2014年夏季北极东北航道冰情分析

使用2003—2014年6—9月份的AMSR-E和AMSR-2海冰密集度数据计算了北极海冰范围, 并获得海冰空间分布图。通过分析得出, 2014年北极夏季海冰范围在数值上与2003—2013年的多年平均值很接近, 在空间分布上与多年中值范围相比主要表现为两个方面的不同：(1)2014年夏季拉普捷夫海及其以北海域海冰明显少于多年中值范围, 9月份冰区最北边界超过了85°N;(2)巴伦支海北部斯瓦尔巴群岛至法兰士约瑟夫地群岛区域海冰范围明显多于多年中值范围, 而且海冰范围在8月份不减反增, 冰区边界较7月份往南扩张了约0.8个纬度。2014年夏季在拉普捷夫海以南风为主, 而在巴伦支海以北风为主。南风将俄罗斯大陆上温暖的空气吹向高纬地区, 造成高纬地区温度偏高, 促进拉普捷夫海海冰融化, 并使海冰往北退缩。北风将北冰洋上的冷空气吹向低纬地区, 造成巴伦支海的气温偏低, 不利于海冰的融化, 同时北风使海冰往南漂移扩散, 造成巴伦支海北部海冰范围在2014年偏多。2014年北地群岛航线开通时间范围大约在8月上旬到10月上旬, 时长约两个月。新西伯利亚群岛及附近海域的开通时间稍早于北地群岛, 但关闭时间比北地群岛晚, 所以 2014年东北航道全线开通的时间主要受制于北地群岛附近海冰变化。     

2003年与1999年楚科奇海海冰的差异及其发生原因

我国在1999年和2003年进行了两次北极考察,这两年海冰的冰情差别很大,分别对应冰情较重和较轻的年份。本文利用卫星遥感资料对1999年和2003年的海冰分布状况及其差异进行了全面的分析,并利用气温和风场资料深入研究形成这种差异的动力学原因。结果表明, 2003年的海冰冰情与1999年相比要轻很多,海冰面积在春季融冰季节和秋季冻结季节显著减小。2003年春季,来自白令海的海水提早半个月进入楚科奇海,导致海冰大范围融化。但是,到了夏季,海冰的面积减少过程停滞下来。而秋季楚科奇海封冻过程比1999年晚半个月。以上这些特征形成了2003年与1999年海冰的显著差异。研究结果表明, 2003年春季和秋季的气温比1999年要明显增高,最大月平均温差接近18°C,显著的高温为海冰融化的加剧和冻结的推迟提供了热量。直接影响海冰分布的是海面风场,两年风场的差异产生了来自白令海的太平洋入流的差异,对春季海冰融化的提前、夏季入流的减弱和秋季冻结过程的推迟起到关键的作用。季节性气象要素的年际差异可以归因于整个北极的AO系统变化, 2003年AO指数是正值, 1999年为负值,成为楚科奇海局地海冰变化的气候背景。     

北极迅速变暖条件下西北航道的海冰分布变化特征

北极近年迅速变暖使西北航道的通航成为可能。本文利用AMSR-E的6.25km分辨率日平均海冰密集度卫星数据研究了2002-2008年北极西北航道的海冰密集度变化特征。通过统计分析沿西北航线冰障关键流段代表站点的融化期、轻冰期、无冰期、无冰天数和轻冰天数,以及海冰分布和变化的某些细节,加深了对西北航道海冰季节变化和年际变化以及空间分布的主要特征,特别是与通航相关的冰情信息的了解。研究指出西北航道南路比北路容易开通;各线路冰障流段存在的时间呈减小趋势,整条线路无冰/轻冰天数呈增加趋势;冰间湖和冰间水道的产生和发展在很大程度上可能会影响到整个航路的融冰开始时间。     

