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。     

基于遥感影像的北极海冰厚度和密集度分析方法

基于2003年7月至9月中国第二次北极科学考察所获取的大量海冰影像资料,完成了走航期间74.11°N-79.56°N,144.17°W-169.95°W范围内海冰厚度和密集度的提取。本文总结了从船侧录像中提取冰/雪厚度以及从航拍图像中提取冰密集度的方法,并描述了提高所取参数可靠性应采取的分析技术和现场调查的处理措施。本文方法具有一定的普适性,可以应用到渤海海冰和极地海冰的研究中。     

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,最后结合近年海冰浮标的应用情况,从技术发展和研究目标等方面讨论了极地海冰浮标未来发展的方向与趋势.     

基于多时序遥感数据的中山站附近地区海冰监测及雪龙船航迹特点分析

极地海冰是全球气候系统的重要组成部分,具有一定的季节和年际变化,它对极地科学考察有着重要影响。本文利用MODIS L1B级数据,经监督分类提取冰雪二值图并计算海冰面积,分析2000—2014年中山站附近地区的海冰的季节性和年际变化;结合Landsat影像及雪龙船航迹数据,分析2007—2012年雪龙船到达中山站的航迹特点,为极地科学考察提供参考。研究结果表明,2000—2014年中山站附近地区海冰年际变化规律大体一致,且在每年8月至次年3月有明显的季节性变化规律——海冰面积在9月底10月初达到最大值,在2月中下旬达到最小值;雪龙船到达中山站时间为该地区海冰融化的初期,其航迹特点与海冰分布密切相关。     

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。     

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...     

北极科学考察计划简介

北极是全球变化最敏感的地区之一。由于全球变暖,北冰洋在最近几十年发生了明显的异常变化,对全球和我国气候都产生了重要影响。深入、持续地研究北极的海洋与海冰过程,探讨海洋与海冰变异对全球以及我国气候的影响成为当务之急。2007—2008国际极地年期间,在北冰洋中心区以及北极太平洋和大西洋扇区等关键海区,依托“雪龙”号破冰考察船,组织2008和2009年两个夏季航次的多国联合考察,参加其他国家的航次考察,系统观测海洋、海冰和大气变化,研究北极海洋和海冰快速变化对我国及全球气候系统的影响。1目的意义我国是北半球国家,处于中纬度地…     

2009年春夏季北极海冰运动及其变化监测

极地海冰对全球气候变化具有指示作用,北极海冰监测对全球气候环境变化研究意义重大。利用中国第3次北极科学考察（CHINARE-2008）长期冰站获取的海冰物质平衡浮标数据和MODIS影像对北极海冰运动及其变化进行监测。结果表明MODIS影像分类得到的海冰密集度效果较好,海冰与海水之间界线清晰。4月16日至30日长期冰站在自西北向东南的漂移过程中,海冰逐渐分裂,密集度下降,速度总体上不断减小。4月30日至5月19日期间海冰密集度变化比较大,尤其是5月8日,海冰密集度突然升高。结合对漂移轨迹的分析发现,这可能是受大风、洋流等因素影响,海冰产生回旋运动导致的。5月19日至7月6日海冰密集度上升,在格陵兰岛附近海冰运动受地形影响产生聚集现象,因此在该区域海冰密集度呈现上升趋势。     

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。     

南极海冰问题评述:观测

海冰通过其对地面反照率的作用以及对大气和海洋之间热交换的局地障碍和对世界海洋环流的作用在全球热平衡和气候变化中起着重要的作用。南极海冰又因其极为显著的时空变化引起越来越多的关注。海冰的观测是海冰研究的重要内容 ,本文综述了南极海冰观测的发展过程 ,着重介绍了卫星在探测南极海冰方面的重要进展 .     

