南极海冰和陆架冰的时空变化动态

利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料, 对南极海冰的长期变化进行了研究.结果表明: 20世纪70年代后期是多冰期; 80年代是少冰期; 90年代南极海冰属于上升趋势, 后期偏多; 区域性变化差别大, 东南极海冰偏多, 西南极海冰即南极半岛两侧特别是威德尔海(Weddell Sea)区和别林斯高晋海(Bellingshausen Sea)的冰明显偏少.东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多, 南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩, 有崩解也有再生的自然变化现象.西南极威德尔海的龙尼冰架(Ronne Ice Shelf)和罗斯海冰架(Ross Ice Shelf)东部崩解和收缩趋势明显, 东南极的冰架也有崩解和收缩, 但没有西南极明显.陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.目前, 南极冰盖断裂崩解形成的冰山, 向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14 mm.南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少, 而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.     

关于矿床学创新问题的探讨

2003年1月4日至2月15日期间,在5种不同情况下对南极海冰进行了调查研究。包括:(1)基于走航观测的威德尔海至普利茨湾之间海冰分布研究;(2)基于航空拍摄的普利茨湾海冰分布研究;(3)纳拉海峡固定冰和上浮雪厚度钻孔测量以及冰心钻取;(4)中山站附近融化冰的分布研究以及(5)中山站附近海冰早期冻结过程观测研究。结果表明,威德尔海至普利茨湾之间走航观测得到的海冰全部密集度为14.4%,大部分冰(99.7%~99.8%)属于一年冰,观测到冰的厚度在15~150 cm。沿观测航线上海冰最大密集度(80%)出现在威德尔海,从59°56 S到69°22 S以及从040°41 W到076°23 E的区域分布着广阔的水域。这一结果验证了Silvia的海冰漂移理论。普利茨湾沿岸海冰受制于沿岸地形、拉斯曼丘陵以及搁浅冰山的影响,其密集度呈现较大的空间变化。钻孔测量显示,纳拉海峡固定冰平均厚度为169.5 cm。风吹雪的重分布以及日照强度差异是导致纳拉海峡固定冰厚度差异的主要因素。观测表明,中山站附近海冰早期冻结遵循Lange的海冰早期冻结过程“饼状循环”最初的两个阶段。     

南极纳拉海峡固定冰生长、 结构、 盐度和氧同位素组成

采用第19次中国南极科考采集的冰芯样品、 数据, 基于海冰的"冻结日"记录, 使用海冰一维热力学模型来计算纳拉海峡固定冰的生长厚度. 考虑气象条件以及冰情观测结果, 将该模型的计算海冰厚度和实测厚度进行比较发现, 在纳拉海峡存在着多年生长的海冰. 对采集于南极洲中山站附近纳拉海峡的固定冰冰芯样品进行结构、 盐度和稳定氧同位素(δ~(18)O)分析, 获取了海冰的结构和盐度剖面特征、 冰芯雪冰、 附加冰的含量、 雪冰中的雪以及全部冰芯中雪所占的百分比. 结果表明: 样品冰芯具有典型的海冰特征结构, 如柱状冰水平方向的C轴以及上部粒状冰层和下部柱状冰层结构特征, 部分柱状冰中间存在着粒状冰夹层; 盐度和δ~(18)O剖面也显示了多年冰生长的证据. 海冰的结构和氧同位素特征表明, 纳拉海峡固定冰的生长主要受热力学过程控制, 其结果和2000年1月至2003年2月人工冰情观测结果一致, 观测中没有发现冰脊、 叠置等动力过程. 附加冰在冰芯中所占的比例平均为5.01%. 使用不同的同位素标准来区分雪冰层, 估计研究区域平均有多达16.4%～37.9%的雪冰, 海冰粒状层中雪的部分约占全部冰厚度的0.8%～23.5%.     

