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。     

SIS海冰模式中两种盐度参数化方案的差异

详细介绍了Sea Ice Simulator(SIS)海冰模式中引进两种盐度参数化方案即等盐度方案和盐度廓线方案对海冰模拟所存在的差异。利用盐度廓线方案导出的表征盐度与海冰温度间关系的方程比等盐度方案多出一项,将该项定义为盐度差异项。盐度差异项对海冰厚度的热力作用表现为:在海冰厚度增长季节(11月到次年5月),盐度差异项通过升高海冰内部温度,抑制海冰增长;在消融的第一阶段(6—8月),盐度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融;在消融的第二阶段(9—10月),盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。但尺度分析表明,盐度差异项要比方程中对海冰温度作用最大项小1—2个量级,如果采用一级近似,可以略去盐度差异项,因此盐度差异项对与海冰增长和消融影响很小。同时利用GFDL中心研制的冰-洋耦合模式Modular Ocean Model(MOM4),分别采用两种盐度参数化方案模拟北极海冰厚度和海冰密集度的季节性变化,模拟结果也表明两种方案模拟得到的海冰厚度和海冰密集度的季节性变化相差甚小。     

一个北极区域冰海耦合模式的设置与应用

介绍了一个北极区域冰-海耦合数值模式的设置与应用。海洋模式基于MIT海洋环流数值模式,海冰动力学过程由Hibler的粘-塑模型发展而来。海冰的热力过程基于Winton提出的三层热力学模型。给出了耦合模式的基本框架,重点介绍了区域冰-海耦合系统中较为重要的程序包,如正交网格生成技术,中尺度涡的参数化,冰-海耦合及开边界处理等。以NCEP再分析资料为大气强迫场,模拟研究了北极夏季海冰范围异常的变化特征(1992—2007),模拟得到的海冰面积变化趋势与SSM/I观测资料进行了对比,两者相关系数达到0.88,模式基本反映了海冰的年际变化特征。以2007年为例,对比分析了9月份海冰密集度分布特征,模式结果得到的海冰范围略大于观测,但基本反映了2007年夏季海冰范围的衰减形态。     

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。     

白令海峡入流水影响下的楚科奇海海冰面积时空变化特征

利用美国国家冰雪中心的Bootstrap海冰密集度卫星遥感资料分析1991—2015年楚科奇海海冰覆盖面积的时空变化特征,并探讨白令海峡入流水对海冰面积变化的作用机制。楚科奇海海冰覆盖面积月距平以0.7%×a~(–1)的速度减小,从2002年开始维持负距平特征。白令海峡入流水的热通量及其在楚科奇海的环流路径显著影响楚科奇海海冰的时空变化。海冰面积变化与入流水热通量具有高相关性(R=–0.86),夏季(5—8月)两者的相关性更加显著,热通量增加对海冰面积显著减小起关键作用。楚科奇海海冰分布减小的区域与白令海峡入流水环流特征和分布关系密切, 5—7月海冰分布在入流水三条主要流动路径上(海渃德海谷、中央通道、巴罗海谷)的季节特征和年际变化最为显著。海冰面积及分布对入流水的响应均有1—2月的滞后。     

夏季北冰洋楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌的丰度分布特征及其与水团的关系

本文利用2008年我国第三次北极科学考察的机会,分析了夏季楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌丰度的分布特征,并探讨了它们与楚科奇海水团之间的关系。结果表明：与北冰洋的其它海域相比,楚科奇海的微型浮游植物丰度相对较高（0.03~10.23×103 cells/mL）,微微型浮游植物则大致相同（0.01~2.21×103 cells/mL）,而浮游细菌丰度明显较高（0.21~9.61×106 cells/mL）。白令海陆架水与海冰融化混合水和阿纳德尔水浮游植物群落结构不同,夏季随着太平洋水入流水对楚科奇海的日益影响,其水体本身的群落结构可能被外来群落替代。     

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。     

南极磷虾资源丰度及其与海冰和表温的关系

根据2003—2010年南极磷虾48.2区产量数据结合该区域海冰和SST数据,分析了磷虾产量的时空分布,探讨了海冰和SST对南极磷虾资源丰度的影响。结果表明,48.2区的渔汛期为3—7月,主要作业时间为2—8月,产量约占该渔区年产量的99.3%。回归分析表明,磷虾CPUE变动与海冰和SST面积变化关系明显。磷虾CPUE与海冰总面积年间变化呈现显著的负相关(R=0.80),与海冰密集度为90%—100%的海冰面积负相关系数最大(R=0.84);年内变化关系则为一元二次多项式回归模型,CPUE随海冰面积的递增先增大后减小,与海冰密集度为60%—70%的海冰面积相关系数最大(R=0.94)。磷虾CPUE与SST为-2—3℃时的总面积年间变化负相关性不显著(R=0.46),但与SST为1—2℃时的面积呈现显著的负相关(R=0.91);年内变化关系也为一元二次多项式回归模型,CPUE随SST面积的递增先增大后减小,与SST为0—1℃时的面积相关系数最大(R=0.97)。     

