冰–水侧向融化过程的实验室试验研究

为了探究冰层侧向融化过程,定量分析影响冰层侧向融化的主导因素,在低温实验室水槽内实施了浮冰融化实验。同步测量了冰底面和表面生消过程、浮冰侧向融化过程,同时记录了实验室气温、冰样内部不同深度处的冰温及开阔水域不同深度处的水温,利用相关分析方法研究了不同要素之间的关系及其对浮冰侧向融化速率的影响规律。结果表明,融冰前期冰样内部不同深度处的侧向融化缓慢且均匀,平均融化速率为0.05 mm/h;融冰中后期不同深度处的侧向融化速率显著增加且不再均匀,平均融化速率为0.15 mm/h。平均侧向融化速率与气温的相关系数较好（r=0.82）,优于其与平均水温（r=0.74）和水–冰温度差（r=0.48）的相关系数。建立侧向融化速率随温度（气温、水温）和深度变化的定量关系,可以准确描述浮冰侧向融化过程的非均匀性。同时验证了进行非均匀性侧向融化试验技术的可行性,为更加接近北极真实情况考虑风速和光源条件的海冰试验奠定了基础。     

基于气温的浮冰侧向融化速率参数化方案实验研究

为定量探究影响冰层侧向融化的主导因素，并简化冰层侧向融化速率参数化方案，在实验室模拟了无风、静水、无辐射、纯热力学条件下纯水冰的融化过程，测量了冰层的侧向融化量，并记录了融化期间实验室气温、冰面皮温、水温及冰温等要素。观测结果表明，无辐射纯热力学条件下冰层侧向融化整体较均匀，侧向上层和下层融化速率相对中间层较快；相关性分析结果表明，气温与水温、冰温、冰面皮温之间都有很好的线性相关；信息流结果表明，气温是影响冰层侧向融化的最主要因素；最后通过拟合建立了用气温表征冰层侧向融化速率的参数化方案，并与前人的方案进行了比较，结果显示本文参数化方案模拟效果较好，所得标准偏差最小，为0.08 mm/h，达到了简化参数的目的。     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰体积估算方法

近30年来,北极海冰正发生着剧烈的变化。海冰体积是量化海冰变化的重要指标之一。本文以2015年CryoSat-2卫星测高数据和OSI SAF海冰类型产品为基础。提取了浮冰出水高度、积雪深度、海冰密集度、海冰类型等属性信息,通过数据内插、投影变换、栅格转换、空间重采样等工作将海冰属性信息统一为25 km×25 km分辨率的栅格数据集。根据流体静力学平衡原理,逐个估算栅格像元对应的海冰厚度值,将其与对应的海冰面积相乘,估算了北极海冰密集度大于75%海域的海冰体积,并分析了海冰厚度和体积的月变化和季节变化特征。用NASA IceBridge海冰厚度产品对反演的海冰厚度进行验证。结果表明二者相关系数为0.72,有较高的一致性。北极海冰平均厚度春季最大,夏季最小,分别约为2.99 m和1.77 m,最厚的海冰集中在格陵兰沿岸北部和埃尔斯米尔半岛以北海域。多年冰平均厚度大于一年冰。冬季海冰体积最大,约为23.30×103 km3,经过夏季的融化,减少了近70%。一年冰体积季节波动较大,而多年冰体积相对稳定,季节变化不明显。     

SAR重构分辨率对海冰侧向融化量预测影响研究

利用RADASAT-2的海冰SAR图像,分别采用Prewitt、Sobel和Canny边缘检测算子计算图像范围内的海冰周长,分析不同图像分辨率、不同边缘检测算子分别对周长计算结果产生的影响。结合冰层侧向融化速率参数化方案进行了海冰侧向融化温度敏感性模拟实验,分析了图像重构分辨率对海冰侧向融化结果的影响。结果表明:海冰破碎程度不同时,对应不同的最佳边缘检测算子和最佳分辨率;仅考虑侧向融化时,随着温度升高,3种算子模拟的海冰面积融化趋势基本一致,均呈指数型增加,Prewitt算子模拟效果最好,对应的最佳重构分辨率为30 m×30 m、65 m×65 m和155 m×155 m。     

北极夏季海冰反照率的观测和数值模拟试验

在中国第3次北极科学考察浮冰站开展了积雪/海冰反照率观测.本文对观测结果进行了分析,并结合一维高分辨雪/冰模式(HIGHTSI)对3个常用的反照率参数化方案在天气尺度的表现进行了评估.观测期间测站反照率变化范围0.75～0.85,其天气尺度变化同天气和表面冰、雪状况紧密相关,降雪和吹雪过程可改变表面积雪厚度及水平分布,...     

