海冰离散元模型的研究回顾及展望

为描述极区及副极区海冰在不同尺度下的离散分布特性,以及海冰与海洋结构相互作用过程中的破碎性能,海冰的离散单元模型从上世纪80年代发展起来并不断完善。本文将海冰离散单元模型分为地球物理尺度( ~100km)、浮冰块尺度(10m ~ 10km)和海洋结构尺度(1m ~ 100m)等三种不同尺度,讨论了不同尺度下海冰的离散分布规律或海冰由连续状态向离散状态转化的动力过程。通过对块体、圆盘和颗粒不同形态的海冰离散单元模型的介绍,对其在极区海冰的动力特性、海冰重叠堆积及其与波浪的作用过程、海冰与海洋结构的相互作用中的应用进行了分析,对海冰强度的尺度效应进行了讨论。最后,讨论了海冰离散单元模型中存在的问题和重点研究内容。     

南极中山站近岸海冰生态学研究Ⅳ.海冰营养盐浓度的季节变化及其与生物量

对１９９２年４月至１２月间中山站近海岸海冰营养盐状史以及与生物量的关系进行了分析,为了能与海水中的营养盐进行对比,对海冰融化样的营养盐数据进行了同期冰下海水表层协度的校正。结果显示,海冰中多数层次的硝酸盐浓度低于水下表层海水的浓度,而磷酸盐和硅酸盐浓度则正好相反,亚硝酸盐浓度在观测期间均高于冰下表层海水的浓度。     

利用海洋(HY-2)卫星微波辐射计数据反演北极区域海冰密集度

HY-2是中国自主研发的海洋卫星。本文研究了利用HY-2卫星微波扫描辐射计亮温数据反演北极海冰密集度的方法。参考NASA TEAM方法,我们对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析,确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值;利用天气滤波器有效去除了开阔海域由于大气中水蒸气、云中液态水、降雨等现象引起的海冰密集度计算错误。本文计算了2012年全年的北极海冰密集度产品,并对产品精度进行了初步验证,验证结果表明:三个海冰类型已知区域的海冰密集度结果与理想值比较接近,多年冰密集度的反演精度需要进一步提高。本文结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。本研究为利用HY-2卫星监测极区海冰密集度变化,发布实时产品奠定了基础。     

利用HY-2微波辐射计数据反演北极区域海冰密集度方法研究

HY-2是中国自主研发的海洋卫星。 本文研究了利用HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演北极海冰密集度的方法。参考NASA TEAM方法,我们对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析,确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值;利用天气滤波器有效去除了开阔海域由于大气中水蒸气、云中液态水、降雨等现象引起的海冰密集度计算错误。本文计算了2012年全年的北极海冰密集度产品并对产品精度进行了初步验证,验证结果表明：三个海冰类型已知区域的海冰密集度结果与理想值比较接近,多年冰密集度的反演精度需要进一步提高;本文结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。本研究为利用HY-2卫星监测极区海冰密集度变化,发布实时产品奠定了基础。     

极地海冰浮标的现状与应用综述

海冰是气候系统的一个重要组成要素,原位观测是获取海冰特征参数以及开展海冰变化研究的重要手段.本文主要对以海冰为目标和平台的极地浮标的发展与应用进行综合阐述,简述了国际北极浮标计划和国际南极浮标计划的发展情况,以七种常用的浮标对极区海冰、大气和上层海洋等物理参数的监测为例归纳总结了海冰浮标的系统特性和技术特点,最后结合近...     

南极和北极地区变化对全球气候变化的指示和调控作用——第四次IPCC评估报告以来一些新认知

政府间国际气候变化专门委员会（IPCC）2007年发布了第4次评估报告后,全球气候变化问题再次成为国际社会、科技界和社会公众关注的焦点之一,并迅速成为了一个重要的国际科学和政治议题。 2007年以来,尤其是第4次国际极地年的实施,越来越多的观测和研究事实表明,北极和南极地区正在出现快速地变化着,这些变化也正在从量上到质量变化,当在跨越这种变化的阈门时,可能出现：北冰洋会在2040年前后出现夏季无海冰所引起的北半球大范围的持续暴雪的寒冷冬季;2050年左右南极上空臭氧空洞可能消失并恢复到上世纪80年代水平,南极地区可能会快速升温并引起东南极冰盖和海冰快速融化,使海平面升高加速;极区海水温度快速升高会驱动极区表层海洋和上覆大气之间CO2分压平衡加速,极区海洋也会大量吸收大气CO2,并诱发海水酸化及对极区生态系统产生不可逆的破坏。因此,南极和北极地区的快速变化,正在扮演对全球气候变化的指示和调控作用。     

