祁连山七-冰川反照率的参数化研究

通过对2006年和2007年暖季消融期七一冰川反照率的观测资料分析,基于冰川反照率的变化规律及其影响因素,根据实测资料的统计建模和验证,初步给出了具有试验基础的冰川反照率多因子参数化公式,其时间分辨率为1 h.经检验,2006年和2007年考察期间冰川反照率的模拟值和观测值序列之间的相关系数分别达到了0.901和0.9...     

气候模式中积雪覆盖率参数化方案的对比研究

利用基于NCEP再分析的近地面气候资料驱动陆面过程模型NCAR CLM3,检验了6种积雪覆盖率参数化方案(CLM3、Douville1995、Roesch2001、Wu2004、Yang1997、Niu2007)模拟的积雪覆盖率的季节变化,并与NOAA AVHRR得到的观测结果进行了对比分析.结果表明,在NCARCLM3的物理过程框架之下,CLM3、Douville1995、Roesch2001三种方案低估了广大地区的积雪覆盖率,模拟的雪线位置偏北,尤其是在秋季积雪初期;Wu2004方案低估了秋季欧亚大陆的积雪覆盖率;Yang1997方案模拟的积雪覆盖率有些偏高,尤其是在积雪覆盖区的南部边缘;考虑积雪密度变化的Niu2007方案一定程度上克服了Yang1997方案的正偏差.春季末期,6种方案模拟的雪线位置都偏北.在地形比较平缓的地区,Niu2007方案的整体效果最好.观测和模拟的积雪覆盖率的出现频数大部分集中在低(小于0.2)和高(大于0.8)覆盖率等级,中等覆盖率所占比例很少.     

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。     

基于海冰物理和力学参数的渤海冰工程分区

根据渤海海冰物理和力学参数分布建立渤海海冰工程分区.其特点是将作用到相同直径或宽度的直立结构物上冰的作用力范围相同的区域划分为同一分区内,因此不同重现期设计冰厚度和峰值压缩强度之积作为区划指标.为了获得不同重现期渤海海冰物理和力学性质参数,利用渤海历史资料建立用气温、水温、冰期和冰厚表达非变形平整冰层和冰样温度、盐度、密度的关系,进而获得冰的孔隙率;利用渤海海冰单轴压缩强度同孔隙率的试验关系计算相应峰值压缩强度;然后发展渤海不同重现期平整冰层物理和力学参数的平面分布.在此基础上以新区划指标做不同重现期的海冰工程分区.作为新区划的实例,给出25、50、100年重现期的渤海海冰工程分区.     

青藏高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响

为了研究青藏高原暖季土壤水分对冻土区地表热状况的影响,选取2010-2012年5-9月在青藏高原唐古拉气象场获取的气象及其活动层数据,分析了表层土壤水分对地表反照率以及土壤热参数的影响.结果表明：唐古拉站暖季表层土壤含水量集中在0.15～0.27之间,地表反照率值集中在0.14～0.24之间,日平均土壤热导率的波动范围在0.9～2.0 W·m^-1·K^-1之间,土壤热容的波动范围主要集中在0.8×10⁶～1.8×10⁶ J·m^-3·K^-1之间,而土壤热扩散率则主要集中在0.6×10^-6～2.2×10^-6 m2·s^-1之间.土壤水分对地表反照率影响较大,随着土壤水分的增长,地表反照率呈现出明显的减小趋势.土壤水分对地表反照率的影响还受到植被生长周期的影响,土壤水分和地表反照率之间的关系在植被枯萎期和生长期有明显的差异性.唐古拉地区土壤热参数也明显受到土壤水分变化的影响,随着土壤水分的增加,土壤热导率、热容和热扩散率都为增大趋势,但是土壤水分对土壤热导率的影响较为显著,而对土壤热扩散率的影响则不显著.     

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.     

北半球高纬海冰主要气候特征的全球海冰气耦合模式数值模拟

利用一个全球海冰气耦合模式对北半球高纬海冰的主要气候特征进行了数值模拟。结果表明 ,模拟结果中海冰的季节变化特征合理 ,冬季海冰的主要地理分布特征都模拟得很好 ,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度模拟得偏大。模拟结果中 ,北半球高纬地区冬季海冰密集度具有显著的年际变化 ,变化最显著区域位于格陵兰海 ,其次是巴伦支海 ,这些特征均与观测结果一致。对这个海冰气耦合模式在北半球海冰平均气候状况、季节变化和年际变化方面模拟能力的检验结果表明 ,当前的研究工作为下一步进行长期变化趋势的模拟打下了基础。     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小,降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes-Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

南极海冰增加对全球7月气候的影响

采用了OSU两层大气环流模式进行数值试验, 研究了南极海冰增加的气候效应.试验中海温取为气候平均值, 南极海冰作为外强迫源影响大气, 大气响应完全是环流内部调整的结果.调整的途径首先是对外强迫的局地响应--南极下垫面的温度发生变化, 结果使得冬季南大洋绕极低压带的位置偏北、强度增加, 南半球大气以强经向环流为主, 绕极气旋强大活跃.这种变异主要以Rossby波列的形式影响到南半球的中高纬度, 再通过斜压的越赤道气流, 即经向热交换的变化影响到北半球的大气环流, 导致北半球夏季大气环流呈纬向分布, 极地冷空气活动减弱.大气环流的变异又影响到气候诸要素, 反映明显的是越赤道气流在印度洋上的加强和太平洋上的减弱, 使得西南季风加强, 东南季风减弱; 太平洋副高位置的偏北, 导致中国华北、华东和江淮流域少雨、高温, 北美中高纬度严重多雨和低温.     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小, 降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