南极纳拉海峡固定冰生长、结构、盐度和氧同位素组成

采用第19次中国南极科考采集的冰芯样品、数据,基于海冰的"冻结日"记录,使用海冰一维热力学模型来计算纳拉海峡固定冰的生长厚度.考虑气象条件以及冰情观测结果,将该模型的计算海冰厚度和实测厚度进行比较发现,在纳拉海峡存在着多年生长的海冰.对采集于南极洲中山站附近纳拉海峡的固定冰冰芯样品进行结构、盐度和稳定氧同位素(δ18O)分析,获取了海冰的结构和盐度剖面特征、冰芯雪冰、附加冰的含量、雪冰中的雪以及全部冰芯中雪所占的百分比.结果表明:样品冰芯具有典型的海冰特征结构,如柱状冰水平方向的C轴以及上部粒状冰层和下部柱状冰层结构特征,部分柱状冰中间存在着粒状冰夹层;盐度和δ18O剖面也显示了多年冰生长的证据.海冰的结构和氧同位素特征表明,纳拉海峡固定冰的生长主要受热力学过程控制,其结果和2000年1月至2003年2月人工冰情观测结果一致,观测中没有发现冰脊、叠置等动力过程.附加冰在冰芯中所占的比例平均为5.01%.使用不同的同位素标准来区分雪冰层,估计研究区域平均有多达16.4%～37.9%的雪冰,海冰粒状层中雪的部分约占全部冰厚度的0.8%～23.5%.     

南极中山站附近固定冰生消过程观测

2005～2006年对南极中山站附近固定冰区海冰生消过程进行了系统观测。基于观测数据比较了2005年和2006年冰季固定冰生消过程的差异,分析了冰厚增长速率的日内变化和季节变化,讨论了积雪对固定冰生消的影响。2005年尽管冰生长期的负积温较大,但由于雪厚较大,其冰厚增长速率和最大冰厚都小于2006年的观测值;极夜期间冰厚增长速率的日内变化不明显,但极夜前和极夜后都存在明显的日内变化;中山站以北16km范围内的冰/雪厚度随离岸距离没有明显的变化趋势,但冰脊形成和冰山存在都会对局部的冰/雪厚度分布产生较大影响。     

南极的海冰区生态学研究

南极海冰区生态学研究始于20世纪60年代,属新兴的生态学研究领域。经过三个阶段的发展和深入研究,科学家们对海冰在冰区生态系统中的作用方面取得了共识。随着EASIZ和CS-EASIZ等国际南极区域性计划的相继出台,该研究已成为目前南极生态学研究的前沿和热点领域。文章同时对该领域的国内、外研究现状做了简要的介绍。     

南极海冰与气候

在极区,海冰的形成在海洋上部和大气下部之间构成了新的交界面,改变了大洋表面的辐射平衡和能量平衡,隔离了海洋与大气之间的热交换和水汽交换;海冰冻融过程影响着大洋温、盐流的形成和强度;海冰对南大洋和南极大陆气象、气候有重要的影响,在气候环境系统中起着重要的作用。南极海冰作用区约占南半球雪冰作用区面积的58%,约占地球表面积的3.58%。其中,一年生海冰约占南极海冰区分布面积的83%;其分布面积从夏末2月份最小时的3×106 km2左右,到9月份冬末最大时的18×106 km2左右,一年中季节变化幅度可达15×106 km2,季节变化率>500%。海冰分布区域的年际变化较大。南极海冰区是影响季节和年际全球气候环境变化的重要区域。当前,国际南极海冰与气候研究的核心问题是海冰物理过程和在海冰区的海洋—大气相互作用。结合目前承担的研究课题,对国际南极海冰与气候研究的前沿动态和相关的国际计划进行了综述。     

中国第19次南极科学考察中海冰调查技术介绍

介绍了第19次中国南极科学考察中海冰走航和定点调查使用的一些新技术.实践发现这些辅助技术可以提高裸眼观测的准确性, 它们同样可以应用于渤海海冰和内陆河冰的现场调查.其中可视技术、船舶雷达跟踪技术和冰层厚度变化过程测试技术应用前景宽阔, 介绍了它们的测试目标、原理、组成和运行性能.     

