北极海冰的变化特征

本文使用了北极海冰１９７２～１９８９年的资料，分析了北极海冰的区域特征、季节变化和长期变化的特征。发现由于北极海冰南侧被殴亚和北美大陆所包围，处于基本封闭状态，只有通过白令海峡与太平洋相连和格陵兰海和娜威海与大西洋相连的两个通道，其环境条件与南极海冰绝然不同，因此其特征也明显不同。１、季节变化小。净冰面积冬季是夏季的２倍左右，而南极海有６倍之差。２、海冰寿命较长。以多年冰为主，平均寿命为１．３年。     

近40年北极海冰范围变化特征分析

随着全球变暖,北极海冰正在发生快速变化。文中使用北极地区1972年1月—2012年12月海冰密集度卫星遥感资料,计算了北极海冰范围,讨论了北极海冰范围的各月年变化趋势,并分析了北极海冰范围与北半球温度异常、大气中CO2浓度的关系。分析结果表明:近40年北极海冰呈显著减少趋势,9月份减少最快;北极海冰的减少滞后于北半球2—4月的异常高温;北极年海冰范围与大气中CO2浓度为负相关,相关系数r为-0.94,说明大气中CO2浓度的增长影响了包括气温在内的气候变化要素,而导致北极海冰消退。     

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。     

北极海冰输出研究综述

北极海冰对全球气候变化起重要的指示作用。除了海水冻结和融化过程以外,通过弗拉姆海峡(Fram Strait)的海冰输出也是影响北极海冰质量变化的重要动力机制。观测数据中的多源卫星遥感数据(尤其是辐射计观测数据)在获取大尺度连续观测方面具有独特的优势,在研究北极海冰输出面积通量变化方面有着广泛应用。本文总结了北极弗拉姆海峡、其他通道(S-FJL、FJL-SZ、加拿大群岛、Nares海峡通道)海冰输出面积或体积通量,着重介绍了弗拉姆海峡不同年龄海冰输出情况,并总结和分析了影响北极海冰输运的大尺度大气活动模态。最后,本文阐明北极海冰输出方面现有研究的不足之处以及未来的突破方向。     

1979-2012年北极海冰运动学特征初步分析

利用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰速度和范围数据,本文分析了1979—2012年间北极海冰的运动学特征,以及北极海冰运动与分布范围演变之间的关系。结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的2007和2012年高分辨率的气压场、风场数据,探讨了北极风场和气压场与海冰运动、辐散辐合和海冰面积的关系。结果表明,在1979-2012年间北极海冰平均运动速度呈显著增强的趋势,冬季海冰平均运动速度增加趋势明显强于夏季;北极、波弗特-楚科奇海域和弗拉姆海峡的冬、夏季海冰平均运动速度的增加率分别为2.1%/a和1.7%/a、2.0%/a和1.6%/a以及4.9%/a和2.2%/a。1979-2012年北极海冰平均运动速度和范围的相关性为-0.77,二者存在显著的负相关关系。北极冬季和夏季风场的长期变化趋势与海冰平均运动速度的变化趋势一致,冬季和夏季的相关系数分别为0.50和0.48。风场和气压场对海冰的运动、辐散及重新分布发挥着重要作用。2007年夏季,第234~273天波弗特海域一直被高压系统控制,波弗特涡旋加强,使得波弗特海域海冰聚集在北极中央区;顺时针的风场促使海冰向格陵兰岛和加拿大北极群岛以北聚合。2012年,白令海峡和楚科奇海域处于低压和高压系统的交界处,盛行偏北风,海冰从北极东部往西部输运,加拿大海盆的多年海冰因离岸运动而辐散,向楚科奇海域的海冰输运增加,受太平洋入流暖水影响,移入此区域的海冰加速融化,从而加剧海冰的减少。     

北极海冰变化特征分析

本文利用NASA的海冰密集度资料(时间为1978年10月～2002年9月,分辨率为1.0×0.25),计算并分析了1978～2002年的北极海冰面积、范围的时间变化趋势以及变化的空间分布。     

