北冰洋中央密集冰区海冰对太阳短波辐射能吸收的观测研究

太阳辐射能是海冰融化的最主要能源,基于在2008年8月21～27日北极加拿大海盆中部为期8天的冰站考察中海冰光学观测数据,研究了北冰洋中央密集冰区海冰吸收的太阳辐射能.通过现场直接观测,确定了海冰透射率、反照率、吸收率及其随冰厚的变化,得出海冰对太阳短波辐射的吸收率大约为到达冰面太阳辐射的16%,大部分被冰雪表面反射.为期3天的对太阳辐射的观测表明,虽然到达北冰洋中央密集冰区的太阳辐射能并不少,但由于云和雾覆盖的时间所占的比例很大,有将近57%被大气削弱,其余的又有77%左右被冰雪表面反射回太空,海冰吸收的热量只有10.2W/m2,相当于每天融化2.6mm的冰,1m厚海冰全部融化需要380天,不足以为海冰融化提供足够的热量.因此北冰洋中央密集冰区终年被海冰覆盖,即使在北冰洋海冰面积骤减的现状下,那里的海冰密集度仍然接近100%.然而,文章的结果指出:大气中云和雾大幅度减少、积雪层融化、海冰厚度减小、融池的比例增加等因素都会大幅度增加海冰吸收的热量,未来这些过程的发生有可能导致北冰洋密集冰区的海冰快速融化.     

北极楚科奇海海冰特征研究——以1999年夏季为例

对北冰洋楚科奇海海冰分布、厚度、气/冰/海界面温度场观测,钻取海冰冰芯,观测冰结构的变化,发现3种海冰组合结构: 1)表面融化型; 2)表面和底部融化型; 3)整体融化型. 海冰结构形成的热力学过程为:在气/冰界面上,海冰上表面吸收辐射能使冰体升温,出现表面融化; 在冰/海水界面上,海冰盘与开阔水域的相间分布、相对运动,将周围温度较高的水体输送到海冰的底部,加热、融化海冰底部; 冰体升温,冰晶间盐水膜首先融化,分离冰晶,破坏海冰整体结构. 冰的相变吸热,使其温度维持在融点, 这些过程均衡了夏季北冰洋的温度变化.     

楚科奇海融冰过程中的海水结构研究

楚科奇海是北冰洋的陆架海,中部凸起的Herald浅滩对海水流动和海冰融化过程有显著影响。利用我国1999年夏季北冰洋考察数据,讨论了楚科奇海海冰融化过程中的海水结构。结果表明,海区内存在2个相继进入的水团,一个是海冰覆盖期进入的阿纳德尔水(AW),具有低温、高盐、高硅酸盐的特点;另一个是海冰融化后进入的白令海陆架水(BSW),具有高温、低盐、低硅酸盐的特点。在开阔水域,表层水温度达到7℃以上,高于当地气温,是当地太阳辐射的加热作用形成的。开阔海域的水体向冰下扩展,表层水温在1℃以上,形成冰下暖水区,加速了海冰的融化;Her-ald浅滩阻挡了海水的流动形成绕流,其北部处于绕流的死角,表层水温在-1℃以下,形成冰下冷水区。在开阔海域,上层海水的混合深度达到15~20 m,而渗入冰下的暖水深度小于5 m,体现了海冰对暖水渗入的阻滞作用。所有海冰覆盖站位10 m层的叶绿素-a含量都很高,表明冰下海水处于浮游植物大量繁殖的状态,有可能对海水吸收热量和海冰融化产生显著的影响。     