The research of Polar sea ice and its role in climate change

As an important part of global climate system,the Polar sea ice is ef fecting on global climate changes through ocean surface radiation balance,mass balance,energy balance as well as the circulating of sea water temperature and salinity.Sea ice research has a centuries-old history.The many correlative sea ice projects were established through the extensive international cooperation d uring the period from the primary research of intensity and the bearing capacity of sea ice to the development of sea/ice/air coupled model.Based on these rese arches,the sea ice variety was combined with the global climate change.All res earch about sea ice includes:the physical properties and processes of sea ice a nd its snow cover,the ecosystem of sea ice regions,sea ice and upper snow albe do,mass balance of sea ice regions,sea ice and climate coupled model.The simu lation suggests that the both of the area and volume of polar sea ice would be r educed in next century.With the developing of the sea ice research,more scient ific issues are mentioned.Such as the interaction between sea ice and the other factors of global climate system,the seasonal and regional distribution of pol ar sea ice thickness,polar sea ice boundary and area variety trends,the growth and melt as well as their influencing factors,the role of the polynya and the sea/air interactions.We should give the best solutions to all of the issues in future sea ice studying.     

北冰洋海冰/气候系统及其对全球气候的影响

结合前人对北冰洋海冰、气候系统的研究成果和 1 999年 8月在北冰洋对海冰的现场观测 ,本文综述了海冰分布、厚度的变化 ,海冰表面特征、积雪变化及北冰洋天气、气候特征和分区。讨论了北极海冰与南极海冰的差异。文章认为 ,北冰洋与周围地区气候变化趋势的不一致 ,主要是由于夏季在北冰洋海冰与开阔水域的相间分布、海冰漂移、融化吸热 ,均衡了周围大气、海洋温度的变化。     

Definition of Arctic and Antarctic Sea Ice Variation Index

It is well known that varying of the sea ice not only in the Antarctic but also in the Arctic has an active influence on the globe atmosphere and ocean. In order to understand the sea ice variation in detail, for the first time, an objective index of the Arctic and Antarctic sea ice variation is defined by projecting the monthly sea ice concentration anomalies poleward of 20°N or 20°S onto the EOF (empirical orthogonal function)-1 spatial pattern. Comparing with some work in former studies of polar sea ice, the index has the potential for clarifying the variability of sea ice in northern and southern high latitudes.     

南极海冰遥感现场对比实验

南极海冰区是影响全球气候 -环境变化的关键区域之一 ,卫星遥感资料是获取大区域海冰地球物理特征参数的最有效的手段。但是 ,在南半球晚冬-初春期间 ,卫星遥感反演的海冰资料的误差较大 ,精度较低。 2 0 0 3年 9- 1 0月 ,由澳大利亚南极局组织 ,包括中国等 7个国家 ,1 4个研究单位的科学家参加 ,以澳大利亚破冰船“南极光号”为现场工作平台 ,在东南极季节海冰带 ,通过与美国宇航局 (NASA)、日本宇宙开发促进会合作开展的卫星、飞机、船、冰站立体联合观测 ;对AMSR E等卫星遥感产生的海冰地球物理参数 (海冰密集度、雪盖厚度、海冰物理温度等 )进行地面详细验证 ,建立遥感数据与地面实测数据的统计关系 ,以发现各种卫星资料反演算式的使用范围和局限性 ,为改进卫星资料反演算式提供依据。     

基于改进FCLS算法的南极海冰密集度估算及算法比较

海冰具有良好的热力隔绝效应,它通过影响海洋和大气的热交换进而影响全球的气候变化。海冰密集度是极区海冰研究的重要指标之一。为实现高空间分辨率多类型海冰密集度的估算,本文将亮温极化梯度率和光谱梯度率引入基于全约束最小二乘法(fully constrained least squares,FCLS)的海冰密集度估算方法,并利用南极海冰过程与气候计划(Antarctic Sea Ice Processes and Climate,ASPe Ct)对改进方法的精度进行验证,然后与NASA Team2(NT2)算法和ARTIST Sea Ice(ASI)算法获得的海冰密集度结果进行了对比分析。结果显示,3种算法中本研究的方法精度最高,全年均方差13.8%,偏差为-0.7%;改进的方法对多年冰的估算精度优于一年冰。     

