减少背景下,北极航道正在开通,提高海冰和气象预报能力是北极地区船只航行的重要保障。通过获取不同国家的北极高纬共享信息(包括观测数据、预报产品和历史分析资料),分析国际北极地区海冰和气象预报信息特点及存在的问题,能够为我国北极观测预报的常态化、业务化发展提供参考。通过对7个环北极国家、3个非北极国家以及3个信息发布平台共23家机构海冰和气象预报信息的对比,发现近年来各国北极预报水平提升,合作交流扩大,但是仍存在一些问题,如观测数据没有充分应用于预报、北极中央区的预报能力偏弱、预报信息共享度不够、信息应用时需要加以选择、仍需提升信息发布技术。通过上述分析,建议我国持续增加北极科考、国际合作、冰区安全航行预报保障技术研究等的投入,以系统提升我国的极地预报能力,为我国北极科考和极地航运事业提供更加及时有效的预报保障。     

2010年夏季北极海冰数值预报试验

为保障我国第四次北极科学考察的顺利开展,于2010年6～8月开展了北极海冰预报预测服务。预报试验基于MITgcm （麻省理工学院通用环流模式）,以NCEP GFS（美国国家环境预测中心全球预报系统）资料为大气强迫,初始化分别使用美国冰雪中心SSM/I（专用微波成像仪）或德国不莱梅大学AMSR-E（地球观测系统先进微波扫描辐射计）北极海冰密集度卫星资料。对2010年6～8月预报结果的初步评估表明,预报结果同卫星观测资料比较一致。在发生快速海冰变化的太平洋扇区,预报结果优于惯性预报,表明模式具有较好的局地海冰数值预报能力。     

极地记录冰川和达尔克冰川流速的遥感监测研究

测定南极冰川的流速 ,对于研究南极冰雪物质平衡、南极环境变化及其对全球环境的影响有重大意义。本文论述了利用多时相卫星遥感影像监测冰川变化的原理和方法 ,通过对英格里特 .克里斯泰森海岸不同时期的遥感影像进行几何纠正和配准及叠加处理 ,测量和计算出极地记录冰川和达尔克冰川的平均流速 ,并对它们的变化特点进行了初步的分析和评价。     

北极中心海域海冰特征,积雪及变质过程

根据我国首次北极地区的考察观察观测资料，分析了北冰洋８８°Ｎ￣９０°Ｎ考察路段上海冰形态和雪层剖面特征，划分出３种冰形态类型和相应的积雪分布形式，指出了不同积雪分布形式下雪深测量、雪层剖面观测以及雪坑采样的适宜性。海冰上覆积雪的积消过程表现为缓慢的积累和快速的消融，雪深空间分布与降水来源有极大的关系。遥感监测和雪层剖面观证明北冰海洋冰上覆积雪无明显“年积累”大于“年消融”的区域，属于季节性积雪。     

斯瓦尔巴群岛冰川学研究进展与我国北极冰川监测系统建设

北极斯瓦尔巴群岛冰川大多数属于亚极地型(sub-polar)或多热型(polythermal)。Austre Br(?)ggerbreen和Midre Lovénbreen冰川(＜10km~2)长时间系列物质平衡研究显示,自小冰期结束以来几乎所有的观测年中夏季消融比冬季积累更大,导致冰体稳定地减小；而面积更大、海拔高度更高的冰川如Kongsvegen冰川(105km~2)则更加接近稳定态的平衡。斯瓦尔巴群岛冰川流动速率一般较低,但跃动相当频繁,控制跃动型冰川空间分布的因素包括冰川长度、基底岩性和多热场。可通过冰川水文特征、钻孔温度测量和无线电回波探测获取斯瓦尔巴群岛冰川热场的信息。斯瓦尔巴群岛冰川的低流速和多热性结构对冰川上的排水系统相当重要,整个群岛淡水径流的四个主要来源分别是冰川消融、雪融化、夏季降雨和冰崩解,经验回归方法和模式方法用于计算淡水径流量。因夏季融水渗浸作用、采样分辨率低和化学成分分析有限,早期斯瓦尔巴群岛冰芯的准确定年受到严重影响,但最近的研究显示,来自斯瓦尔巴群岛冰帽的冰芯数据仍然能够提供重要的气候和环境信息。通过我国北极黄河站2005年度科学考察,我们已初步建立了Austre Lovénbreen冰川和Pedersenbreen冰川监测系统,并计划在Austre Lovénbreen冰川进行钻孔温度测量、冰川气象要素观测、冰川前缘水文观测以及冰川厚度和内部结构测量,重点开展斯瓦尔巴群岛冰川基本特征和发育条件、冰川表面能量和物质平衡、冰川波动与气候变化关系、淡水径流年际和季节性变化和气/雪/冰界面过程等方面的研究。     

