基于冰基浮标数据的2018-2019年北极海冰运动特性时空变化分析

海冰运动是影响北极海冰平流输运和物质平衡空间重新分布的重要因素。本研究基于2018年9月至2019年8月期间北冰洋66个冰基浮标位置记录数据,结合大气再分析数据,计算得到了海冰运动速度、冰速与风速的比值和海冰运动惯性强度,以刻画北极海冰运动学特征参数在一个冰季的时空变化,并讨论了不同区域冰速与风速比与海冰密集度的关联性。海冰漂移速度在波弗特–楚科奇海、东北极中央区和西北极中央区呈秋冬降低春夏升高的季节变化特征。格陵兰海月均海冰漂移速度（（0.32±0.06）m/s）最大,其次是弗拉姆海峡（（0.17±0.07）m/s）和波弗特–楚科奇海（（0.14±0.05）m/s）,而东北极中央区（（0.09±0.02）m/s）和西北极中央区（（0.07±0.03）m/s）较低。在月尺度上,冰漂移速度与风速的比值主要受海冰漂移速度支配。弗拉姆海峡和格陵兰海受较强的表层海流影响,冰速与风速比值较大,西北极中央区、东北极中央区和波弗特–楚科奇海的冰速与风速比值随着海冰密集度的增加趋近,并分布在0～0.02之间。所有浮标的月平均惯性运动指数为0.158±0.144,秋冬季过渡期间,海冰对风的响应以及海冰运...     

2013年北极最小海冰范围比2012年增加的原因分析

北极海冰范围从1979年有卫星观测资料以来呈现明显下降趋势,尤其是9月份。2012年9月北极海冰范围达到有观测记录以来的最小值,而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的区域主要在东西伯利亚海区、楚科奇海和波弗特海区。本文应用距平和经验模态分解方法,分析了美国国家冰雪数据中心的北极海冰卫星数据、欧洲预报中心的夏季底层大气环流数据和上层海洋的温度,指出2013年北极最小海冰范围比2012年在北冰洋太平洋扇区增加的原因,是由于表面气温(SAT)降低、海平面气压(SLP)升高、气旋式风场异常、表面空气中水汽含量(SH)降低以及海表面温度(SST)降低5个条件形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3个正反馈机制共同作用造成的。     

气候态下的北极海冰运动特征

利用国际北极浮冰运动观测资料(IABP)(1979-2006年),分析了年平均、季节平均和月平均的北极海冰运动特征.分析结果表明,在不同时间尺度上,都体现出北极海冰运动的两个基本特征,即反气旋式的波弗特涡和穿极漂流,但是强度有所差异.6-9月,北极上空存在一个低压系统,导致海冰出现气旋式运动,穿极漂流较弱.波弗特涡中心在1-9月由加拿大海盆逐渐退缩至海岸附近,之后又向东西伯利亚海方向移动.北极海冰运动特征与海平面气压有密切关系,但北极表层洋流的作用也是不可忽略的,尤其是弗雷姆海峡附近海域.     

北极冬季季节性海冰双模态特征分析

近年来北极海冰快速变化,北极中央区边缘正由以多年冰为主转为季节性海冰为主。通过对北极冬季季节性海冰的EOF分解发现,2002-2012年期间北极季节性海冰变化的前两模态主要体现为2005年和2007年的季节性海冰距平。其中第二模态主要体现了北极海冰在2005年的一种极端变化,而第一模态不仅体现了北极海冰在2007年的变化,还体现了北极季节性海冰的从负位相到正位相的转变。通过比较发现,在研究时段北极季节性海冰最主要的变化发生在北极太平洋扇区,在2007年,冬季季节性海冰距平发生位相转变,2007-2010年一直维持正位相,北极太平洋扇区冬季季节性海冰保持显著正距平。太平洋扇区表面温度最大异常也发生在2007年,从大气环流来看,2007年之后波弗特海区异常高压有利于夏季太平洋扇区海冰的减少,而西风急流的减弱有利于夏季波弗特海区异常高压的维持,结合夏季海冰速度,顺时针的冰速分布有利于海冰离开太平洋扇区,因而会导致冬季太平洋扇区季节性海冰转为正距平并且从2007年一直维持到2010年。     

基于合成孔径雷达遥感的北极海冰总形变率分析

基于RADARSAT地球物理处理器系统(RGPS)的北极海冰运动散度、旋度和剪切产品,本文计算了北极海冰总形变率,给出了所有RGPS产品时空覆盖范围的总形变率空间分布和时间平均总形变率大于0.01d-1的概率分布。结果表明:对整个RGPS数据库而言(时间跨度从1996年11月至2008年4月),平均总形变率为0.020 4d-1,总形变率大于0.01d-1的数据样本为总样本的45.89%。总形变率高值主要分布在近岸海域,靠近北极点附近的总形变率相对较小。北极海冰总形变率随季节变化,夏季平均总形变率及总形变率大于0.01d-1发生概率要比冬季大,其中,夏季总形变率大于0.01d-1发生概率为59%,而冬季要比夏季低18%。其可能机制主要是,夏季北极地区温度升高,形成海冰融化-破碎-更易融化-更易破碎的放大效果,导致北极海冰总形变率变大。     