格陵兰海海冰外缘线变化特征分析

格陵兰海作为北冰洋的边缘海之一,容纳了北极输出的海冰,其海冰外缘线的变化既受北极海冰输出量的影响,也受局地海冰融化和冻结过程的影响。利用2003年1月到2011年6月AMSR-E卫星亮温数据反演的海冰密集度产品,对格陵兰海海冰外缘线的变化特征进行了分析。结果表明,格陵兰海海冰外缘线不仅存在一年的变化周期,还存在比较显著的半年变化周期,与海冰在春秋两季向岸收缩有关。格陵兰海冬季的海冰外缘线极大值呈逐年下降的趋势,体现了北极增暖导致的冬季海冰范围减小;而夏季海冰外缘线离岸距离的极小值呈上升趋势,表明夏季来自北冰洋的海冰输出量增大。2003—2004年是格陵兰海夏季海冰融化最严重的2年。2007年北冰洋夏季海冰覆盖范围达到历史最小;而格陵兰海夏季的最小海冰范围最大,表明2007年北冰洋海冰的输出量大于其他年份。此外,夏季格陵兰岛冰雪融化形成的地表径流对海冰外缘线有一定的影响。对海冰外缘线影响最大的不是格陵兰海的局地风场,而是弗拉姆海峡(Fram Strait)区域的经向风,它直接驱动了北冰洋海冰向格陵兰海的输运,进而对格陵兰海海冰外缘线的分布产生滞后的影响。     

关于矿床学创新问题的探讨

2003年1月4日至2月15日期间,在5种不同情况下对南极海冰进行了调查研究。包括:(1)基于走航观测的威德尔海至普利茨湾之间海冰分布研究;(2)基于航空拍摄的普利茨湾海冰分布研究;(3)纳拉海峡固定冰和上浮雪厚度钻孔测量以及冰心钻取;(4)中山站附近融化冰的分布研究以及(5)中山站附近海冰早期冻结过程观测研究。结果表明,威德尔海至普利茨湾之间走航观测得到的海冰全部密集度为14.4%,大部分冰(99.7%~99.8%)属于一年冰,观测到冰的厚度在15~150 cm。沿观测航线上海冰最大密集度(80%)出现在威德尔海,从59°56 S到69°22 S以及从040°41 W到076°23 E的区域分布着广阔的水域。这一结果验证了Silvia的海冰漂移理论。普利茨湾沿岸海冰受制于沿岸地形、拉斯曼丘陵以及搁浅冰山的影响,其密集度呈现较大的空间变化。钻孔测量显示,纳拉海峡固定冰平均厚度为169.5 cm。风吹雪的重分布以及日照强度差异是导致纳拉海峡固定冰厚度差异的主要因素。观测表明,中山站附近海冰早期冻结遵循Lange的海冰早期冻结过程“饼状循环”最初的两个阶段。     

基于走航观测的夏季南极海冰分布特征分析

依托中国第19次南极科学考察,基于ASPeCt(南极海冰过程与气候)海冰走航观测方法标准,以"雪龙号"破冰船为平台进行夏季南大洋海冰走航观测.在2003年1月4-17日近6 500km的航程断面上,分别获取了海冰的厚度、密集度、雪厚度、浮冰尺寸等海冰分布特征参数.结果表明,海冰分布特征参数均呈现了较大的空间变化.由于夏季海冰融化并受制于特定动力过程作用,海冰在威德尔海附近聚集,密集度达到峰值,沿断面在0%～80%之间变化;在断面的大部分观测到开阔水域.沿断面海冰厚度介于10～210cm,雪厚度介于2～80 cm之间,在埃默里冰架附近冰雪厚度达到了全断面的最高值.沿断面浮冰尺寸,最小到＜10 cm到最大超过2 000 m不等.     