海冰盐度影响下冰水热力过程的试验研究

北极多年海冰的渡夏与冰脊形成的初始阶段均属于海冰升温的热力学过程。在卤水作用下，海冰在升温过程中需要融化内部的固态冰以达到温盐平衡。为研究海冰升温过程中盐度对宏观热力学性质的影响，本文设计了冰块试样在水中的一维浸没试验。将具有相同初始温度 （-32℃）、不同盐度 （0 ppt, 2.65 ppt, 12 ppt） 的冰试样浸至 0.2 ℃的淡水环境中，并测试试样内部温度场与厚度变化。试验结果表明，高盐度海冰的最终冰厚增加量超过 31%，而淡水冰则仅为 15%。海冰内部卤水的活跃改变了海冰的宏观比热并大幅度提高了其潜在的内能变化量。同时，将内能变化的实测结果与 Schwerdfeger 模型理论计算结果进行了对比。分析得出，真实环境中在海冰卤水迁移引起的盐度不均匀分布与卤水外排使得 Schwerdfeger 模型无法准确描述海冰升温过程中热力学性质。此外，通过对新生冰进行冰晶测试中所观测的柱状结构及晶粒尺寸特征也进一步验证了试验结果的可靠性。     

辽东湾粒状海冰弯曲力学行为试验研究

弯曲破坏是冰与船舶和锥形海洋结构物相互作用时经常发生的一种冰破坏模式。全球变暖延长了渤海海冰的冻结期,导致冰层中粒状冰的比例呈增加趋势。为了更好地理解渤海粒状海冰的弯曲力学行为,使用2010－2011年冬季在辽东湾收集的粒状海冰进行了实验室三点弯曲试验。在?5、?10和?15°C条件下,共测试了42个海冰试样。应变速率范围为1×10?6~6×10?4 s?1,加载方向垂直于原始冰面。在试验过程中,测量每个冰试样的盐度和密度以计算孔隙率。试验分别给出了弯曲强度和有效弹性模量关于孔隙率的参数化关系,归一化后,弯曲强度在整个应变速率范围内没有速率依赖性。相比之下,有效弹性模量随着应变速率的增大而增大。以孔隙率和应变速率为因子,建立了冰试样有效弹性模量的参数化方程。     

基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品，分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征，结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明，结冰期海冰面积的增加量波动较大，海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大，2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似，融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散，在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用，促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。     

基于卫星图像的北极浮冰大小分布特征分析

随着全球气候变暖,海冰厚度逐渐变小,海冰面积逐渐缩小,开阔海域的面积越来越大,北极地区海冰也越来越容易受到海浪的侵袭导致浮冰发生破碎,加速海冰融化。因此在全球气候变暖的环境下,分析浮冰大小分布特征,对于研究北极海区的动量和热量收支有着重要意义,同时有助于改进现有的海冰模型。文中基于3种不同空间分辨率的卫星图像,利用限制增长法分析了2014年夏秋季转化季节波弗特海和楚科奇海的浮冰大小分布特征,所用的卫星图像包括Medea图像,RADARSAT-2图像以及Landsat 8图像,3种图像的空间分辨率分别为1 m,15 m和100 m。不同的空间分辨率为研究浮冰大小总体分布特征提供了一个广泛的数据基础,能够更充分地研究不同尺寸的浮冰大小分布。采用的限制增长法,能够自动识别并提取出浮冰,最终得到浮冰大小分布特征满足幂律分布形式,幂指数的范围在0.8~1.91之间,较大的浮冰对应的幂指数也相应较大,且随着远离海冰边界的距离,幂指数有增大的趋势。处于在夏秋转换季节,部分浮冰开始发生冻结,小尺度浮冰数量逐渐减少。     