极地海洋环境评价理论与方法初探

极地海洋环境评价对于极地海洋生态系统保护尤为重要。由于对极地极端恶劣环境的监测能力不足,缺乏长期连续监测数据,极地海洋环境评价变得异常困难。针对目前极地海洋环境评价目标和评价因子均缺乏的情况,在已有文献基础上,本文提出了海水表层叶绿素浓度、海冰覆盖范围、海水表层温度和盐度四个极地海洋环境决定因子,分析了海冰覆盖范围与月份之间高度拟合的三次多项式分布关系,并在此基础上构建了极地海洋环境评价模型,最后提出了一种验证该模型的方法。基于第30、31、32次南极科考获取的海水表层叶绿素浓度、温度、盐度数据以及美国国家冰雪数据中心提供的对应时间内的海冰覆盖范围数据对提出的评价模型和方法进行了验证,实验结果表明:该评价模型及其验证方法具有有效性,根据评价结果能判定某个时间段内极地海洋环境相对于基准时间的变化趋势。     

不同月海冰边界提取算法对南极海冰变化的影响分析

海冰与海水的交界地带是海-冰-气相互作用的重要区域,其变化会影响海洋生物栖息地的联通状态和海洋、大气的交换,确定海冰边界对于分析海冰动态变化具有重要意义[1-2]。被动微波传感器为长期监测海冰变化提供了大尺度的连续观测数据。从经典统计、随机集理论出发,应用三种由被动微波日均海冰密集度数据提取月均海冰边界的方法,分析三种月均边界的差异,以及不同月均边界提取方法对海冰长期变化分析的影响。     

基于SAR图像纹理的北极海冰厚度的反演研究

基于七景北极Radarsat-2 SAR图像以及中国第六次北极科学考察走航期间利用船侧录像观测获得的平整冰厚度数据,通过灰度共生矩阵计算纹理,确定了最适合反演海冰厚度的纹理参数。并分析了海冰厚度与纹理之间的相关关系,探讨了纹理反演海冰厚度的可能性。选取了最合适的纹理特征进行拟合,并利用所得经验方程进行反演验证,结果与实测数据吻合较好,平均相对误差13.7%。与传统的仅依靠后向散射系数反演海冰厚度进行对比,新方法的误差更小,证明了纹理特征反演冰厚的优势。     

南极中山站近岸海冰生态学研究 Ⅳ.海冰营养盐浓度的季节变化及其与生物量的关系

对１９９２年４月至１２月间中山站近岸海冰营养盐状况以及与生物量的关系进行了分析。为了能与海水中的营养盐进行对比,对海冰融化样的营养盐数据进行了同期冰下海水表层盐度的校正。结果显示,海冰中多数层次的硝酸盐浓度低于冰下表层海水的浓度,而磷酸盐和硅酸盐浓度则正好相反,亚硝酸盐浓度在观测期间均高于冰下表层海水的浓度。海冰营养盐浓度无明显的变化规律,呈现较大的波动,它可以是冰下表层海水的数分之一直至高出一个数量级,除显著的冰底水华期外并不构成冰藻生长的限制因素。海冰营养盐的分布与叶绿素ａ含量无明显的相关性。     

孤立冰块流拖曳系数的优化辨识

流拖曳系数是海冰动力学模型中的重要参数,实际海冰运动时受到水流的底面剪切作用和侧面正压力作用,相应的拖曳系数分别为摩拖曳系数和形拖曳系数。利用实验室波流水槽设备,对长方平底、长方粗糙底和圆饼型淡水冰试样进行拖曳运动试验,获得26组冰样运动数据。根据这些试验数据,利用动量法原理和数学优化方法构造了摩拖曳系数和形拖曳系数的辨识模型,将摩拖曳系数和形拖曳系数两项分开。在此基础上,分析了冰样粗糙度指标(支承长度率和冰厚均方根偏差)对这两个系数的影响；发现了摩拖曳系数同冰样水平尺寸和垂直尺寸之比的关系,该关系能将冰山和浮冰的摩拖曳系数归结到同一条曲线上。     

电磁感应技术在波罗的海海冰厚度探测中的应用研究

海冰作为冰雪圈的重要组成部分,对气候变化十分敏感,海冰物理过程研究需要得到精确的海冰厚度。本文介绍一种能够高效探测海冰厚度的电磁感应方法及其在波罗的海(Baltic Sea)的成功应用。该技术方法针对海冰和海水的电特性,利用电磁感应原理精确探测仪器至冰水交界面的距离,以实现海冰厚度的测定。通过电磁感应(EM)仪直接观测的视电导率与同点位钻孔测量数据对比分析,获得视电导率与海冰厚度的转换关系式,并对通过该关系式计算出的海冰厚度进行验证,表明电磁感应技术能够获得可靠的海冰厚度数据,平均相对误差仅为12%。对波西尼亚海湾(Bothnian Bay)海冰厚度探测剖面的统计结果表明,2007年春季该区域平整冰厚度范围在0.4-0.6m之间。     

基于无人机观测的北极冰面融池及冰面粗糙度信息提取方法研究

北极冰面融池对于研究北极海冰质量平衡、海洋混合层热收支和盐量收支等具有重要意义。为了获得准确的融池覆盖率,本研究提出了一种利用无人机进行北极海冰融池及冰面粗糙度信息提取的方法。在第7次中国北极科学考察期间,利用无人机获取加拿大海盆周边浮冰区冰面航拍影像,针对海冰航拍图像特殊性改进了基于暗原色先验的图像去雾算法,对拼接后的航拍图像进行融池识别,计算得到航拍区域的融池覆盖率。同时利用航拍影像三维建模得到海冰表面相对高程和冰面粗糙度,继而对融池覆盖率和海冰表面粗糙度分布规律进行研究。结果表明,在本次航拍区域,海冰粗糙度大的区域具有更多小面积的融池,而融透的、面积大的融池多出现在粗糙度小的平整冰区。     