利用高支链类异戊二烯(HBIs)重建极地海冰的研究进展

海冰的准确重建对反演气候和环境变化具有重要意义。近期研究表明,有机指标高支链类异戊二烯(HBIs)具有重建极地海冰状况的潜质,海洋沉积物中具有海冰特异性的单烯HBI(IP_(25))和双烯HBI(IPSO_(25))指标已分别成为研究北极和南极海冰变化的有力工具。本文综述了IP_(25)、IPSO_(25)的提出和验证,分析了影响HBIs生成、迁移和埋藏的诸多因素,总结了为实现精细化区分海冰状况和定量化重建海冰密集度而提出的新指标的发展及应用,并就目前存在的问题和未来研究方向进行了探讨和展望。     

High resolution simulations of Arctic sea ice, 1979–1993

To evaluate improvements in modelling Arctic sea ice, we compare results from two regional models at 1/12° horizontal resolution. The first is a coupled ice-ocean model of the Arctic Ocean, consisting of an ocean model (adapted from the Parallel Ocean Program, Los Alamos National Laboratory [LANL]) and the "old" sea ice model. The second model uses the same grid but consists of an improved "new" sea ice model (LANL/CICE) with a simple ocean mixed layer. Both models are forced with European Centre for Medium-range Weather Forecasts reanalysis data for 1979–1993. A comparison of the two sea ice models focuses on the winter of 1987 to emphasize the internal ice stress and to minimize biases towards a particular Arctic climate regime. The "new" sea ice model gives improved ice deformation and drift fields. These improvements are associated at least in part with the multi-category representation of the ice thickness distribution and more realistic parameterization of the ice strength. Long, narrow features in ice divergence and shear fields resemble those observed in SAR imagery, except that their average width is overestimated, possibly due to insufficient horizontal resolution. We also compare the mean sea ice drift and its decadal variability in two "old" sea ice models at different horizontal resolutions: 18-km and 9-km. We find no significant change in ice drift between the two models, except in areas of significant ice-ocean interactions due to more realistic ocean currents and water mass properties in the 9-km model.     

极地冰雪氢氧同位素指标及其指示意义

本文综述了水汽来源状况、降水季节变化、火山喷发、太阳活动等气候环境因素对极地冰雪中同位素含量的可能影响及其程度 ,以及降水区域不均衡性、降水年际不均衡性、逆温层和同位素在冰雪中的扩散迁移作用等几种不稳定因素可能对冰雪同位素分析造成的干扰 ;在此基础上 ,综述了极地冰雪中δ1 8O、δD和其差值d(d =δD - 8δ1 8O)与局部或全球气温之间的一些线性关系 (包括全球尺度 ,格陵兰地区 ,南极地区等 )及它们在空间分布上的变化规律     

Role of sea ice in air-sea exchange and its relation to sea fog

Synchronous or quasi-synchronous stereoscopic sea-ice-air comprehensive observation was conducted during the First China Arctic Expedition in summer of 1999. Based on these data, the role of sea ice in sea-air exchange was studied. The study shows that the kinds, distribution and thickness of sea ice and their variation significantly influence the air-sea heat exchange. In floating ice area, the heat momentum transferred from ocean to atmosphere is in form of latent heat; latent heat flux is closely related to floating ice concentration; if floating ice is less, the heat flux would be larger. Latent heat flux is about 21 23 6 W·m -2, which is greater than sensible heat flux. On ice field or giant floating ice, heat momentum transferred from atmosphere to sea ice or snow surface is in form of sensible heat. In the floating ice area or polynya, sea-air exchange is the most active, and also the most sensible for climate. Also this area is the most important condition for the creation of Arctic vapor fog. The heat exchange of a large-scale vapor fog process of about 500000 km 2 on Aug. 21 22,1999 was calculated; the heat momentum transferred from ocean to air was about 14 8×10 9 kW. There are various kinds of sea fog, radiation fog, vapor fog and advection fog, forming in the Arctic Ocean in summer. One important cause is the existence of sea ice and its resultant complexity of both underlying surface and sea-air exchange.