1982—2001年与2002—2021年北极秋季海冰的时空变化及原因

基于北极海冰密集度、海冰范围、大气环流和海温数据,研究了1982—2001年与2002—2021年两阶段各20 a间北极秋季海冰的时空变化特征及其原因。结果表明,近20 a（2002—2021年）北极海冰密集度的下降中心由过去（1982—2001年）的楚科奇海及白令海峡一带,转移至亚欧大陆海岸的巴伦支海附近,且海冰范围每10 a减少量由0.44×10⁶ km²增长至0.72×10⁶ km²,减少速度加快约64%。秋季北极海冰范围与海水表面温度（Sea Surface Temperature,SST）、表面气温（Surface Air Temperature,SAT）及比湿（Specific Humidity）均呈显著负相关。2002—2021年的相关系数较1982—2001年有所提高,且与温度相关系数最高的月份提前了一个月。通过对海水表面温度、表面气温、比湿、气压场和风场的经验正交分解（Empirical Orthogonal Function,EOF）可知,1982—2001年间,北极地区的温度及比湿的上升中心集中在楚科奇海及白令海峡一带;2002—2021年间,上升中心则转移至巴伦支海一带。气压场和风场在前后两阶段也出现了中心转移的分布变化。北极地区大气与海洋环流各因素的协同变化影响着北极海冰的消融。     

夏季楚科奇海河水与海冰融化水组分的空间变化特征

通过对2008年夏季楚科奇海水氧同位素组成的分析,运用S、δ18 O的质量平衡关系计算出河水组分和海冰融化水组分的份额,揭示出楚科奇海河水和海冰融化水组分的空间变化规律,并探讨其影响因素。楚科奇海河水组分的份额介于1.9%~18.4%之间,呈现随深度增加而降低的趋势;河水组分积分高度的变化范围为1.3~16.6m,平均为(4.8±4.0)m。河水组分份额与积分高度均呈现东高西低、北强南弱的特征,与太平洋入流东侧为富含河水组分的阿拉斯加沿岸流、西侧为低河水组分的白令海陆架水,以及北部海域受波弗特流涡埃克曼辐聚作用的影响有关。海冰融化水份额呈现随深度增加而降低的趋势,20~30m以深受到冬季海冰形成时所释放盐卤水的明显影响。海冰融化水积分高度的变化范围为-3.2~1.7m,平均值为(-0.3±1.2)m,其空间分布呈现东低西高、南强北弱的特征,与太平洋入流输入通量的时间变化以及输入路径的西偏有关。     

基于卫星数据的北极海冰变化分析

海冰是极地气候系统重要组成部分。基于1982—2004年的卫星反照率、海冰密集度数据,选取了7个北极海域(分别位于格陵兰海、巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海及以北海域、楚科奇海及以北海域和波弗特海及以北海域)进行了研究。对比分析发现,两数据区域平均序列相关性比较高,最低相关系数为0.51,最高相关系数为0.94。格陵兰海海域和巴伦支海海域夏季海表反照率、海冰密集度较低,多为无冰海面;喀拉海域、拉普捷夫海域、东西伯利亚海及以北海域6月份海表反照率、海冰密集度较高,7、8月份海冰加速融化,海冰密集度下降明显;楚科奇海及以北海域、波弗特海及以北海域夏季海表反照率、海冰密集度较高。7个海域海表反照率、海冰密集度均呈现下降趋势,西部的楚科奇海及以北海域、波弗特海及以北海域下降速度最快,巴伦支海海域下降速度最慢。海表反照率和海冰总量的减少,对气候演变有着重要影响。     

