辽东湾粒状海冰弯曲力学行为试验研究

弯曲破坏是冰与船舶和锥形海洋结构物相互作用时经常发生的一种冰破坏模式。全球变暖延长了渤海海冰的冻结期,导致冰层中粒状冰的比例呈增加趋势。为了更好地理解渤海粒状海冰的弯曲力学行为,使用2010－2011年冬季在辽东湾收集的粒状海冰进行了实验室三点弯曲试验。在?5、?10和?15°C条件下,共测试了42个海冰试样。应变速率范围为1×10?6~6×10?4 s?1,加载方向垂直于原始冰面。在试验过程中,测量每个冰试样的盐度和密度以计算孔隙率。试验分别给出了弯曲强度和有效弹性模量关于孔隙率的参数化关系,归一化后,弯曲强度在整个应变速率范围内没有速率依赖性。相比之下,有效弹性模量随着应变速率的增大而增大。以孔隙率和应变速率为因子,建立了冰试样有效弹性模量的参数化方程。     

北极海冰密集度数值预报及验证评估研究

本文系统地评估了国家海洋环境预报中心于我国第七次北极科学考察期间开展的北极海冰密集度数值预报结果。该预报系统基于麻省理工大学通用环流模式，并采用牛顿松弛逼近（Nudging）资料同化方法，计算输出未来1~5 d的北极海冰密集度预报产品。本文将数值预报结果同卫星观测的海冰密集度、再分析资料和"雪龙"号第七次北极考察期间观测的海冰密集度数据进行了对比分析。结果表明，预报的北极海冰密集度小于卫星观测值，24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为-2.7%、-3.1%和-3.2%；数值产品的预报技巧好于气候态结果和惯性预报，但是在海冰出现快速融化或冻结时，基于Nudging同化的数值预报技巧仍有不足。另外，相比船测数据，数值预报结果在海冰边缘区的偏差相对较大，24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为8.8%、12.0%和14.5%。     

误差订正对2018年夏季次季节尺度海冰预测的作用

北极海冰次季节尺度预测在针对破冰船和商船的实际服务中十分重要，但常常受制于气候模拟的模拟能力。本研究提出了一种误差订正方法并分别应用到两个气候模式：海洋一所地球系统模式（FIOESM）和美国国家环境预报中心（NCEP）的气候预报系统（CFS），来改善北极海冰60天尺度的预测。本研究的预测工作是中国第9次北极科学考察和2018年夏季中远集团北极商业航行的业务化海冰服务保障的重要部分。模式起报时间分别是2018年7月1日、8月1日和9月1日，预报时效均是60天。结果显示，FIOESM整体上低估了海冰密集度的数值，平均偏差可达30%。误差订正对海冰密集度（SIC）的均方根偏差（RMSE）的改进比例可达27%，对海冰外缘线（SIE）的整体偏差（IIEE）的改进比例为10%。而对于CFS，SIE在边缘区域的过高估计是其主要特点。误差订正导致了SIC的RMSE改进了7%，而对SIE的IIEE改进了17%。在海冰范围预测方面，FIOESM预测的最小范围数值和时间点都和观测接近，而CFS的预测结果偏差较大。另外和其他S2S模式的结果比较发现，本研究提出的误差订正方法对存在较大偏差的预测结果改进更为有效。     

2016年南极中山站固定冰冰厚观测分析

极区海冰是全球气候系统的重要组成部分，南极的固定冰普遍存在于其沿海地区，中山站周边固定冰一般在11月中下旬达到最厚。海冰厚度是海冰的重要参数之一，2016年在南极中山站附近3个站点(S1、S2、S3站点)共布放了4套温度链浮标，包括1套SIMBA (Snow and Ice Mass Balance Array)温度链浮标和3套太原理工大学温度链浮标(TY温度链浮标)，SIMBA温度链浮标每天观测4次，TY温度链浮标每小时观测1次。利用浮标观测的温度剖面以及海冰和海水间不同介质温度差异计算得到海冰厚度。在S3站点，同时布放了SIMBA温度链浮标和TY温度链浮标。温度链浮标计算冰厚和人工钻孔观测冰厚比较结果显示，S1站点TY温度链浮标计算的海冰厚度平均误差和均方根误差分别为3.3 cm和14.7 cm，S2站点和S3站点分别为6.6 cm、6.9 cm以及4.0 cm、4.8 cm。S3站点的SIMBA温度链浮标计算冰厚和人工观测冰厚的平均误差和均方根误差为8.2 cm和9.7 cm。因而S3站点TY温度链浮标计算的海冰厚度更接近人工观测的结果。进一步对Stefan定律海冰生长模型进行对比，模型计算得到的海冰生长率为0.1～0.8 cm/d，生长率快于TY温度链浮标的结果，且受积雪影响明显。相比于卫星遥感反演冰厚的误差和观测时段的限制以及有限的人工观测，2种温度链浮标未来对于中山站附近海冰的长期监测均有重要的应用价值。     