南极纳拉海峡固定冰生长、结构、盐度和氧同位素组成

采用第19次中国南极科考采集的冰芯样品、数据,基于海冰的"冻结日"记录,使用海冰一维热力学模型来计算纳拉海峡固定冰的生长厚度.考虑气象条件以及冰情观测结果,将该模型的计算海冰厚度和实测厚度进行比较发现,在纳拉海峡存在着多年生长的海冰.对采集于南极洲中山站附近纳拉海峡的固定冰冰芯样品进行结构、盐度和稳定氧同位素(δ18O)分析,获取了海冰的结构和盐度剖面特征、冰芯雪冰、附加冰的含量、雪冰中的雪以及全部冰芯中雪所占的百分比.结果表明:样品冰芯具有典型的海冰特征结构,如柱状冰水平方向的C轴以及上部粒状冰层和下部柱状冰层结构特征,部分柱状冰中间存在着粒状冰夹层;盐度和δ18O剖面也显示了多年冰生长的证据.海冰的结构和氧同位素特征表明,纳拉海峡固定冰的生长主要受热力学过程控制,其结果和2000年1月至2003年2月人工冰情观测结果一致,观测中没有发现冰脊、叠置等动力过程.附加冰在冰芯中所占的比例平均为5.01%.使用不同的同位素标准来区分雪冰层,估计研究区域平均有多达16.4%～37.9%的雪冰,海冰粒状层中雪的部分约占全部冰厚度的0.8%～23.5%.     

南极纳拉海峡固定冰生长、 结构、 盐度和氧同位素组成

采用第19次中国南极科考采集的冰芯样品、 数据, 基于海冰的"冻结日"记录, 使用海冰一维热力学模型来计算纳拉海峡固定冰的生长厚度. 考虑气象条件以及冰情观测结果, 将该模型的计算海冰厚度和实测厚度进行比较发现, 在纳拉海峡存在着多年生长的海冰. 对采集于南极洲中山站附近纳拉海峡的固定冰冰芯样品进行结构、 盐度和稳定氧同位素(δ~(18)O)分析, 获取了海冰的结构和盐度剖面特征、 冰芯雪冰、 附加冰的含量、 雪冰中的雪以及全部冰芯中雪所占的百分比. 结果表明: 样品冰芯具有典型的海冰特征结构, 如柱状冰水平方向的C轴以及上部粒状冰层和下部柱状冰层结构特征, 部分柱状冰中间存在着粒状冰夹层; 盐度和δ~(18)O剖面也显示了多年冰生长的证据. 海冰的结构和氧同位素特征表明, 纳拉海峡固定冰的生长主要受热力学过程控制, 其结果和2000年1月至2003年2月人工冰情观测结果一致, 观测中没有发现冰脊、 叠置等动力过程. 附加冰在冰芯中所占的比例平均为5.01%. 使用不同的同位素标准来区分雪冰层, 估计研究区域平均有多达16.4%～37.9%的雪冰, 海冰粒状层中雪的部分约占全部冰厚度的0.8%～23.5%.     

天山乌鲁木齐河源1号冰川近雪面气象要素观测分析

利用中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2009年1月20日至12月31日在天山乌鲁木齐河源1号冰川冰雪表面实施大气科学观测实验观测取得的资料和同期大西沟气象站资料, 分析了1号冰川四季大气温度、风速、风向以及总辐射的变化特征, 对比、探讨了冰川尺度上冰雪表面与周边山地的辐射和地-气热量传输特性, 在此基础上揭示了二者气温、风速、大气湿度变化的差异及其成因. 研究表明: 1)由于冰川冰雪对太阳辐射的反射率高, 冰雪表面得到的净辐射和热量少, 使得冰川四季大气温度比大西沟站平均偏低2.9 ℃; 2)冰川与周边山地下垫面的不同, 引起太阳净辐射-温度场-气压场-风场的连锁变化, 造成冰川轴向风以下行偏南气流为主导, 法向风盛行偏东气流; 冰川夜间风速大于大西沟, 白天却小于大西沟风速; 3)冰川和大西沟大气含水量较高, 相对湿度在40%～80%之间变化, 因大西沟地表蒸发大, 其相对湿度略高于冰川.     

