基于锚系观测的北冰洋加拿大海盆中层水变化研究

20世纪90年代以来,北极进入了以海冰快速减少为显著特征的快速变化时期。通过分析“波弗特流涡观测计划”在北冰洋加拿大海盆的4个站点上布放剖面观测系统所获得的2003—2011年的温度、盐度剖面观测数据,研究了加拿大海盆北极中层水的变化特征。在观测期间,加拿大海盆中央区中层水核心温度变化较小,楚科奇海台地区有明显下降特征,海盆中央区以北以及加拿大群岛陆坡边缘区核心温度呈持续升高趋势。北极中层水核心深度在4个站点都有不同程度的加深趋势,加深的程度和参与分析的表层淡水含量以及因海冰消失导致的风应力变化有一定的对应特征。4个站点表层(75—200 m)的热含量在无冰海域有明显的增长,在有冰海域热含量较稳定;加拿大海盆200—400 m和400—800 m深度范围内的热含量变化情况与中层水核心深度的变化情况一致,伴随着中层水核心深度加深至400 m乃至更深处,中层水的能量也逐渐下移,造成200—400 m水层能量普遍降低而400—800 m水层能量普遍增加。加拿大海盆4个观测站点因背景环境条件和所受影响的不同,造成了中层水的变化和响应趋势的差异。     

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     

北极加拿大海盆2003年和2008年上层海洋热含量的差异分析

主要利用2003年和2008年两次夏季北极科学考察的CTD数据处理了加拿大海盆上层海洋的热含量(这里上层海洋指的是200m以上的海洋),定量分析了热含量随深度的变化,并比较分析了这两年在夏季海冰融化期间热含量的垂向差异变化,以及影响热含量变化的因素,给出了上层海洋热含量在加拿大海盆的空间分布。2008年与2003年相比最显著的变化是在加拿大海盆开阔水域的增加,这将导致太阳辐射能进入海洋中的能量增加,同时海冰的大量融化带来了大量淡水,这些变化改变了上层海洋的温盐性质。海冰大量融化主要产生两个效应：一是上层海洋的普遍增暖,二是太平洋入流水体的下移。文中还分析了近年来在加拿大海盆中变化显著的次表层暖水现象,由于次表层暖水蕴含着不小的热含量,其在上层海洋热量平衡中的作用不容忽视。     

一个北极区域冰海耦合模式的设置与应用

介绍了一个北极区域冰-海耦合数值模式的设置与应用。海洋模式基于MIT海洋环流数值模式,海冰动力学过程由Hibler的粘-塑模型发展而来。海冰的热力过程基于Winton提出的三层热力学模型。给出了耦合模式的基本框架,重点介绍了区域冰-海耦合系统中较为重要的程序包,如正交网格生成技术,中尺度涡的参数化,冰-海耦合及开边界处理等。以NCEP再分析资料为大气强迫场,模拟研究了北极夏季海冰范围异常的变化特征(1992—2007),模拟得到的海冰面积变化趋势与SSM/I观测资料进行了对比,两者相关系数达到0.88,模式基本反映了海冰的年际变化特征。以2007年为例,对比分析了9月份海冰密集度分布特征,模式结果得到的海冰范围略大于观测,但基本反映了2007年夏季海冰范围的衰减形态。     

北极迅速变暖条件下西北航道的海冰分布变化特征

北极近年迅速变暖使西北航道的通航成为可能。本文利用AMSR-E的6.25km分辨率日平均海冰密集度卫星数据研究了2002-2008年北极西北航道的海冰密集度变化特征。通过统计分析沿西北航线冰障关键流段代表站点的融化期、轻冰期、无冰期、无冰天数和轻冰天数,以及海冰分布和变化的某些细节,加深了对西北航道海冰季节变化和年际变化以及空间分布的主要特征,特别是与通航相关的冰情信息的了解。研究指出西北航道南路比北路容易开通;各线路冰障流段存在的时间呈减小趋势,整条线路无冰/轻冰天数呈增加趋势;冰间湖和冰间水道的产生和发展在很大程度上可能会影响到整个航路的融冰开始时间。     

北极海冰快速减少期间加拿大海盆上层海洋夏季淡水含量变化

北极海冰近年来快速减少,北冰洋淡水含量也出现了急剧变化。加拿大海盆作为北冰洋淡水的主要存储区域,研究其淡水含量变化对于认识北冰洋淡水收支有重要意义。本文根据2003年、2008年中国北极考察以及2004年至2007年的加拿大考察数据进行计算,发现除2006年以外,夏季加拿大海盆淡水含量在此期间每年增加1m以上厚度。增加主要发生在冬季白令海水以上的上层海水中,而在此之下,淡水含量维持在3m左右,没有显著年际差异。在2006年,加拿大海盆西部上层淡水含量略微减少,但东部和北部海域淡水含量仍略有增加。与2003年相比,2008年加拿大海盆中心海区淡水含量增加量最高可达7m。分析表明,近年来的海冰减退对加拿大海盆上层淡水含量的增加起着重要作用,北极涛动(AO)正负相位变化也是控制其淡水含量变化的一个重要因素。而降水、径流以及白令海峡入流水的变化对加拿大海盆淡水含量变化影响较小。     