2012年南极长城站气象和海冰特征分析

基于中国第28次南极科学考察长城站越冬期间获取的常规气象和海冰观测资料,结合统计的1985—2010年气候值,对比分析了长城站2012年的气象及海冰特征。气象分析表明,该年平均气压和气温偏低,N—W风向频率显著偏低,E—SE风向频率显著偏高;雾日偏少,降雪量、吹雪及雪暴显著偏多;针对观测期间某些月份比较明显的气象要素和天气现象异常,从大气环流角度进行了分析解释。海冰观测表明,长城湾冰情变化受大气动力作用影响大,冰情稳定性差,外围海域海冰极不稳定,2012年4月至2012年11月冰情几经进退,先后交替出现3个完全冰冻和3个部分冰冻期。     

1979—2015 年罗斯海海冰运动速度变化

基于美国冰雪数据中心的月平均海冰运动和海冰密集度数据, 建立了1979—2015 年罗斯海海冰运动 速度时间变化序列, 揭示了海冰运动速度的年际和季节变化特征, 探讨了海冰运动速度和海冰范围之间可 能存在的联系, 最后对影响海冰运动速度变化的因素进行了分析。结果表明, 1979—2015 年罗斯海海冰运动 速度总体呈现加快趋势, 海冰运动速度增加趋势最快的季节为秋季, 其次是冬季、春季和夏季。冬季海冰平 均运动速度最大, 依次是秋季、春季和夏季。海冰运动速度与海冰范围在37 年间均呈现上升趋势, 海冰范 围变化滞后海冰运动速度1—2 个月, 两者呈显著正相关关系, 海冰运动速度的增加导致罗斯海海冰范围不 断扩张, 进而影响南极整体海冰分布。罗斯海海冰运动速度与风速之间存在显著正相关关系, 风场是影响海 冰运动速度的一个直接因素。除此之外, 海冰运动还受到包括气压场、洋流场以及海洋阻力系数等的影响。     

2002—2011年南极海冰变化的遥感分析

基于2002—2011年南极地区AMSR-E逐日海冰密集度数据, 计算相应时间段内的海冰外缘线和海冰面积, 分析了南极地区这10年来各时间尺度上的海冰变化, 揭示了海冰变化的时空特征。结果表明: 2002— 2011年南极海冰外缘线、海冰面积分别增加了3.64%、3.8%, 总体上呈现增加的趋势, 其中2008年海冰面积最大。罗斯海、西太平洋和威德尔海的海冰面积呈现增加趋势, 而印度洋和别林斯高晋海/阿蒙森海的海冰面积则趋于减小。南极海冰面积一般夏季最小、冬季最大, 相同季节海冰面积变化波动较小, 不同海区只是变化范围不同。南极一年冰增长速度较低, 平均每年增加约0.1×106 km2, 且大范围地分布在南极大陆(除威德尔海外)周围。多年冰平均每年减少0.05×106 km2, 且多处于威德尔海。海冰面积变化与气温有负相关关系。     

基于“永盛轮”航线冰情分析的北极东北航线通航性研究

海冰冰情是开发、利用北极航道的关键信息,研究利用2006—2015年北极地区逐日海冰密集度数据,根据2013年"永盛轮"首航北极东北航道时所经航线为例,提取了航线冰情要素,包括航线通航窗口、逐日海冰密集度时空分布以及海冰密集度月标准差等,对航线通航条件进行了研究。根据航线冰情要素获得了十年间航线通航窗口的基本情况,十年间航线所经水域的大体通航情况和主要冰障位置,7—10月份航线所经水域海冰密集度的变化动态。通过对航线冰情要素的分析,得出影响航线的两个关键海域,并分析了"永盛轮"航线与关键水域航线通航窗口的变化趋势。     

南极中山站附近海域固定冰的夏季变化

利用中国第21、22次南极科学考察(2004/2005、2005/2006)对中山站附近海域固定冰物理特性系统观测的结果,特别是依据其中2005年11月下旬至2006年1月下旬的现场实测数据详细分析了中山站附近海域固定冰消融过程物理性质的变化特征。结果表明:此区域固定冰从11月下旬开始消融,融冰期为62 d;同时,融冰期冰下水体温度迅速升高;在不断增强的太阳短波辐射和海洋热通量作用下,海冰温度也逐渐上升,并出现"相对冷中间层";热力和动力外强迫作用下,2005年12月18日-2006年1月14日期间此区域固定冰边缘线后退了20.9 km;另外,2005年12月18日固定冰边缘区走航冰厚监测结果还表明,边缘区海冰厚度在向岸方向有明显的增加趋势,并且随着接近海岸海冰厚度的离散程度逐渐减小。     