累积海冰密集度及其在认识北极海冰快速变化的作用

为定量分析北冰洋海冰密集度年际差异,提出并采用累积海冰密集度(ASIC)概念。利用SSMR/SSMI的分辨率为25 km的海冰密集度数据,分别研究了1979—2011年北极海冰在融冰期(4~9月)和结冰期(10月至翌年3月)的变化过程以及2个冰期内ASIC的区域差异。研究发现,在1979—1989年、1989—1999年和1999—2009年期间,融冰期海冰发生明显变化的范围都远远大于结冰期海冰发生明显变化的范围。1998—2010年,融冰期内发生加速融化的海区并没有都出现结冰期冰量减小的现象。在此期间融冰期ASIC减小,结冰期ASIC也减小的海域仅集中在楚克奇海、新地岛北部海域以及格陵兰岛东西海岸。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC无明显变化的海域包括波弗特海、东西伯利亚海、拉普捷夫海和喀拉海。这些区域与局地陆地径流侵入的海域重合。研究发现,在这些区域,融冰期ASIC减少是陆地径流增大加速海冰融化引起的。在结冰期,陆地径流加速海水结冰的作用消除融冰期海水吸收大量太阳辐射能后发生推迟结冰的现象,使得ASIC无明显变化。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC增大的区域只有白令海。研究结果证明累积海冰密集度能够去除海冰高频变化而只表现低频变化,能够描述海冰的年际变化特征。同时由于海冰变化与海洋中其他物理参数存在显著关系,变T的ASIC可以更加方便地描述次表层叶绿素最大值层深度的变化。     

北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应

自20世纪70年代以来,全球气温持续增高,对北极产生了深刻的影响。21世纪以来,北极的气温变化是全球平均水平的2倍,被称为"北极放大"现象。北极海冰覆盖范围呈不断减小的趋势,2012年北极海冰已经不足原来的40%,如此大幅度的减退是过去1 450年以来独有的现象。科学家预测,不久的将来,将会出现夏季无冰的北冰洋。全球变暖背景下北极内部发生的正反馈过程是北极放大现象的关键,不仅使极区的气候发生显著变化,而且对全球气候产生非常显著的影响,导致很多极端天气气候现象的发生。北极科学的重要使命之一是揭示这些正反馈过程背后的机理。北极放大有关的重大科学问题主要与气—冰—海相互作用有关,海冰是北极放大中最活跃的因素,要明确海冰结构的变化,充分考虑融池、侧向融化、积雪和海冰漂移等因素,将海冰热力学特性的改变定量表达出来。海洋是北极变化获取能量的关键因素,是太阳能的转换器和储存器,要认识海洋热通量背后的能量分配问题,即能量储存与释放的联系机理,认识淡水和跃层结构变化对海气耦合的影响。全面认识北极气候系统的变化是研究北极放大的最终目的,要揭示气—冰—海相互作用过程、北极海洋与大气之间反馈的机理、北极变化过程中的气旋和阻塞过程、北极云雾对北极变化的影响。在对北极海冰、海洋和气候深入研究的基础上,重点研究极地涡旋罗斯贝波的核心作用,以及罗斯贝波变异的物理过程,深入研究北极变化对我国气候影响的主要渠道、关键过程和机理。     

南极海冰和陆架冰的时空变化动态

利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料, 对南极海冰的长期变化进行了研究.结果表明: 20世纪70年代后期是多冰期; 80年代是少冰期; 90年代南极海冰属于上升趋势, 后期偏多; 区域性变化差别大, 东南极海冰偏多, 西南极海冰即南极半岛两侧特别是威德尔海(Weddell Sea)区和别林斯高晋海(Bellingshausen Sea)的冰明显偏少.东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多, 南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩, 有崩解也有再生的自然变化现象.西南极威德尔海的龙尼冰架(Ronne Ice Shelf)和罗斯海冰架(Ross Ice Shelf)东部崩解和收缩趋势明显, 东南极的冰架也有崩解和收缩, 但没有西南极明显.陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.目前, 南极冰盖断裂崩解形成的冰山, 向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14 mm.南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少, 而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.     