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。     

白令海楚科奇海的海冰范围变化特征

白令海和楚科奇海位于北极太平洋一侧的海冰外缘线附近,具有较强烈的气冰海相互作用.采用滑动t检验和小波分析方法对白令海和楚科奇海1953—2004年海冰范围的年际变化、年代际变化和总体趋势变化进行分析.结果表明:20世纪70年代后期,海冰范围在白令海存在显著的均值突变现象,而楚科奇海在对应阶段则表现为更明显的变频现象;在突变点前后两个时段里,阿留申低压中心低压加强、核心位置偏移以及对应风场分布的变化是导致白令海海冰范围明显缩小的主要动力原因.楚科奇海海冰范围的年际变化中存在由低频向高频变化的现象,该现象除了在局地气温变化中存在之外,在北冰洋区域风涡度、波弗特海纬向风、东西伯利亚海经向风等动力因素中也有所体现.因此,除热力因素外,动力因素引起的海冰的平流与该变频现象也存在一定的联系.     

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.     

白令海冰间湖的数值模拟及影响模拟准确度的关键因素

冬季在北白令海陆架区域频繁地出现潜热冰间湖,对当地的生态系统和北极盐跃层贡献很大.将CICE海冰模式应用到该区域,采用高分辨率(6.37 km)网格,模拟2002年11月至2003年4月的海冰变化过程,模拟的海冰总面积和海冰密集度与AMSR-E/Aqua卫星遥感结果吻合很好,其中两者日平均海冰总面积在模拟期间的相关系数达到0.97.模拟结果表明,东北风将海冰向南输运在东西走向的海岸南部形成冰间湖,反映了潜热冰间湖形成和演化的动力过程.对卫星观测数据,将海冰密集度<75%作为冰间湖的判据;而对数值模拟结果,确定海冰密集度<70%为冰间湖的判据.据此讨论白令海4个区域的冰间湖形成过程,与卫星数据进行比较,大部分冰间湖得到很好的模拟.深入讨论了影响冰间湖模拟准确度的主要因素,认为选用恰当的阈值、提高气象强迫场的空间和时间分辨率有助于提高模拟效果.对部分海域的冰间湖模拟效果不佳,需要发展冰海耦合模式才能最终解决.     

1997-2005年北极东西伯利亚海海冰变化特征研究

近年来北冰洋气候系统发生了显著变化,海冰面积减小和厚度变薄是最主要的特征.利用美国国家冰中心的1997—2005年东西伯利亚海海冰密集度数据,研究了该海域海冰覆盖率的多年变化特征.结果表明:1997—2001年海冰冰情偏重,2002—2005年海冰冰情明显减轻,尤其是2005年,海冰面积覆盖率创密集度为近几年最低值.海冰融冰期长度和海冰面积覆盖率最小值与海冰面积指数的相关系数在置信水平为0.95时分别达到-0.90236和0.9098,海表负积温与海冰面积指数的相关系数达到-0.7424.近年来东西伯利亚海海面风场的偏南风有加强趋势,有利于海冰的北向运移和暖空气北上,造成海冰面积持续减小.河流径流量在9a中整体呈现增长趋势,与海冰具有很好的负相关性.     

冰雪反照率研究进展

冰雪反照率在地气能量平衡中起重要作用,其大小取决于两个方面,即冰雪面的反射属性以及大气或天空的状况.因此,影响冰雪反照率的因素除其自身的物理属性如积雪粒径、密度、含水量、杂质和污化程度等外,云对冰雪反照率也产生影响,从而使冰雪的反照率呈现出日变化、季节变化和空间变化规律.最后,评述了利用数值模式及卫星遥感反演方法对冰雪反照率的相关研究进展.     

A Study of Monitoring,Simulation and Climate Impact of Greenland Ice Sheet

Greenland Ice Sheet is one of the two largest ice sheets on the planet. Under the background of climate warming, the melting of the Greenland ice sheet and its contribution to sea level rise has become an international hot issue. The whole melting of the Greenland ice sheet can cause the global sea level to rise by about 7.3 meters. However, the dynamic mechanism that affects the mass balance of ice sheet is still unclear and is the greatest uncertainty source for predicting the rise in sea level in the future. The National Key Research and Development Program of China “A Study of the Monitoring, Simulation and Climate Impact of Greenland Ice Sheet” conducts monitoring and simulation studies on the key processes of instability of the “ice sheet-outlet glacier-sea ice” system, and establishes a satellite-airborne-ground integrated observation system, supporting the numerical simulation and impact research of the ice sheet and its surrounding sea ice, laying the foundation for long-term monitoring and international cooperation in Greenland. This program will work to reduce the uncertainty of sea level change projections by improving the ice sheet dynamic model forced by the ice core records, reveal the driving mechanism of sea ice changes around the ice sheet, focusing on the Northwest Passage, evaluate and forecast the navigation window period. The results of the project will deepen the understanding of the changes and impacts of the Arctic cryosphere, serve the safe navigation and operation of the Northwest Passage, and provide scientific support for the comprehensive risk prevention of coastal zones in China.     

冰对海洋结构的临界力

将海冰作为浮在海水上的半无限大的平板,将海水的浮力作为弹性地基,把海冰与桩柱的作用力看作为集中力,海冰的破坏看作为集中力作用下的平板失稳问题,给出了冰排在集中力作用下的压曲微分方程,数值计算结果给出了海冰在桩柱作用下的临界载荷的表达式,为海洋结构的设计提供了依据.