基于OSI-SAF微波遥感数据的北极一年冰和多年冰研究

基于2005年10月—2017年4月OSI-SAF逐日海冰类型和海冰密集度数据,分析了北极一年冰和多年冰变化的时空特征。结果表明每年10月至次年4月的生长期内,一年冰在10—12月增长较快,范围和面积的增加速度分别为1.87×10~6 km~2·month~(-1)和1.77×10~6 km~2·month~(-1); 1—3月增速放缓,范围和面积的增加速度为0.50×10~6 km~2·month~(-1)和0.43×10~6 km~2·month~(-1); 3—4月范围和面积变化速度为–0.38×10~6 km~2·month~(-1)和–0.24×10~6 km~2·month~(-1)。多年冰的范围和面积在不同年份的生长期内有不同变化,没有一致的季节性。8个海区的海冰范围变化特征有一定的差异,北冰洋核心区在多年冰变化中占主导作用。一年冰在生长期内逐渐向北冰洋以南生长,多年冰主要分布在格陵兰岛和加拿大群岛以北的北冰洋中心海域。每年10月、11月海冰总体范围与该月前6个月北极平均气温显著负相关。每年3月、4月一年冰范围与该月前6个月平均气温也显著负相关。多年冰范围与北极月平均气温没有显著相关性。     

北冰洋入海径流变化状况及其与近岸海冰关系

北极入海径流是北冰洋最主要的淡水来源之一,也是影响北极变化的重要因素。利用Dai和Trenberth发布的1979—2010年全球河流流量和陆地径流数据集、全球径流数据中心(GRDC)数据集和美国国家冰雪中心数据集,以入海口位置划分研究区域为楚科奇海区、东西伯利亚海区、拉普捷夫海区和喀拉海区;以流量特征,选取注入北冰洋的前12条大河中的6条主要河流为代表,采用Mann-Kendall趋势分析方法,检测了不同海区入海径流在不同季节的变化特征及趋势,并对其与边缘海区海冰覆盖面积的关系进行分析。结果表明:所有河流的季节特征明显且一致,径流量集中在4—11月, 6月前后的洪峰流量远大于春季和秋季的径流量,且叶尼塞河和勒拿河洪峰时期的流量是其他河流的3—4倍。径流季节变化明显,在全球变暖的影响下,径流总体呈现显著增长趋势,春季径流量增加最为明显,其中东西伯利亚海域入海径流增长最快。楚科奇海春季径流量与融化开始时间显著相关,径流量每增加5.9 km3·a–1,海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海夏季径流量与融化开始时间(8月)显著相关,径流量每增加30.7km3·a–1,海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海8月最大日径流量与当月冰情显著相关,最大日径流量发生时间平均提前于海冰低谷发生时间8天。不考虑其他因素的情况下,最大日径流量每增加15.7km3·a–1,海冰低谷距平降低1%,表明其促进融冰期海冰的融化,导致冰情减轻。东西伯利亚海秋季径流的增大加速了结冰后期海冰的冻结。     