导线覆冰自动观测实验与覆冰过程分析

在贵州重冰区3个气象站和海拔2500m的梅花山野外观测点开展了3a冬季的导线覆冰自动观测实验,利用观测实验获取的大量连续覆冰过程数据,对导线覆冰重量及其气象条件逐小时演变特征进行了深入分析.结果表明:一次完整的连续导线覆冰过程包括覆冰开始、增长、维持、减弱、消融到结束五个不同的阶段,持续时间较长的覆冰过程中间可能出现间断,而覆冰增长、维持、减弱几个阶段可能重复交替出现.覆冰过程开始一般以气温下降到0℃以下且相对湿度90%以上为标志,当出现浓雾或降水时覆冰出现增长,当既无降水也无雾时覆冰进入维持阶段;整个覆冰过程中温度均低于0℃且维持很高的湿度,中途若温度上升且无雾和降水则覆冰有明显减弱,当气温稳定上升到0℃以上同时湿度下降时覆冰过程结束.覆冰过程的开始和增长一般持续时间较长,而覆冰的消融和结束则十分迅速.在气象站观测到的覆冰以雨雾混合冻结为主,降水对覆冰过程的开始和增长有重要作用,而在梅花山野外观测到的多为雾凇覆冰,降水对覆冰的作用不如地势较低地区显著.     

2008年夏季北冰洋海冰表面积雪特征初步分析

运用中国第三次北极考察期间观测的积雪资料, 分析了夏季北冰洋中心海域海冰表面积雪的空间分布特征. 结果表明: 积雪在垂直分布上呈现6种粒雪状态, 表层到底层依次为新降雪、风板、冰片、深霜、冻结状粗雪和渗浸冻结冰层, 积雪表面常被新降雪或厚度为2～3 cm的风板所覆盖. 考察区域积雪的平均密度为(304.01±29.00)kg·m^-3, 表层密度略低于次表层, 遵循雪的密实化原理. 积雪厚度, 雪水当量和新降雪皆具有由南向北递减的空间分布特征, 表明在海冰消融末期, 积雪的气候态分布主要是由降水量的多少决定的, 积雪的消融和蒸发并非海冰表面积雪评估需考虑的首要因素. 雪温随深度的增加而增加, 具有明显的垂直梯度, 观测区积雪表面的平均温度为(-2.01～±0.96)℃, 比海冰/积雪界面的温度高得多.     

静冰力学模型试验的相似比尺问题探讨

分析冰盖形成的热力学模型, 推导出室内模型试验的相似比尺. 模拟野外降温过程, 在低温实验室内进行静冰压力模型试验, 研究实验室模拟静冰压力产生过程的可行性. 结果表明: 实验室模拟最大冰厚39.8 cm, 试验历时387.4 h, 冰的冻结过程符合天然规律; 实验室目前难以模拟融化过程中天然状态的太阳辐射, 有待进一步改进降温制度. 模拟试验的冰压力最大值出现在升温阶段, 与温升率相关, 温升率越大, 静冰压力值越大; 当环境温度升至0 ℃左右时, 静冰压力达到最大值, 随后迅速消散, 符合水库冰过程观测结果.     

基于FY-3 MWRI数据的北极海冰密集度反演研究

以ASI算法（ARTIST sea ice algorithm）为基础, 得到基于风云3C气象卫星（FY-3C）微波辐射计（MWRI）数据的纯水与纯冰系点值, 利用插值方法确定基于FY-3 MWRI数据的ASI海冰密集度计算公式, 采用大津法（Otsu算法）得到基于MWRI数据的天气滤波器阈值。以2016年1月数据为例, 对北极海冰密集度进行反演, 并与美国国家冰雪数据中心（NSIDC）以及德国不莱梅大学提供的海冰密集度产品进行对比验证。结果表明： 基于MWRI数据得到的1月平均海冰面积以及平均密集度均介于二者之间, 其中平均密集度与不莱梅产品更接近, 仅相差1.310%。与风云卫星空间分辨率为250 m的中分辨率光谱成像仪（MERSI）数据得到的结果进行对比, 发现二者的海冰外缘线基本一致, MERSI数据得到的海冰密集度以及海冰面积比MWRI数据得到的结果分别高出5.029%、 9.318%。因此, 应用该方法可有效推进MWRI数据反演北极海冰密集度, 进而监测北极海冰分布和变化。     