基于CryoSat-2卫星测高数据分析南极海冰厚度的时空变化

利用卫星测高数据能够获取大尺度、长时序的海冰厚度信息。相较于北极,目前南极海冰厚度特别是近期变化信息仍很缺乏。基于2013-2018年的CryoSat-2卫星测高数据,采用最低点高程法和静力平衡方程模型反演了近6年逐月平均海冰厚度并分析其时空变化规律。结果表明：2013-2018年南极海冰厚度整体呈现先上升后下降的趋势,其中,2014-2017年年平均海冰厚度表现为快速变薄。南极较厚的海冰集中在威德尔海西南海域,最大值出现在该海域2014年的7月（6.27 m）。年平均海冰厚度在2017年达到最低值。南极海冰厚度的时空变化研究可为深入研究海冰变化与全球变化的关系提供参考。     

北极楚科奇海海冰特征研究——以1999年夏季为例

对北冰洋楚科奇海海冰分布、厚度、气/冰/海界面温度场观测,钻取海冰冰芯,观测冰结构的变化,发现3种海冰组合结构: 1)表面融化型; 2)表面和底部融化型; 3)整体融化型. 海冰结构形成的热力学过程为:在气/冰界面上,海冰上表面吸收辐射能使冰体升温,出现表面融化; 在冰/海水界面上,海冰盘与开阔水域的相间分布、相对运动,将周围温度较高的水体输送到海冰的底部,加热、融化海冰底部; 冰体升温,冰晶间盐水膜首先融化,分离冰晶,破坏海冰整体结构. 冰的相变吸热,使其温度维持在融点, 这些过程均衡了夏季北冰洋的温度变化.     

国际南极冰盖与海平面变化研究述评

海平面上升是全球变暖的主要后果之一。尽管有少数冰川学家认为,气候变暖并不能确保雪积累量的显著增加,同时可能出现冰流的突然变化,因此南极冰盖在未来海平面变化中的作用存在很大的不确定性。但近几十年来南极半岛气温的急剧上升,已使大量的冰架崩解。冰架崩解并不对海平面产生真正的影响,但反映出南极洲气候与冰川存在急剧变化的可能。     

基于IceBridge数据的南极别林斯高晋海的海冰厚度研究

海冰变化与全球气候、 生态系统和人类活动密切相关, 海冰厚度是海冰变化研究的重要参数之一。全面立体高精度观测海冰厚度的最有效手段是航空遥感, 而冰桥计划（IceBridge）是当前南北极最大的航空遥感工程。基于2009 - 2014年冰桥计划的激光雷达高程数据和数字测图系统相机光学影像对南极别林斯高晋海的海冰厚度进行研究, 并结合降雪量等气象数据探讨该区域海冰厚度变化的原因。研究发现该海域的海冰厚度在2009 - 2014年间整体呈微弱增长趋势（0.07 m·a^-1）, 但是在95%置信水平下不具有显著性。2009 - 2011年呈现先增加后减少的大幅度变化, 其中2010年达到极大值2.42 m, 之后开始缓慢增加。海冰厚度的年际变化与降雪和近地表温度等气象要素相关, 二者相比较而言降雪为主要影响因素。     

东南极冰盖/冰架变化监测与预测技术研究

南北极是研究全球变化的关键区域。＂十一五＂期间我国在南极地区系统开展了东南极冰盖/冰架变化监测与预测技术研究,对认识全球气候变化具有重要作用。通过项目实施,建立和发展了一批现场观测体系,发展了冰盖观测新技术并集成应用于东南极冰盖的综合观测,拓展了对冰穹A地区的新认识和新发现;在冰穹A边缘地区钻取的一支浅冰芯恢复了过去约780年的气候记录,记录了东南极地区存在小冰期的明显证据;发展了东南极冰盖积累和等时年层流动模型,研究在冰盖浅层、中层和深部的变化特征,反演了冰穹A地区的古积累率分布。本文概要介绍该项目基本情况。     