北极冰雪表面能量平衡研究进展

北极地区冰/雪-大气相互作用的过程,尤其是冰雪表面反照率的变化,是制约我们认识北极地区气候系统快速变化的关键科学问题。目前已有的研究表明,随着观测技术和方法的进步,北极冰雪表面能量平衡研究取得了较大的进展,但由于缺乏高质量、时空连续的观测试验数据,大部分参数化方案、遥感及模式产品等在北极不同区域的适用性仍待评估。因此,北极地区观测站点的加密、综合观测试验的开展和多源卫星遥感体系的进一步完善,能为遥感卫星产品及复杂参数化方案在北极的评估验证提供数据支撑,也可以揭示更多潜在的冰雪表面能量平衡相关的过程和机理,加深对极地海-冰/雪-气相互作用的理解,更好地服务于极地冰冻圈与气候变化研究。     

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明, 2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。     

1999年夏季中国首次北极考察区水团特征

依据 1 999年 7月至 9月中国首次北极考察队在白令海、楚科奇海和南加拿大海盆的现场调查资料 ,本文分析了三个海区的水团特征 :( 1 )白令海水团主要由季节变化显著的白令海上层水团和中层水团以及深层水团组成 ;( 2 )楚科奇海水文特征受融结冰过程影响较大 ,1 999年7月和 8月差异较大 ,其水团主要为浅海变性水团 ,包括两个次级水团 ,楚科奇海夏季水和来自北太平洋以及北冰洋变性的外海入侵水 ;( 3)南加拿大海盆的水团主要由受融结冰过程影响的表层水团、源于太平洋水的次表层水、源自北大西洋的中层水团和深层水团组成     

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

北极多源积雪深度数据对比评估及其对海冰厚度估算的影响

积雪深度是估算海冰厚度重要的参数之一,目前对不同积雪深度产品精度及其可适用范围的评估研究较少,也缺乏系统性的认知。本研究选取了11种北极积雪深度产品,根据产品的不同时间范围,分为2013—2018年和2018—2019年2个评估时间段。根据上述时间段,对比分析了各产品之间的差异性,然后将这些产品与“冰桥行动”和海冰质量平衡浮标的现场观测结果进行了评估。所有产品都显示格陵兰岛和加拿大北极群岛的北部积雪深度较厚,而在东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海沿线区域的积雪深度较薄,不过,部分产品在时空变化上仍存在较大差异。与“冰桥行动”的观测数据对比发现,大部分产品数据雪深都较厚, AMSR2B和IS2/CS2分别在2013—2018年和2018—2019年的评估时间段内差异较小,拟合度较好。与海冰质量平衡浮标的对比结果显示,绝大部分产品数据雪深都较薄,并且差异性较大,其中NESOSIM在整个时期拟合度较好。利用不同产品的积雪深度反演海冰厚度的结果差异显著,与“冰桥行动”观测的海冰厚度对比发现, FY3B/MWRI和IS2/CS2分别在2013—2018年和2018—2019年的评估时间段...     

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。     

气候系统模式对于北极海冰模拟分析

利用全球耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)模拟试验的结果,并与观测资料对比分析,评估了CMIP5模式对北极海冰的模拟效果。结果表明:多数模式可以较好地模拟出北极海冰的空间分布以及季节变化特征。1979—2005年北极海冰迅速减少,所有模式均模拟出北极海冰减少的趋势,但减少趋势大小与观测差别较大。在全球变化的背景下,全球地表气温升高1℃,北极海冰的面积减少1.02×106km2,而在模式中减少的北极海冰面积在0.62×106—1.68×106km2之间,说明模式对于北极海冰的模拟仍然存在很多不确定性。     

巴伦支海近40年来海洋热含量变化特征及影响机制

利用ORAS5海洋-海冰再分析数据集,研究发现1979—2018年间巴伦支海海洋热含量存在显著的季节和年际变化特征,且有持续上升趋势。海-气热通量是控制巴伦支海海洋热含量季节变化的主要因素,而北大西洋流的海洋热输运则影响其年际变化和上升趋势。北大西洋流的温度和流速变化对其海洋热输运的年际变化均有贡献,而其海洋热输运的上升趋势则主要是来自于北大西洋流温度的增加。此外,巴伦支海开阔海域和冰区的海-气热交换呈现相反的趋势,在无海冰覆盖的开阔海域,海洋放热减少,海洋混合减弱;而在有海冰覆盖的海域,海洋放热则显著增加,海洋混合增强。     

北极航道相关海域科学考察研究进展

我国从1999年开始已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化导致的北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架海域,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地－北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、以及经济和当地土著居民生活等具有重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对我国在今后北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。     