青藏铁路清水河地区路基下伏多年冻土地温变化特征研究

基于埋设在青藏铁路清水河地区路基中两个断面内的共8个地温测试孔3年来的地温观测资料,研究了该地区铁路路基下伏高原多年冻土融化特征,分析了多年冻土上限的变化规律以及填筑铁路路基施工对下伏多年冻土赋存条件的影响。研究表明,由于受到填筑路基时赋存在路基填料内的热量的影响,铁路路基下伏多年冻土近地表的地温变化特征与天然地面下的多年冻土的地温变化特征有明显的不同,且向阳面与被阴面差别较大。多年冻土的上限在施工初期会有一个明显的下移沉降,随着时间的推移,虽然残存在路基中的热量逐渐消散,多年冻土上限下降会逐渐稳定。由于受到太阳辐射和路基边坡形状及融化夹层的影响,多年冻土上限会逐渐稳定,但不会在短时期内上升到天然地面下多年冻土的上限水平。     

天山南坡科契卡尔巴西冰川消融期雪面能量平衡研究

根据2005年6～9月的野外观测资料,计算了天山南坡科契卡尔巴西冰川积雪表面的能量平衡各分量,其中感热和潜热采用空气动力学-梯度方法计算得到,净辐射由观测获得.结果表明,消融期净辐射是雪面最主要的能量来源,占能量收入的81.4%,平均值为63.3 W·m^-2;其次为感热供热,占18.6%,为14.4 W·m^-2.吸收的热量主要通过融化和蒸发两种方式消耗,融化和蒸发耗热分别为54.0 W·m^-2和23.0 W·m^-2,占能量总支出的69.5%和29.7%,剩下的0.8%由感热消耗.在积雪表面的能量组成中,感热值在6月和9月较大而8月较小;对于潜热来说,6月潜热交换绝对值最大,蒸发最强烈,这与6月风速大且天气晴好有关.另一方面,净辐射值较大的6月和9月融化热较多,说明此时段冰川消融较为强烈.     

南极海冰与气候

在极区,海冰的形成在海洋上部和大气下部之间构成了新的交界面,改变了大洋表面的辐射平衡和能量平衡,隔离了海洋与大气之间的热交换和水汽交换;海冰冻融过程影响着大洋温、盐流的形成和强度;海冰对南大洋和南极大陆气象、气候有重要的影响,在气候环境系统中起着重要的作用。南极海冰作用区约占南半球雪冰作用区面积的58%,约占地球表面积的3.58%。其中,一年生海冰约占南极海冰区分布面积的83%;其分布面积从夏末2月份最小时的3×106 km2左右,到9月份冬末最大时的18×106 km2左右,一年中季节变化幅度可达15×106 km2,季节变化率>500%。海冰分布区域的年际变化较大。南极海冰区是影响季节和年际全球气候环境变化的重要区域。当前,国际南极海冰与气候研究的核心问题是海冰物理过程和在海冰区的海洋—大气相互作用。结合目前承担的研究课题,对国际南极海冰与气候研究的前沿动态和相关的国际计划进行了综述。     

利用MODIS和ASAR资料估算青藏高原念青唐古拉山脉地区冰雪范围及厚度

利用可见光和微波卫星遥感资料分析了青藏高原念青唐古拉山脉地区冰雪范围和厚度的季节变化.结果表明:青藏高原念青唐古拉山脉地区冰雪范围的季节变化非常明显,2003年4月上旬、5月中旬、7月下旬和9月下旬的冰雪范围分别占选定研究区域的28.9%、69.9%、11.6%和14.7%.在选定的西布冰川区域,由微波遥感得到的冰雪厚度季节变化也非常明显,5月份厚度的数值最大,7月份最小.由于主动微波观测受地面高程、地形和夏季冰雪融化等因素的影响比较大,主动微波遥感在大面积估算冰雪厚度还有一定困难,有待将来作进一步的深入研究.