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

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。     

北极拉普捷夫海海冰多年变化研究

拉普捷夫海是北冰洋的边缘海和冰源地,对北冰洋的海冰变化有重要影响。通过分析AMSR-E海冰密集度数据以及NECP-DOE的风场、温度场数据,结果表明拉普捷夫海海冰在2002—2011年经历了如下过程：重冰年(2002—2004)—过渡性质年份(2005—2006) —轻冰年(2007、2009—2011),即冰情由重向轻转变。研究结果也表明拉普捷夫海的冰情轻重与融冰期长短有较好的相关性,融冰期持续时间越短,冰情越重。4个参数,包括海冰距平指数、最小海冰覆盖率、积温、风驱动指数描述了拉普捷夫海的海冰多年变化过程。海冰距平指数是时间（3—11月）平均下的海冰覆盖率距平值,定量给出了各年冰情的轻重;最小海冰覆盖率是夏季海冰的极限情况,变化范围在0.45%—48.73%,发生时间为8月底至10月上旬。积温是上一个冬季气温积累对当年冰情的影响,结果表明积温是影响当年冰情轻重的主要因素。2008年的上一个冬季经历了异常低温,造成当年的异常重冰年。风驱动指数给出了风场对海冰覆盖率变化的短期影响,与同时期其他年份相比,2006年4月、2007年9月均出现了异常强北风,一定程度上造成了2006年融冰开始时间延后、2007年夏季最小海冰覆盖率的明显偏大。     

Coordinated changes of sea ice over the Beaufort and Chukchi seas: regional and seasonal perspectives

One outstanding feature of the recent Arctic climate is the contrast of the changes of sea ice concentration and thickness between the Beaufort Sea and the Chukchi Sea. Since the Arctic Oscillation (AO) plays a critical role in driving Arctic sea ice changes and the Beaufort and Chukchi seas have been hypothesized as a region in which sea ice anomalies originate, we employed a coupled sea ice-ocean model and carried out simulations forced by the AO signal to examine sea ice changes in these regions, focusing on seasonality. With the AO phase transition from negative to positive, anticyclonic windstress weakens broadly in both winter and summer; however, the surface air temperature response shows remarkable seasonal dependence. Positive temperature anomalies spread over the entire domain in winter, while negative anomalies occur in the shelf seas in summer, although positive anomalies remain in the deep-water portion. The simulated sea ice concentration resembles the observed concentration. The strong seasonality of sea ice concentration changes suggests that accumulation of sea ice concentration in the Beaufort Sea and reduction in the Chukchi Sea are mainly produced in summer. Changes of ice thickness are robust through the seasonal cycle. Generally, sea ice dynamics play a critical role in creating the anomalous sea ice pattern and sea ice thermodynamics partially compensate the dynamically-driven changes. However, considerable seasonal differences occur.     

罗斯海和普里兹湾海域海冰范围变化对比分析

海冰范围的变化对气候变化、生态系统以及人类活动都会产生重大的影响,近年来极地海冰范围的变化受到广泛关注。对南极罗斯海与普里兹湾海域海冰范围进行时间序列分析,研究发现海冰范围季节性变化在罗斯海与普里兹湾海域差异较大,罗斯海地区表现出"快速缩小、迅速扩大"的特性,普里兹湾海域表现出"快速缩小、缓慢扩大"的特性。两地区的海冰范围在年际变化上都表现出扩大的趋势,2003—2014年罗斯海地区海冰变化趋势为(1.39±1.12)×104km2·a~(-1),普里兹湾海域海冰变化趋势为(0.61±0.26)×104km2·a~(-1)。罗斯海地区夏季的年际变化为减少趋势。     

洞庭湖流域各季节旱涝及其与大气环流和关键区海温的关系

利用逐月降水数据和NCEP/NCAR再分析数据,分析了洞庭湖流域春、夏、秋季57年来旱涝异常的年际变化以及典型旱涝异常年份的全球海温分布形势,并利用降尺度和趋势分析方法探究气象因子对ENSO和关键区海温的响应,以加强对流域旱涝前期影响因素的认识。结果表明：1）流域在春、秋季旱涝变化趋势不明显,在夏季较明显地变湿。2）前期冬、夏季ENSO事件分别对流域春、秋季旱涝产生显著影响,而与夏季呈不显著的统计特征。3）在消除前期ENSO信号后,阿留申群岛附近海域（S3）、澳大利亚东部海域（S4）海温和印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole, IOD）现象仍分别为春、夏、秋季与流域旱涝有密切联系的海温因素。4）S3区SST对流域春季旱涝的影响通过西风带环流实现,S4区SST偏高似乎是东亚夏季风强度偏弱的表现,成熟的IOD现象为流域秋季旱涝的主导因子。     

北极航道相关海域科学考察研究进展

我国从1999年开始已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化导致的北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架海域,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地－北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、以及经济和当地土著居民生活等具有重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对我国在今后北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。     

Summer sea ice characteristics of the Chukchi Sea

During August 1999, we investigated sea ice characteristics; its distribution, surface feature, thickness, ice floe movement, and the temperature field around inter-borders of air/ice/seawater in the Chukchi Sea. Thirteen ice cores were drilled at 11 floe stations in the area of 72°24′ 77°18′N, 153°34′ 163°28′W and the ice core structure was observed. From field observation, three melting processes of ice were observed; surface layer melting, surface and bottom layers melting, and all of ice melting. The observation of temperature fields around sea ice floes showed that the bottom melting under the ice floes were important process. As ice floes and open water areas were alternately distributed in summer Arctic Ocean; the water under ice was colder than the open water by 0.4 2.8℃. The sun radiation heated seawater in open sea areas so that the warmer water went to the bottom when the ice floes move to those areas. This causes ice melting to start at the bottom of the ice floes. This process can balance effectively the temperature fluctuating in the sea in summer. From the crystalline structure of sea ice observed from the cores, it was concluded that the ice was composed of ice crystals and brine-ice films. During the sea ice melting, the brine-ice films between ice crystals melted firstly; then the ice crystals were encircled by brine films; the sea ice became the mixture of ice and liquid brine. At the end of melting, the ice crystals would be separated each other, the bond between ice crystals weakens and this leads to the collapse of the ice sheet.