2017年夏季北极中央航道海冰观测特征及海冰密集度遥感产品评估

2017年夏季中国第八次北极科学考察期间,"雪龙"号极地考察船首次成功穿越北极中央航道,期间全程开展了海冰要素的人工观测。中央航道走航期间的平均海冰密集度和平均冰厚分别为0.64和1.5 m,海冰密集度时空变化大且以厚当年冰为主,高纬密集冰区的浮冰大小显著高于海冰边缘区。基于"雪龙"号的船基走航观测海冰密集度评估比较了国际上常用的5种常用的微波遥感反演海冰密集度产品,同走航目测海冰密集度点对点的比较,误差最大的为德国不来梅大学AMSR2基于Bootstrap算法的产品,平均误差和均方根误差分别为0.19和0.28;误差最小的为欧洲气象卫星应用组织基于AMSR2数据和OSHD和TUD两种不同算法的产品,平均误差分别为-0.02和0.01,均方根误差均为0.20。从日平均比较来看,AMSR2基于Bootstrap算法的误差最大,平均误差和均方根误差分别为0.15和0.20;AMSR2/OSI SAF（TUD）的误差最小,平均误差和均方根误差分别为0.0和0.11,OSI SAF产品更接近人工观测结果。     

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...     

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.     

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.     

夏季北极密集冰区范围确定及其时空变化研究

研究夏季北极密集冰区的范围变化是了解北极海冰融化过程的重要手段。密集冰区与海冰边缘区之间没有明确的分界线, 海冰密集度在两者之间平滑过渡, 确定密集冰区范围就需确定一个密集度阈值。文中依据分辨率为6.25 km的AMSR-E遥感数据, 发现不同密集度阈值所围范围在密集冰区边缘处的减小存在由快变慢的过程, 同时与周围格点的密集度差异变化在该处最为显著, 对这两个特征进行统计分析, 获得的阈值同为89%, 具有明确的物理意义和合理性。以此为基础, 运用腐蚀算法剔除海冰边缘区, 同时结合连通域法排除小范围密集冰的影响, 进而确定密集冰区的范围。结果表明, 2002-2006年密集冰区覆盖范围较大, 年际变化较小, 2007年以后明显减小, 2010年与2011年相继出现最小值, 其中2011年的范围最小值仅为2006年的64%。密集冰区范围的变化不同于海冰覆盖范围, 是具有独立特性的海冰变化参数, 反映出高密集度海冰区域的变化特征。海冰的融化与海冰边缘区的变化是导致密集冰区范围发生变化的两个主要因素, 受动力学因素的影响, 海冰边缘区发生伸展或收缩, 发生密集冰区与海冰边缘区互相转化。本文提出了一种研究北极海冰变化的新思路, 密集冰区覆盖范围的减小表明北极中央区域高密集度海冰正持续减少。     

Arctic sea ice distribution in summer based on aerial photos

1Introduction TheArcticOceanisoneoftheimportantcold sourcesontheearth,whichaffectsglobalclimateand oceancirculationseriously.Itsinteractionwithglobal climatesystemisrepresentedbyseaice,whichisthe mainfeatureonthesurfaceoftheArcticOcean(Aa- gaard,etal.,1989).Firstly,seaiceplaysapivotalrole intheheatandmassbalanceonthesurfaceoftheArc- ticOcean.Seaicenotonlyobstructstheheatexchange betweenatmosphereandocean,butalsoreflectsthe mostofthelocalsolarradiationbacktotheatmo- spherebecauseofitshighalb…     

北极夏季海冰反照率的观测和数值模拟试验

在中国第3次北极科学考察浮冰站开展了积雪/海冰反照率观测.本文对观测结果进行了分析,并结合一维高分辨雪/冰模式(HIGHTSI)对3个常用的反照率参数化方案在天气尺度的表现进行了评估.观测期间测站反照率变化范围0.75～0.85,其天气尺度变化同天气和表面冰、雪状况紧密相关,降雪和吹雪过程可改变表面积雪厚度及水平分布,...     

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.     

Arctic summer sea ice phenology including ponding from 1982 to 2017

Information on the Arctic sea ice climate indicators is crucial to business strategic planning and climate monitoring. Data on the evolvement of the Arctic sea ice and decadal trends of phenology factors during melt season are necessary for climate prediction under global warming. Previous studies on Arctic sea ice phenology did not involve melt ponds that dramatically lower the ice surface albedo and tremendously affect the process of sea ice surface melt. Temporal means and trends of the Arctic sea ice phenology from 1982 to 2017 were examined based on satellite-derived sea ice concentration and albedo measurements. Moreover, the timing of ice ponding and two periods corresponding to it were newly proposed as key stages in the melt season. Therefore, four timings, i.e., date of snow and ice surface melt onset (MO), date of pond onset (PO), date of sea ice opening (DOO), and date of sea ice retreat (DOR); and three durations, i.e., melt pond formation period (MPFP, i.e., MO–PO), melt pond extension period (MPEP, i.e., PO–DOR), and seasonal loss of ice period (SLIP, i.e., DOO–DOR), were used. PO ranged from late April in the peripheral seas to late June in the central Arctic Ocean in Bootstrap results, whereas the pan-Arctic was observed nearly 4 days later in NASA Team results. Significant negative trends were presented in the MPEP in the Hudson Bay, the Baffin Bay, the Greenland Sea, the Kara and Barents seas in both results, indicating that the Arctic sea ice undergoes a quick transition from ice to open water, thereby extending the melt season year to year. The high correlation coefficient between MO and PO, MPFP illustrated that MO predominates the process of pond formation.     