东西伯利亚海海冰季节变化特征及主要影响因素分析

利用1997-2005年美国国家冰雪中心提供的卫星遥感数据,对东西伯利亚海海冰周年变化特征及其动力和热力学机制进行详细分析,以1999年海冰状况为例讨论了该海域海冰的周年变化。按照海冰变化的区域特征和融化机制差异,将全年的海冰变化过程分为密集冰封期、陆坡开裂期、西部融化期、全面融化期和秋季结冰期。不同年份各个阶段发生的具体日期不尽相同,海冰覆盖面积最小值及其发生时间有所差异,但是,各年海冰变化的5个阶段都清晰可辨。海冰融化时间持续3个月,冻结时间仅为1个半月左右。每年5月份东西伯利亚海陆坡处海冰发生开裂,主要是该时期风场辐散的作用。1999年,除5月份以外的其他月份,东西伯利亚海海表面风场是辐聚风场,不利于海冰融化和开阔水域面积的扩大。东西伯利亚海海冰融化的决定性因素是陆地径流,因迪吉尔卡河、科雷马河、亚纳河和勒拿河四条河流在海冰融化过程中发挥主要作用。海冰覆盖面积最小值出现的时间一般是9月下旬,整个海域的沿岸带海冰全部消失,形成大范围的开阔水。夏季北半球气温的升高和太阳辐射的加热作用,为海冰融化提供持续的热量。     

北极海冰与大气环流耦合主模态的时空特征分析

对1979—2009年月平均的CFSR（The Climate Forecast System Reanalysis）海冰密集度（SIC）和海平面气压（SLP）资料进行多变量经验正交函数分解（MV—EOF）,得出耦合主模态,并通过对温度、位势高度和风场的回归分析,进一步探寻海冰与大气环流的关系,第一模态SLP的特征为北极涛动（AO）,SIC呈离散的正负中心分布但大体为东西反位相,AO正位相时,喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海和鄂霍次克海海冰减少,巴芬湾、波弗特海、楚科奇海和白令海海冰增加。耦合第二模态的SLP呈偶极子分布,负、正异常中心在巴伦支海和波弗特海,SIC在巴伦支海,弗拉姆海峡,格陵兰海,拉布拉多海和白令海,鄂霍次克海地区有正异常,在喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科齐海和波弗特海为负异常。耦合第三模态SLP在冰岛地区存在负异常中心,在拉普捷夫海地区有正异常中心,SIC在巴伦支海北部、弗拉姆海峡、格陵兰海为负异常,其余地区全为正异常。 对SLP和SIC分别进行EOF分解,并与耦合模态进行比较,SLP的EOF主模态的时空分布与耦合模态中SLP的时空分布十分相似,SIC的EOF模态的时空分布则与耦合模态中SIC的时空分布有较大差别,说明耦合模态对SIC的分布影响较大,即大气环流对海冰分布的影响为主要的过程,海冰对大尺度的大气环流的模态的影响不明显。     

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。     

白令海和楚科奇海表层沉积硅藻分布特征

对我国第二次和第三次北极科学考察在白令海和楚科奇海获取的部分表层沉积物样品进行了详细的硅藻分析,旨在了解白令海和楚科奇海表层沉积硅藻的主要分布情况。研究发现海冰对北极硅藻有着显著的影响,在最小冰边缘线以北海域,由于常年被海冰覆盖,表层沉积物中的硅藻数量极少甚至缺失,而在此范围以南海域,硅藻含量则甚为丰富。白令海和楚科奇海表层沉积物中最主要的硅藻种类及组合有：角毛藻休眠孢子(Chaetoceros resting spores),海冰硅藻组合(以Fragilariopsis oceanica和Fragilariopsis cylindrus为代表),极地硅藻组合(优势种有Bacterosira bathyomphla,Thalassiosira antarctic v. borealis及其休眠孢子),沿岸底栖硅藻组合(主要有Paralia sulcata和Delpheneis surirella),诺氏海链藻(Thalassiosira nordenskioeldii)和塞米新细齿藻(Neodenticula seminae)等。上述硅藻种类及组合具有显著的空间分布差异性,并与现代海洋环境因素密切相关,因此对于白令海和楚科奇海古海洋环境研究具有重要意义。     