北极加拿大海盆中一个次表层涡旋的结构研究

利用2003年7-9月中国第二次北极科学考察期间,在北冰洋加拿大海盆的一个冰站上得到的温度、盐度和流速的连续剖面观测资料,对一个次表层的北冰洋涡旋进行了分析。在温度断面图中,该涡旋表现为一个核心位于60m深度、最低温度为-1.5°C的孤立冷水块,比周边水体的温度低约0.5°C。涡旋中的等密度面呈现凸透镜的结构,表明该涡旋是反气旋式的。虽然同步观测的流场中确实存在速度接近0.4ms-1的异常强流,但实测流场的结构却与一个典型的涡旋流场相去甚远。进一步分析发现,涡旋所在的次表层流场存在变化幅度与涡旋旋转速度相当的惯性频率振荡。在滤除惯性流和平均流之后,得到了轴对称的涡旋流场,涡旋的最大流速半径约为5km。对涡旋核心及其周边海域水体的温盐性质对比分析表明,该涡旋可能在楚科奇陆架上形成,然后向东北方向运动并进入了加拿大海盆。     

基于OSI-SAF微波遥感数据的北极一年冰和多年冰研究

基于2005年10月—2017年4月OSI-SAF逐日海冰类型和海冰密集度数据,分析了北极一年冰和多年冰变化的时空特征。结果表明每年10月至次年4月的生长期内,一年冰在10—12月增长较快,范围和面积的增加速度分别为1.87×10~6 km~2·month~(-1)和1.77×10~6 km~2·month~(-1); 1—3月增速放缓,范围和面积的增加速度为0.50×10~6 km~2·month~(-1)和0.43×10~6 km~2·month~(-1); 3—4月范围和面积变化速度为–0.38×10~6 km~2·month~(-1)和–0.24×10~6 km~2·month~(-1)。多年冰的范围和面积在不同年份的生长期内有不同变化,没有一致的季节性。8个海区的海冰范围变化特征有一定的差异,北冰洋核心区在多年冰变化中占主导作用。一年冰在生长期内逐渐向北冰洋以南生长,多年冰主要分布在格陵兰岛和加拿大群岛以北的北冰洋中心海域。每年10月、11月海冰总体范围与该月前6个月北极平均气温显著负相关。每年3月、4月一年冰范围与该月前6个月平均气温也显著负相关。多年冰范围与北极月平均气温没有显著相关性。     

加拿大海盆氟氯烃的分布及其示踪研究

中国第二次北极科学考察期间(2003年7-9月)于加拿大海盆采集了9个站位的水样,用于氟氯烃(CFCs)的分析。结果表明加拿大海盆表层水中的CFC-11浓度最高为6.70pmol/kg,CCl4浓度最高为9.62pmol/kg,但均未达到饱和状态。二者在表层水中的饱和度分别在70.54%-84.70%和76.54%-91.53%之间,这可能与海冰覆盖和低CFCs浓度的太平洋水的入侵有关。在2000m深度仍存在相当浓度的氟氯烃,这表明加拿大海盆深层水与外界水体存在交换更新。氟氯烃的垂直分布进一步证实了加拿大海盆水团呈层状的垂直分布结构。同时采用pCFC-11、pCCl4测年法对各水团年龄进行了估算。     

白令海峡入流水影响下的楚科奇海海冰面积时空变化特征

利用美国国家冰雪中心的Bootstrap海冰密集度卫星遥感资料分析1991—2015年楚科奇海海冰覆盖面积的时空变化特征,并探讨白令海峡入流水对海冰面积变化的作用机制。楚科奇海海冰覆盖面积月距平以0.7%×a~(–1)的速度减小,从2002年开始维持负距平特征。白令海峡入流水的热通量及其在楚科奇海的环流路径显著影响楚科奇海海冰的时空变化。海冰面积变化与入流水热通量具有高相关性(R=–0.86),夏季(5—8月)两者的相关性更加显著,热通量增加对海冰面积显著减小起关键作用。楚科奇海海冰分布减小的区域与白令海峡入流水环流特征和分布关系密切, 5—7月海冰分布在入流水三条主要流动路径上(海渃德海谷、中央通道、巴罗海谷)的季节特征和年际变化最为显著。海冰面积及分布对入流水的响应均有1—2月的滞后。     

北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述

全球变化背景下,在过去的40年中,北极海冰范围快速减少,厚度显著变薄,同时多年冰向一年冰转化,这对区域乃至全球气候系统具有重要影响。海冰厚度作为气候变化的指示器,在大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换过程中起着重要作用。本文通过综述国内外北极海冰厚度影响因子的研究进展,对影响北极海冰厚度的热力学和动力学过程进行了梳理和总结。在热力学方面,海冰厚度会受到大气-海冰和海冰-海洋两个界面处的热通量影响,其中,大气-海冰热力学过程的影响因素包括冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等,主要通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热和潜热)产生影响;而海冰-海洋界面处的热通量作为海冰厚度的重要影响因素,主要受太阳辐射对上层海洋的加热、风应力导致的垂向混合以及中低纬暖流输送的影响。在动力学方面,海冰厚度变化主要通过风和海流的共同驱动引起海冰输运和海冰的形变。大尺度环流异常也会通过大气-海冰-海洋相互作用对北极冰厚的热力学和动力学过程产生显著影响。