南极Dome A至普里兹湾沿岸下降风特征

本文利用我国极地数值天气预报系统和美国南极中尺度预报系统的存档数据,分析了Dome A至普里兹湾沿岸地区下降风风场的时空分布和大气质量通量,给出了该地区下降风的基本特点。该地区下降风受南极冰盖地形影响强烈,艾默里冰架西侧等陡峭地区风速总体较大;下降风随季节变化较大,冬季的下降风较强。强下降风在前进过程中有绝热增温现象,并给艾默里冰架西部带来近表层升温。下降风风速最大处位于地面以上约100～200 m高度,风速较大地区的下降风在垂直方向上分布较为深厚。下降风在普里兹湾沿岸的表层大气质量通量在时空分布上极不均匀,艾默里冰架西侧的下降风气流较强时,普里兹湾海域有较多的中尺度气旋活动。下降风引发普里兹湾中尺度气旋旋生的过程值得关注,需进一步研究下降风引发中尺度气旋的机理。     

西昆仑恰尔隆—大同一带斑岩铜钼矿找矿前景分析

通过近5年来在西昆仑地区大量矿床(点)检查、评价、解剖基础上,课题组新发现了喀依孜钼矿(王核等,2008)、喀拉果如木铜矿(王核等,2010)等一批矿点(刘建平等,2010)。在区域主要矿床类型、区域成矿带划分、斑岩铜钼矿床成矿、新的大型找矿靶区、西昆仑斑岩型铜钼矿床     

近年北极东北和西北航道开通状况分析

利用微波卫星遥感数据对北极东北航道和西北航道近年来的冰情变化,以及影响航道开通的关键区域和每年的开通状况进行了分析和总结,并对航道未来的可能冰情状况进行了展望,期望对航道利用者有所帮助。东北航道全线开通期主要集中在8月下旬至10月上旬,开通总天数多在40~50d;西北航道南线开通期主要集中在8月上中旬至10月上旬,开通总天数多在50~60d;西北航道北线开通时间主要集中在9月。东北航道冰情最为复杂的是连接拉普捷夫海和喀拉海的北地群岛区域海冰,也是影响航道开通的关键区。影响西北航道南线开通的关键主要是威廉王岛附近维多利亚海峡、威尔士王子岛东侧的皮尔海峡和北侧巴罗海峡区域的海冰状况;影响北线开通的关键区域是班克斯岛西北部的麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡;东北航道可通航性优于西北航道。虽然气候变化大背景下北极海冰总量减少,但由于海冰流动性增强,局部海冰变化愈发复杂,海冰分布年际差异较大,需要加强北极海冰监测和预报能力,为未来航道利用提供保障。     

2014年初雪龙船在南极被海冰围困期间海洋气象环境分析

2014年初雪龙船为救援俄罗斯"绍卡利斯基院士"号船,在南极联邦湾被海冰围困,及时掌握雪龙船周边的冰情变化,以及给出准确的天气形势判断和预报,是此次雪龙船顺利脱困的关键。通过对雪龙船被困期间的海冰、气象和海洋环境状况综合分析发现,造成雪龙船被困的主要因素,一是由于雪龙船被困区域靠近大陆架,冰山较多,多年冰和当年冰夹杂在一起,海冰类型较为复杂;二是由于受连续多个气旋影响,在雪龙船受困海域,偏东大风持续时间长,风力大,导致海冰自东向西堆积,致使雪龙船被困。     

北极夏季海冰单轴抗压强度研究

The results on the uniaxial compressive strength of Arctic summer sea ice are presented based on the samples collected during the fifth Chinese National Arctic Research Expedition in 2012(CHINARE-2012). Experimental studies were carried out at different testing temperatures(-3,-6 and-9°C), and vertical samples were loaded at stress rates ranging from 0.001 to 1 MPa/s. The temperature, density, and salinity of the ice were measured to calculate the total porosity of the ice. In order to study the effects of the total porosity and the density on the uniaxial compressive strength, the measured strengths for a narrow range of stress rates from 0.01 to 0.03 MPa/s were analyzed. The results show that the uniaxial compressive strength decreases linearly with increasing total porosity, and when the density was lower than 0.86 g/cm3, the uniaxial compressive strength increases in a power-law manner with density. The uniaxial compressive behavior of the Arctic summer sea ice is sensitive to the loading rate, and the peak uniaxial compressive strength is reached in the brittle-ductile transition range. The dependence of the strength on the temperature shows that the calculated average strength in the brittle-ductile transition range, which was considered as the peak uniaxial compressive strength, increases steadily in the temperature range from-3 to-9°C.     

冻融模型相似性分析及试验验证

为提高冻融模型与原型的相似程度,提出冻结指数相似比和实验室修正系数的概念及计算方法。以哈尔滨地区黄土为试验材料,将该地区2010–2012年3年日平均气温进行线性简化,基于含相变热传导的微分方程基础上,采用相似理论,在几何、温度和时间比尺约束下对密度为1.60 g/cm3、含水率为20 %的试样进行冻融循环模型试验,确定实验室修正系数K值为1.13,得到冻结指数相似比CI为1:102.5。对冻融阶段温控历时进行优化,进行冻融循环模型试验。通过对比可知,优化后模型的最大冻深值为21.33 cm,与模型预定值20 cm相差仅6.5 %;优化后冻融模型弥补了太阳辐射对冻深的影响,一个冻融周期由108.14 h减少为84.53 h。以实验室修正系数K和冻结指数相似比CI优化冻融过程的各温控阶段历时合理,显著提高了冻融模型的最大冻深和冻融过程在几何比尺和时间比尺上的相似度。