两种盐度参数化方案在海冰模式中的应用比较

本文详细介绍了SIS海冰模式中引进两种盐度参数化方案即等盐度方案和盐度廓线方案对海冰模拟所存在的差异。利用盐度廓线方案导出的表征盐度与海冰温度间关系的方程比等盐度方案多出一项,将定义为盐度差异项。盐度差异项对海冰厚度的热力作用表现为：在海冰厚度增长季节（11月到次年5月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度,抑制海冰增长;在消融的第一阶段（6．8月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融;在消融的第二阶段（9．10月）,盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。但尺度分析表明,盐度差异项要比方程中队海冰温度作用最大项小1．2个量级,如果采用一级近似,可以略去盐度差异项,因此盐度差异项对海冰增长和消融影响很小。同时利用冰洋耦合模式（ModularOceanModel,MOM4）,分别采用两种盐度参数化方案模拟北极海冰厚度和海冰密集度的季节性变化,模拟结果也表明两种方案模拟得到的海冰厚度和海冰密集度的季节性变化相差甚小。     

海水物质平衡浮标对北冰洋中心区海冰温度与物质平衡的观测

利用中国第3次北极科学考察所布放海冰物质平衡浮标(Ice Mass-Balance buoy,IMB)的观测数据,分析了北冰洋中心区多年冰2008年8月-2009年7月温度与物质平衡的变化特征.结果表明,冰温廓线呈现明显的季节变化,秋季降温过程从海冰表面开始向冰体内部传播.海冰底部的生长/消融率受海水温度控制,随水温的...     

Some parameters in arctic sea ice dynamics from an expedition in the summer of 2003

1Introduction Seaiceoccupiesthemainpartofthesurfaceof theArcticOcean.ThefocusoftheSecondChineseNa- tionalArcticResearchExpedition(CHINAE-2003) wastounderstandthevariationsofarcticmarineenvi- ronmentsandtheseaiceeffectsontheclimatechanges ofglobalextent,inmiddleandlowerlatitudesareas, especiallyinChina.Therefore,thejointsea-ice-airob- servationforseaicestudieswasoneofthekeypro- jectsinCHINARE-2003.Theinvestigatedareacov- ered3000kmfromsouthtonorthand900kmfrom westtoeast.Seventemporali…     

北极阿蒙森湾一年冰物理和光学性质的观测研究

利用加拿大环极冰间水道系统研究项目,作者对2007年11月24日至2008年1月26日北极群岛阿蒙森湾海域秋冬季节一年冰的物理和光学性质进行了观测研究。结果显示,观测期间的海冰厚度整体在27～108 cm范围内变化,积雪厚度仅为0～6 cm。海冰温度、盐度和密度在冰内的分布特征为:海冰表层最低温度为–22.4℃,底层最高温度为–2.2℃,冰内温度随深度单调增大;盐度变化范围为3.30～11.70,冰内盐度剖面呈现“C”形,即表层和底层盐度较大,而中间层盐度较小;海冰的平均密度略大,为（0.91±0.03）g/cm3。通过观测人造光源在海冰中的透射辐射谱分布,发现一年冰的光谱透射辐射在490 nm和589 nm处呈明显的双峰结构,但随着海冰厚度的增加,双峰结构逐渐减弱,体现了海冰对于不同谱段辐射能衰减作用的差异。在可见光范围内,裸冰和雪覆冰的吸收率最小值出现在490 nm,在443～490 nm范围内二者的吸收率随波长增大而降低,在490～683 nm范围内二者的吸收率随波长增大而升高,但雪覆冰的吸收率在可见光范围内基本保持不变,体现了雪覆冰吸收率的光谱独立性。一年冰的谱衰减系数随波长呈“U”字形分布,紫光和红光谱段的衰减系数较大,中间谱段的衰减系数较小,589 nm波长的衰减系数最小,为1.7 m–1。将谱衰减系数在可见光范围内积分,得到一年冰的积分漫射衰减系数约为2.3 m–1,略高于多年浮冰的漫射衰减系数1.5 m–1。阿蒙森湾一年冰与加拿大海盆北部多年浮冰辐射光学性质的差异,主要源于陆源物质输入引起的海冰内含物组分的改变,而不同组分对光谱的吸收和散射性质不同,进一步导致了光学性质的整体变化。     