北极高密集度冰区海冰的多时间尺度变化特征及其极端低值事件分析

利用美国冰雪中心(NSIDC)高分辨率海冰密集度等多种数据,定义了北极高密集度冰区(High concentration ice region:HCIR)海冰变化指数,在此基础上研究了1989—2017年HCIR海冰多尺度变化特征及其极端低值事件的可能形成原因。结果表明:北极HCIR海冰密集度具有显著的单峰型季节变化特征,4月密集度最高,9月密集度最低,年较差达17.70%,兼有夏季融冰期短、冬季结冰期长且持续稳定的特点。HCIR海冰存在显著的年际年代际变化,在2007年发生了年代际转折以后,海冰变化指数的年际变化幅度和频次明显加强,且在2016、2012、2007、2011、2008和2010年依次出现海冰密集度极端降低事件;2016年9月初HCIR海冰密集度达到历史最低值,接近50%。对HCIR海冰密集度极端低值事件的统计研究表明,29年间共出现874天(次)极端低值事件,约占总频次的8%;空间上海冰密集度的降低主要出现在沿HCIR边界线一带,存在巴伦支海-喀拉海北缘的斯瓦尔巴群岛-北地群岛和东西伯利亚-波弗特海两个中心区域,该空间分布与气旋式大气环流引起的北冰洋Ekman漂流的辐散分布相一致。这表明HCIR海冰密集度的极端降低与极涡的动力作用有关,同时风场对海冰的动力辐散作用还会引起HCIR开阔水域的扩大,进一步加强海冰反照率的正反馈机制,使得热力和动力作用耦合起来共同影响HCIR海冰的加速融化。     

北极楚科奇海海冰面积多年变化的研究

北极气候系统正在发生显著变化,其中,海冰面积和厚度的减小是其最主要的特征.楚科奇海是海冰面积变化最有代表性的区域.文章利用积累了9a的高分辨率海冰分布数据研究海冰面积的多年变化特征.结果表明,各年的冰情有显著的季节内变化,海冰面积距平曲线体现了不同时期海冰面积变化的动态过程.在1997~2005年间,楚科奇海海冰面积经历了轻(1997年)-重(2000~2001年)-轻(2002~2005年)的变化过程.9a的数据总体上体现了海冰面积减小的趋势,2005年的冰情呈现了历史新低.每年融冰期的长短与冰情轻重有密切的关系,冰轻年份融冰开始时间早,冻结结束时间晚.各年海冰面积最小值发生在9月下旬至10月初,各个年份海冰最小面积差别很大.有的年份只有4%,而重冰年可以大于50%.文章采用4个重要参数表达海冰多年变化.其中海冰面积指数反映了当年总体平均的海冰面积距平;海冰最小面积反映了融冰期海冰的极限情况;上一个冬季的气温积温也与翌年海冰面积有良好的关联;分析了风场对海冰的影响,表明风场在融冰期能够在短时间内改变海冰的覆盖面积.     

楚科奇海海冰周年变化特征及其主要关联因素

利用1999年美国国家冰雪资料中心的各种卫星遥感综合分析数据对楚科奇海海冰周年变化进行详细分析，将全年的海冰变化过程分成密集冰封期、东岸融化期、单湾结构期、双湾结构期、三湾结构期、全线北撤期、南进封闭期、全面冻结期8个阶段。海冰冻结期仅2个月，海冰融化期持续4～5个月，说明融冰过程的吸热是个漫长的过程。太平洋与北冰洋海面高度差形成的正压压强梯度力是白令海水进入北冰洋的主要动力，白令海水进入冰下形成的暖水海冰边缘区是海冰融化的重要机制。白令海水在楚科奇海扩散过程受到海底地形产生的Taylor柱效应的显著影响，使其产生绕过浅滩，沿海谷流动，在海谷的方向上输送更多的水体和热量的现象，形成海冰融化的湾状结构。楚科奇海的局地风场也是海冰形态变化的重要因素之一。局地风场在冬季阻碍白令海水的入流，而在夏季促进白令海水的入流。     

北极各海域海冰覆盖范围的变化特征

Sea ice in the Arctic has been reducing rapidly in the past half century due to global warming.This study analyzes the variations of sea ice extent in the entire Arctic Ocean and its sub regions.The results indicate that sea ice extent reduction during 1979–2013 is most significant in summer,following by that in autumn,winter and spring.In years with rich sea ice,sea ice extent anomaly with seasonal cycle removed changes with a period of 4–6 years.The year of 2003–2006 is the ice-rich period with diverse regional difference in this century.In years with poor sea ice,sea ice margin retreats further north in the Arctic.Sea ice in the Fram Strait changes in an opposite way to that in the entire Arctic.Sea ice coverage index in melting-freezing period is an critical indicator for sea ice changes,which shows an coincident change in the Arctic and sub regions.Since 2002,Region C2 in north of the Pacific sector contributes most to sea ice changes in the central Aarctic,followed by C1 and C3.Sea ice changes in different regions show three relationships.The correlation coefficient between sea ice coverage index of the Chukchi Sea and that of the East Siberian Sea is high,suggesting good consistency of ice variation.In the Atlantic sector,sea ice changes are coincided with each other between the Kara Sea and the Barents Sea as a result of warm inflow into the Kara Sea from the Barents Sea.Sea ice changes in the central Arctic are affected by surrounding seas.     

西北冰洋表层沉积物中生源和陆源粗组分及其沉积环境

通过中国第1至第3次北极科学考察在北冰洋西部所采集的99个表层沉积物中生源与陆源粗组分的分析,研究了该海域表层生产力的变化,有机质来源以及陆源粗颗粒物质的输入方式和影响因素.研究区域生源组分所反映的表层生产力变化与通过白令海峡进入楚科奇海的3股太平洋洋流密切相关.楚科奇海西侧高盐高营养盐的阿纳德尔流流经区域,表层生产力...     