北极东北航道海冰变化特征分析研究

21世纪以来,北极海冰正在发生快速变化,海冰覆盖范围明显减小,厚度显著变薄,在此背景下,东北航道的提前开通成为可能.本文对多年来北极东北航道内的海冰变化特征和近几年东北航道的开通情况进行了分析研究,认为东北航道在9月份开通的可能性最大,8月份次之,10月份通航的困难较大;历年的航道开通起始时间变化较大,俄罗斯新西伯利亚群岛和北地群岛,与大陆之间的海冰对东北航道的开通起着关键作用.东北航道的海冰年际变化较大,这给未来东北航道使用带来了较大挑战.     

Plankton community and bacterial metabolism in Arctic sea ice leads during summer 2010

Microbial plankton metabolism was examined during summer 2010 in sea ice-influenced waters of the Fram Strait, eastern Arctic Ocean. Rates of gross primary production and community respiration were tightly coupled over a wide range of values (33±3–143±6 and 20±3–126±6 mmol O₂ m^{−2  −1}, respectively) leading to a prevalence of positive net community production. The high variability in community respiration, similar to that of gross primary production, suggests that heterotrophic metabolism may exhibit a significant response to environmental change. Bacterial respiration was assessed at similar time scales to bacterial production measurements, by determining the in vivo INT reduction capacity without pre-filtering the community. Bacteria seem to play a major role in total community respiration, contributing between 5% and 61% of total community respiration, indicating that a high fraction of the organic carbon in Arctic planktonic food webs could flow through these microbes.     

北极地区不同冰龄的海冰厚度变化研究

In this study, changes in Arctic sea ice thickness for each ice age category were examined based on satellite observations and modelled results. Interannual changes obtained from Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite(ICESat)-based results show a thickness reduction over perennial sea ice(ice that survives at least one melt season with an age of no less than 2 year) up to approximately 0.5–1.0 m and 0.6–0.8 m(depending on ice age) during the investigated winter and autumn ICESat periods, respectively. Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System(PIOMAS)-based results provide a view of a continued thickness reduction over the past four decades. Compared to 1980 s, there is a clear thickness drop of roughly 0.50 m in 2010 s for perennial ice. This overall decrease in sea ice thickness can be in part attributed to the amplified warming climate in north latitudes. Besides, we figure out that strongly anomalous southerly summer surface winds may play an important role in prompting the thickness decline in perennial ice zone through transporting heat deposited in open water(primarily via albedo feedback) in Eurasian sector deep into a broader sea ice regime in central Arctic Ocean. This heat source is responsible for enhanced ice bottom melting, leading to further reduction in ice thickness.     

全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951−2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

巴芬湾西部和格陵兰岛东部大气经向热量输送协同变化对夏季北极海冰的影响

利用欧洲中心气候再分析资料和美国国家冰雪数据中心北极海冰面积资料,分析了夏季北极海冰面积与前期大气经向热量输送年际变化的联系。结果表明：6月北半球中高纬大气的经向热量输送以瞬变热量形式为主,其中巴芬湾西部（B区）和格陵兰岛东部（G区）是瞬变热量向极区传输的两个通道,二者之间存在反位相的协同变化,且这种协同变化与夏季北极海冰面积变化密切相关。可能的机制为：6月,AD、AO和NAO三种北极大气环流型能够引起巴芬湾西部和格陵兰岛东部瞬变热量输送的协同变化,这种协同变化通过涡旋动力作用激发夏季极区大气表现为AD异常,同时影响途经区域的气温,从而通过热动力作用影响夏季北极海冰。将向极区输送的热量称为暖输送,从极区输出的热量为冷输送,则上述两个区域的瞬变热量协同输送可分为三种情况：B暖G冷、B冷G暖、B和G均冷,而B和G均暖的情况十分罕见。当B区向极区输入、G区输出热量时,有利于太平洋扇区和喀拉海的海冰偏少;当G区输入、B区输出热量时,利于喀拉海和拉普捷夫海海冰偏少;当B区和G区均输出热量时,利于波佛特海南部、喀拉海和拉普捷夫海海冰偏多,反之则相反。