A review of changes monitoring in the Antarctic ice shelves北大核心CSCD

冰架是南极冰盖物质损失的主要出口。南极冰架动态变化和物质平衡的研究对揭示南极地区的气候变化具有重要的参考价值。本文从表面融化、冰流速、前缘崩解、底部融化和物质平衡五个方面入手,对近些年来南极冰架变化监测的研究进展进行梳理和归纳总结,综述了它们的观测方法、观测结果、机制分析及当前面临的问题。极地观测卫星和现场观测网络的发展、冰架多维度综合分析及数值模拟研究的推进,将有助于进一步揭示冰架变化因子之间的耦合作用及其演变机制,为全球增温影响南极冰盖/冰架的物理机制研究及其变化预测提供重要依据。     

Prediction of sea ice edge in the Antarctic using GVF Snake model

Antarctic sea ice cover plays an important role in shaping the earth’s climate, primarily by insulating the ocean from the atmosphere and increasing the surface albedo. The convective processes accompanied with the sea ice formation result bottom water formation. The cold and dense bottom water moves towards the equator along the ocean basins and takes part in the global thermohaline circulation. Sea ice edge is a potential indicator of climate change. Additionally, fishing and commercial shipping activities as well as military submarine operations in the polar seas need reliable ice edge information. However, as the sea ice edge is unstable in time, the temporal validity of the estimated ice edge is often shorter than the time required to transfer the information to the operational user. Hence, an accurate sea ice edge prediction as well as determination is crucial for fine-scale geophysical modeling and for near-real-time operations. In this study, active contour modelling (known as Snake model) and non-rigid motion estimation techniques have been used for predicting the sea ice edge (SIE) in the Antarctic. For this purpose the SIE has been detected from sea ice concentration derived using special sensor microwave imager (SSM/I) observations. The 15% sea ice concentration pixels are being taken as the edge pixel between ice and water. The external force, gradient vector flow (GVF), of SIE for total the Antarctic region is parameterised for daily as well as weekly data set. The SIE is predicted at certain points using a statistical technique. These predicted points have been used to constitute a SIE using artificial intelligence technique, the gradient vector flow (GVF). The predicted edge has been validated with that of SSM/I. It is found that all the major curvatures have been captured by the predicated edge and it is in good agreement with that of the SSM/I observation.     

基于海冰分析图获取北极固定冰分布的方法研究

对北极沿岸地区固定冰的分析研究,将有助于更全面认识北极海冰的变化趋势,并为进一步探索北极航道的开发利用提供数据支撑。基于美国国家冰中心发布的2008-2018年逐周/逐两周海冰分析图发展了一个数据转化处理方法,准确提取了全北极逐周的固定冰分布格点数据。分析该时间序列发现,北极平均固定冰范围为（9.0±6.3）×10⁵ km²,呈现出（-1.0±3.9）×10³ km²·a^-1的减小趋势;4月份固定冰范围最大,多年平均值为1.6×10⁶ km²,处于北极冬季的1-6月份的范围均高于百万平方公里,而7-10月份为北半球夏季,几乎无固定冰存在。将MODIS图像作为基准数据对不同月份的七组结果进行对比验证,结果显示：结冰末期和融冰前期的平均偏差较小,如2012年3月12日的固定冰外缘线平均偏差为-0.8 km;而融冰末期的偏差较大,如2009年9月14日的固定冰外缘线平均偏差为-9.4 km;但所有月份的验证误差都小于格点网格的大小（25 km）,因此认为该方法是可行的,得到的格点数据可以代表固定冰的真实分布情况。