大气环流优势模态对北极海冰变化的响应Ⅰ.北极涛动

利用美国冰雪中心海冰密集度数据,分析了1979-2012年北极海冰面积的时间变化特征,发现北极海冰具有显著的年代际变化特征,分别在1997和2007年前后存在两次年代际转型突变点,相应的大气环流优势模态——北极涛动(AO)也存在显著的时空变化。1979-1996年阶段海冰下降趋势较弱并以较强的年际振荡为主,AO模态较强且显示出低频振荡特征;1997-2006年阶段北极海冰快速减退趋势占优,同时伴随着较弱的年际振荡,AO模态减弱且振荡周期缩短;2007-2012年阶段海冰范围较快下降同时具有极强的年际振荡,方差变化是前两个阶段的2~3倍,AO不仅强度加强,空间结构也发生了变化,极涡中心分别向格陵兰岛和白令海峡一侧延伸,这种结构有利于极地冷空气入侵欧洲和北美。利用ECHAM5大气模式进行的数值试验结果也证实了较强振荡的海冰强迫对AO模态的改变具有决定作用。     

Severe winter weather as a response to the lowest Arctic sea-ice anomalies

Possible impact of reduced Arctic sea-ice on winter severe weather in China is investigated regarding the snowstorm over southern China in January 2008. The sea-ice conditions in the summer （July-September） and fall （September-November） of 2007 show that the sea-ice is the lowest that year. During the summer and fall of 2007, sea ice displayed a significant decrease in the East Siberian, the northern Chukchi Sea, the western Beaufort Sea, the Barents Sea, and the Kara Sea. A ECHAM5.4 atmospheric general circula- tion model is forced with realistic sea-ice conditions and strong thermal responses with warmer surface air temperature and higher-than-normal heat flux associated with the sea-ice anomalies are found. The model shows remote atmospheric responses over East Asia in January 2008, which result in severe snowstorm over southern China. Strong water-vapor transported from the Bay of Bengal and from the Pacific Ocean related to Arctic sea-ice anomalies in the fall （instead of summer） of 2007 is considered as one of the main causes of the snowstorm formation.     

2007和2012年北极最小海冰范围空间分布不同的原因分析

Satellite records show the minimum Arctic sea ice extents(SIEs) were observed in the Septembers of 2007 and2012, but the spatial distributions of sea ice concentration reduction in these two years were quite different.Atmospheric circulation pattern and the upper-ocean state in summer were investigated to explain the difference.By employing the ice-temperature and ice-specific humidity(SH) positive feedbacks in the Arctic Ocean, this paper shows that in 2007 and 2012 the higher surface air temperature(SAT) and sea level pressure(SLP)accompanied by more surface SH and higher sea surface temperature(SST), as a consequence, the strengthened poleward wind was favorable for melting summer Arctic sea ice in different regions in these two years. SAT was the dominant factor influencing the distribution of Arctic sea ice melting. The correlation coefficient is –0.84 between SAT anomalies in summer and the Arctic SIE anomalies in autumn. The increase SAT in different regions in the summers of 2007 and 2012 corresponded to a quicker melting of sea ice in the Arctic. The SLP and related wind were promoting factors connected with SAT. Strengthening poleward winds brought warm moist air to the Arctic and accelerated the melting of sea ice in different regions in the summers of 2007 and 2012. Associated with the rising air temperature, the higher surface SH and SST also played a positive role in reducing summer Arctic sea ice in different regions in these two years, which form two positive feedbacks mechanism.     

白令海峡夏季流量的年际变化及其成因

白令海峡是连接太平洋和北冰洋的唯一通道,穿过海峡的海水体积通量在年际尺度上的变化主要取决于海峡南北两侧的海面高度差,白令海峡的入流对北冰洋海洋过程有重要的意义。利用SODA资料计算夏季白令海峡海水体积通量,对其年际变化及成因进行分析。结果表明夏季白令海峡的体积通量主要是正压地转的;当体积通量为正距平时,楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海以及波弗特海南部海面高度为负距平,同时,白令海陆架海面高度为正距平;对这些海域的Ekman运动、上层海洋温度、盐度和垂直流速进行分析,发现海面高度异常与海峡体积通量的这种关系主要是与海面气压异常分布所产生的Ekman运动有关。当白令海峡的体积通量为正距平时,北冰洋中央海面气压为正距平,白令海海盆海面气压为负距平。这种气压的异常分布在一定程度上解释了上层海洋运动、海水温盐结构与白令海峡入流的关系,从而把夏季大尺度大气环流和白令海峡体积通量的年际变化联系了起来。