Sea ice thickness measurement in spring season in Bothnian Bay using an electromagnetic induction instrument

As an important component of the cryosphere,sea ice is very sensitive to the climate change.The study of the sea ice physics needs accurate sea ice thickness.This paper presents an electromagnetic-induction(EM) technique which can be used to measure the sea ice thickness distribution efficiently,and the successful application in Bothnian Bay.Based on the electromagnetic field theory and the electrical properties of sea ice and seawater,EM technique can detect the distance between the instrument and the ice/water interface accurately,than the sea ice thickness is obtained.Contrastive analysis of the apparent conductivity data obtained by EM and the value of drill-hole at same positions allows a construction of a transformable formula of the apparent conductivity to sea ice thickness.The verification of the sea ice thickness calculated by this formula indicates that EM technique is able to get reliable sea ice thickness with average relative error of only 12%.The statistic of all ice thickness profiles shows that the level ice distribution in Bothnian Bay was 0.4-0.6 m.     

Surface reflectance of sea ice and under-ice irradiance in Kongsfjorden, Svalbard

Initial results from a field experiment on fast ice in Kongsfjorden, Svalbard, in March 2002 are presented. We measured surface reflectance and under-ice irradiance using an advanced, portable spectroradiometer sensitive in the visible and near-infrared parts of the electromagnetic spectrum, i.e. 350-1100 nm. Under-ice irradiance (UV-A, UV-B and photosynthetically active radiation [PAR]) was measured down to depths of 7.5 m by vertical profiling using a six-channel radiometer. We also present model results of wavelength-dependent transmittance of radiation through a combined snow and sea ice layer for various thicknesses of snow. Model results show that the snow and sea ice is more transparent for solar radiation in the PAR region (400-700 nm) than at shorter and longer wavelengths. This is confirmed by the field measurements. Even very thin snow layers on top of the sea ice efficiently prevent solar radiation from penetrating the snow–sea ice system. For example, a 5 cm thick snow layer reduces under-ice irradiance in the PAR region with a factor of about 10. Measurements of under-ice UV irradiance show that both UV-A and UV-B irradiance is reduced with a factor of more than 10 at depths of 7.5 m below the ice compared to at the ice-sea water interface.     

基于MODIS数据估算晴空陆地光合有效辐射

陆-气圈层物质与能量交换的核心过程是植物的光合作用,而光合有效辐射则是影响光合作用过程的关键因子,在不同的陆地生态系统模型中,都是重要的输入参数。作者以MODIS卫星数据为基础,反演晴空下影响光合有效辐射的大气因子参数大气可降水量、气溶胶,根据辐射传输方程从大气顶层光合有效辐射反演高分辨率陆地光合有效辐射。算法采用查找表替换辐射传输模型,使其能够对大批量、像元级的数据进行处理。将该算法应用于对华北平原的部分区域进行反演,并使用中国生态网络禹城试验站的自动测量数据对结果进行检验,最大误差在10%以内。     

北半球夏季中高纬度大气阻塞对北极海冰变化的影响

利用NCEP/NCAR再分析逐日500 h Pa高度场资料,对北半球夏季中高纬度大气阻塞特征进行统计分析,发现大气阻塞活动频率高的地区主要集中在白令海峡区域、鄂霍次克海区域、欧亚大陆区域及格陵兰区域。而通过NSIDC提供的卫星观测资料发现近30年夏季海冰容易减少的区域正好对应阻塞活动北部的高纬度地区。分别通过对以上4个区域有阻塞发生相对没有阻塞发生时的500 h Pa位势高度场、地面温度场、850 h Pa经向瞬变热通量输送和平流输送等异常变化场进行对比分析,结果发现夏季中高纬度阻塞频率的增加对海冰的减少有显著影响,主要体现在阻塞的发生发展可通过增加高纬度地面温度、对极地的热量输送和暖平流输送来加快海冰的融化。这种阻塞引起的热力作用在鄂霍次克海和欧亚大陆区域效果更为显著。     

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。     

太阳直接辐射光量子通量的气候学计算方法

为了把太阳直接辐射通量密度换算成光量子通量密度,取用了一个简单的大气模式,计算了各种太阳高度、地面气压和大气浑浊度下太阳直接辐射中的光合有效辐射能量通量和光量子通量,从而得到了单位光合有效辐射能量所具有的光量子数。结果表明:这个数是比较稳定的。在平原地区,10—90°的太阳高度范围内,1W.m~(-2)的光合有效辐射通量密度具有4.72±0.11μmol.m~(-2).s~(-1)的光量子通量密度。本文还采用北京地区四个季节定时的太阳直接辐射分光测量资料和高原观测资料检验了模式计算结果的可靠性,获得了满意的结果。