侧边界融化对北极海冰影响的数值模拟

对NCAR CSIM5 海冰模式中海冰侧边界融化参数化方案进行了详细阐述,并利用CSIM5模式模拟了侧边界融化对北极海冰厚度和海冰面积变化的影响,试验结果表明：（1）侧边界融化热力过程会增大海冰厚度和海冰面积的消融,海冰厚度消融最明显的区域分布在西伯利亚海和格陵兰海,海冰面积消融最明显区域分布海冰边缘地区;（2）侧边界融化过程对夏季海冰厚度影响比冬季更为明显,而对冬季海冰面积的影响要比夏季更为明显;（3）侧边界融化方案能更好地模拟出海冰面积的季节性变化;（4）海水表面温度（SST）是影响海冰侧边界融化过程的重要因子,侧边界融化率的大值区分布在SST零度线附近的狭窄区域。     

ENSO循环过程对南极海冰的影响

应用 1 951- 2 0 0 2年NINO特征指数 (NINO1 +2 ,NINO3 ,NINO4 ,NINO3 .4)和 1 973-1 998年南极海冰北界范围以及 1 950- 2 0 0 1年SODA海洋温度资料。首先分析探讨了在ElNi no期间 ,堆积于赤道东太平洋的异常暖水在南半球的传播途径 ,进而研究了ENSO以及东南太平洋异常海温场与南极海冰之间的关系。结果表明 ,在ElNino期间 ,堆积于赤道东太平洋的异常暖水 ,是沿秘鲁和智利沿岸向极传播。其传播过程持续大约 1年的时间 ,但未发现沿南赤道流的西传现象。ENSO循环过程与南极海冰变化存在一定联系 ,特别是Amundsen Belling shausen海和南极半岛海冰的变化与ENSO暖事件 (ElNino)较为密切。当ElNino事件发生后 ,时滞 2年左右的时间 ,Amundsen Bellingshausen海和南极半岛的海冰将出现明显的减少现象 ,特别是南极半岛的海冰减少最为明显。ElNino事件对南极海冰的影响过程是 ,堆积于赤道东太平洋的大量异常暖水 ,沿南美 (秘鲁和智利 )沿岸近海向极地传播 ,异常暖水的这种向极传播过程将引起近极的海温场出现异常升高 ,最终导致Amundsen Bellingshausen海和南极半岛地区的海冰减少。自 2 0世纪 80年代以来 ,Amundsen Bellingshausen海和南极半岛的海冰出现明显减少的趋势 ,与这一时期的ElNino事件的频繁发生     

1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

利用美国冰雪中心发布的海冰密集度数据,对1979—2012年北极海冰范围进行年际和年代际变化分析。结果表明:(1)海冰在秋季融化速度最快,其次为夏季、冬季、春季。2000年后春季下降速率变缓,而其他季节融化速度加快;(2)由于多年冰的融化,太平洋扇区在夏秋季节融化速度要高于其他海区。而大西洋扇区在冬季和春季海冰的融化速度要快于夏秋季节,主要是因为大西洋海温升高;(3)东半球在夏秋季节海冰融化的范围要大于西半球,因此东北航道比西北航道提前开通应用。而整个北极区域近几年春季融化速度变缓,则主要是西半球的作用;(4)从空间分布年代际变化来看,1989—1998年最接近气候态,1979—1988年密集度偏大区域主要在巴伦支海和东西伯利亚海,2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小,东半球密集度减小幅度比西半球更大,尤其是冬春季在巴伦支海,夏秋季在楚科奇海。春季时由于风的作用,白令海附近海冰密集度异常偏大;(5)北极区域海冰范围在冬春季比夏秋季突变明显,基本在2003年前后,海冰范围变化周期为6年。     

近30年南极海冰的变化特征

采用NCEP的1973-2002年南极海冰密集度资料,对近30年南极海冰冰密集度的季节变化、年际变化及其与南极海冰涛动指数的长期变化关系进行了分析研究。结果表明,南极海冰的季节变化特点是海冰融化速度远大于凝结速度,而北极海冰融化速度与凝结速度基本相同。南极海冰存在着明显的年际变化,海冰面积指数呈增加趋势,年平均倾向率为28/10a。而北极海冰年际变化则相反,呈减少趋势,年平均面积指数的倾向率-3.5/10a。南极海冰涛动指数能代表南极地区近1/3的海水变化,是南极海冰变化的重要指数,具有10年、3-5年和2年左右的准振荡周期。