北极冰区船舶安全航行过程风险动态仿真

近年来随着北极冰区航道的开辟与成功通航,船舶航行安全广受重视,因冰区通航条件对船舶交通安全影响因素特殊且变化大,有必要分析极地冰区船舶航行时航路过程中的风险。探讨低温、浮冰、高纬度等特殊属性对船舶极地冰区航行安全的影响,结合船舶交通风险的特点,提出北极冰区东北航道船舶航行风险状态概率转移的过程风险,构建北极冰区东北航道船舶航行过程风险模型。基于马尔科夫过程假设,建立基于马尔科夫链-蒙特卡洛方法的云仿真模型,利用该模型对北极冰区东北航道船舶航行进行时间连续的过程风险动态仿真。研究表明:夏季时期船舶在北极冰区东北航道航行过程风险整体上处于可通航状态,离散风险程度随时间而连续变化,总体呈现"M"型趋势,风险波动明显。     

极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用

北冰洋海域的水声学研究在冰下通讯、导航定位、目标探测以及海洋环境参数反演等方面起着重要作用。而研发集成极区冰下浅表层声学监测浮标系统,获取长期连续气-冰-海界面的主要环境参数数据及冰下声学特性信息,是开展冰下水文和声学环境特性研究的重要手段。本文研究了一种极区冰下浅表层声学监测浮标系统的设计,该系统主要由主控制模块、供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块、远程监控中心五部分组成,通过各个模块的开发与集成测试、数据的采集与传输测试、野外试验等,实现了对极区气-冰-海界面主要环境参数以及冰下浅表层声学特性参数数据的持续观测。本系统于2021年8月在中国第12次北极科学考察任务中完成现场应用,在极地低温恶劣环境下运行可靠稳定,实现了包括水声数据在内的极区各项环境观测参数的远程传输。     

近30年北极海冰异常变化趋势

在过去30年间,北极气候发生了前所未有的异常变化,北极海冰变化更是经历了令人瞩目的、从平缓到突变的缩减过程,因此,北冰洋及其海冰的研究得到广泛的重视。综述当前国内外有关北极海冰快速变化的研究工作,对这些大气的现场观测和卫星遥感资料的分析,以及一些全球和区域气候模拟的结果,基本上一致地指出了近3O年来北极海冰的快速衰减趋势,尤其是夏季北极海冰正以每lO年超过10％的变化幅度快速减少。从海冰的基本物理特征、与大气海洋相互作用的物理过程、及其对全球和北极气候变化的响应和反馈机制,研究形成这种快速变化的因子--海表面气温增暖,太平洋与大西洋人流的热盐性质变化,以及大气环流模态的影响等。     

极地雪冰中过量~(17)O研究进展

过量~(17)O是当前水体稳定同位素研究的前沿领域,在极地雪冰研究中备受关注。本文系统地介绍了水循环过程中过量~(17)O研究的基本原理和实验方法,在此基础上,重点评述了极地雪冰中过量~(17)O研究的最新进展,包括过量~(17)O的影响因素、空间分布特征、季节变化、末次冰盛期-全新世过量~(17)O演化特征,并针对极地雪冰过量~(17)O研究尚未解决的科学问题对未来的工作进行了展望。