北极地区不同冰龄的海冰厚度变化研究

In this study, changes in Arctic sea ice thickness for each ice age category were examined based on satellite observations and modelled results. Interannual changes obtained from Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite(ICESat)-based results show a thickness reduction over perennial sea ice(ice that survives at least one melt season with an age of no less than 2 year) up to approximately 0.5–1.0 m and 0.6–0.8 m(depending on ice age) during the investigated winter and autumn ICESat periods, respectively. Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System(PIOMAS)-based results provide a view of a continued thickness reduction over the past four decades. Compared to 1980 s, there is a clear thickness drop of roughly 0.50 m in 2010 s for perennial ice. This overall decrease in sea ice thickness can be in part attributed to the amplified warming climate in north latitudes. Besides, we figure out that strongly anomalous southerly summer surface winds may play an important role in prompting the thickness decline in perennial ice zone through transporting heat deposited in open water(primarily via albedo feedback) in Eurasian sector deep into a broader sea ice regime in central Arctic Ocean. This heat source is responsible for enhanced ice bottom melting, leading to further reduction in ice thickness.     

The physical structures of snow and sea ice in the Arctic section of 150°-180°W during the summer of 2010

The physical structures of snow and sea ice in the Arctic section of 150°-180°W were observed on the basis of snow-pit, ice-core, and drill-hole measurements from late July to late August 2010. Almost all the investigated floes were first-year ice, except for one located north of Alaska, which was probably multi-year ice transported from north of the Canadian Arctic Archipelago during early summer. The snow covers over all the investigated floes were in the melting phase, with temperatures approaching 0℃ and densities of 295-398 kg/m3 . The snow covers can be divided into two to five layers of different textures, with most cases having a top layer of fresh snow, a round-grain layer in the middle, and slush and/or thin icing layers at the bottom. The first-year sea ice contained about 7%-17% granular ice at the top. There was no granular ice in the lower layers. The interior melting and desalination of sea ice introduced strong stratifications of temperature, salinity, density, and gas and brine volume fractions. The sea ice temperature exhibited linear cooling with depth, while the salinity and the density increased linearly with normalized depth from 0.2 to 0.9 and from 0 to 0.65, respectively. The top layer, especially the freeboard layer, had the lowest salinity and density, and consequently the largest gas content and the smallest brine content. Both the salinity and density in the ice basal layer were highly scattered due to large differences in ice porosity among the samples. The bulk average sea ice temperature, salinity, density, and gas and brine volume fractions were-0.8℃, 1.8, 837 kg/m3 , 9.3% and 10.4%, respectively. The snow cover, sea ice bottom, and sea ice interior show evidences of melting during mid-August in the investigated floe located at about 87°N, 175°W.     

基于高光谱遥感的渤海海冰厚度半经验模型

Sea ice thickness is one of the most important input parameters for the prevention and mitigation of sea ice disasters and the prediction of local sea environments and climates. Estimating the sea ice thickness is currently the most important issue in the study of sea ice remote sensing. With the Bohai Sea as the study area, a semiempirical model of the sea ice thickness(SEMSIT) that can be used to estimate the thickness of first-year ice based on existing water depth estimation models and hyperspectral remote sensing data according to an optical radiative transfer process in sea ice is proposed. In the model, the absorption and scattering properties of sea ice in different bands(spectral dimension information) are utilized. An integrated attenuation coefficient at the pixel level is estimated using the height of the reflectance peak at 1 088 nm. In addition, the surface reflectance of sea ice at the pixel level is estimated using the 1 550–1 750 nm band reflectance. The model is used to estimate the sea ice thickness with Hyperion images. The first validation results suggest that the proposed model and parameterization scheme can effectively reduce the estimation error associated with the sea ice thickness that is caused by temporal and spatial heterogeneities in the integrated attenuation coefficient and sea ice surface. A practical semi-empirical model and parameterization scheme that may be feasible for the sea ice thickness estimation using hyperspectral remote sensing data are potentially provided.