南极中山站附近固定冰生消过程观测

2005～2006年对南极中山站附近固定冰区海冰生消过程进行了系统观测。基于观测数据比较了2005年和2006年冰季固定冰生消过程的差异,分析了冰厚增长速率的日内变化和季节变化,讨论了积雪对固定冰生消的影响。2005年尽管冰生长期的负积温较大,但由于雪厚较大,其冰厚增长速率和最大冰厚都小于2006年的观测值;极夜期间冰厚增长速率的日内变化不明显,但极夜前和极夜后都存在明显的日内变化;中山站以北16km范围内的冰/雪厚度随离岸距离没有明显的变化趋势,但冰脊形成和冰山存在都会对局部的冰/雪厚度分布产生较大影响。     

电磁感应技术在南极海冰厚度探测中的应用

介绍一种能够高效探测海冰厚度的电磁感应方法及其在南极考察中的应用。该技术方法针对海冰和海水的电特性,利用电磁场原理精确探测仪器至冰水交界面的距离,以实现海冰厚度的测定。通过电磁感应(EM)仪观测的视电导率与同点位钻孔测量数据对比分析,获得视电导率与海冰厚度的换算关系式,通过对用该关系式计算出的海冰厚度进行验证,表明电磁感应技术能够获得可靠的海冰厚度数据。对探测剖面的海冰厚度统计表明,2005—2006年夏季南极内拉峡湾内海冰以平整冰为主,其厚度为0.8~1.4 m。     

南极海冰和陆架冰的时空变化动态

利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料, 对南极海冰的长期变化进行了研究.结果表明: 20世纪70年代后期是多冰期; 80年代是少冰期; 90年代南极海冰属于上升趋势, 后期偏多; 区域性变化差别大, 东南极海冰偏多, 西南极海冰即南极半岛两侧特别是威德尔海(Weddell Sea)区和别林斯高晋海(Bellingshausen Sea)的冰明显偏少.东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多, 南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩, 有崩解也有再生的自然变化现象.西南极威德尔海的龙尼冰架(Ronne Ice Shelf)和罗斯海冰架(Ross Ice Shelf)东部崩解和收缩趋势明显, 东南极的冰架也有崩解和收缩, 但没有西南极明显.陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.目前, 南极冰盖断裂崩解形成的冰山, 向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14 mm.南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少, 而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.     

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。     

南极的海冰区生态学研究

南极海冰区生态学研究始于20世纪60年代,属新兴的生态学研究领域。经过三个阶段的发展和深入研究,科学家们对海冰在冰区生态系统中的作用方面取得了共识。随着EASIZ和CS-EASIZ等国际南极区域性计划的相继出台,该研究已成为目前南极生态学研究的前沿和热点领域。文章同时对该领域的国内、外研究现状做了简要的介绍。     

中国第19次南极科学考察中海冰调查技术介绍

介绍了第19次中国南极科学考察中海冰走航和定点调查使用的一些新技术.实践发现这些辅助技术可以提高裸眼观测的准确性, 它们同样可以应用于渤海海冰和内陆河冰的现场调查.其中可视技术、船舶雷达跟踪技术和冰层厚度变化过程测试技术应用前景宽阔, 介绍了它们的测试目标、原理、组成和运行性能.     

2003年南极威德尔海至普里兹湾之间海冰分布研究

Ship-based sea ice observation data (concentrations,ice thickness,topography and overlying snow cover) were collected from Middle Weddell Sea to Prydz Bay,Antarctic during the period of 4 to 17 Jan 2003.Antarctic ice chart of first week of Jan 2003 was derived from National Ice Center (NIC).The compared analysis of sea ice concentrations and thickness distributions were conducted though in situ data and NIC chart.Results from sea ice concentration-analysis indicated the presence of large-scale open water between 2000 and 4100 km along transit route resulted from sea ice drifting.We describe the existence of mostly smooth first-year sea ice in study region ranged between 30 and 120 era.We also display the derived overlying snow coverage.Our results reveal the strong correspondence between ship-based observations and remotely sensed ice charts whatever in ice concentrations and ice thickness distributions.     

基于CryoSat-2卫星测高数据分析南极海冰厚度的时空变化

利用卫星测高数据能够获取大尺度、长时序的海冰厚度信息。相较于北极,目前南极海冰厚度特别是近期变化信息仍很缺乏。基于2013-2018年的CryoSat-2卫星测高数据,采用最低点高程法和静力平衡方程模型反演了近6年逐月平均海冰厚度并分析其时空变化规律。结果表明：2013-2018年南极海冰厚度整体呈现先上升后下降的趋势,其中,2014-2017年年平均海冰厚度表现为快速变薄。南极较厚的海冰集中在威德尔海西南海域,最大值出现在该海域2014年的7月（6.27 m）。年平均海冰厚度在2017年达到最低值。南极海冰厚度的时空变化研究可为深入研究海冰变化与全球变化的关系提供参考。     

基于走航观测的夏季南极海冰分布特征分析

依托中国第19次南极科学考察,基于ASPeCt(南极海冰过程与气候)海冰走航观测方法标准,以"雪龙号"破冰船为平台进行夏季南大洋海冰走航观测.在2003年1月4-17日近6 500km的航程断面上,分别获取了海冰的厚度、密集度、雪厚度、浮冰尺寸等海冰分布特征参数.结果表明,海冰分布特征参数均呈现了较大的空间变化.由于夏季海冰融化并受制于特定动力过程作用,海冰在威德尔海附近聚集,密集度达到峰值,沿断面在0%～80%之间变化;在断面的大部分观测到开阔水域.沿断面海冰厚度介于10～210cm,雪厚度介于2～80 cm之间,在埃默里冰架附近冰雪厚度达到了全断面的最高值.沿断面浮冰尺寸,最小到＜10 cm到最大超过2 000 m不等.     

基于海冰分析图获取北极固定冰分布的方法研究

对北极沿岸地区固定冰的分析研究,将有助于更全面认识北极海冰的变化趋势,并为进一步探索北极航道的开发利用提供数据支撑。基于美国国家冰中心发布的2008-2018年逐周/逐两周海冰分析图发展了一个数据转化处理方法,准确提取了全北极逐周的固定冰分布格点数据。分析该时间序列发现,北极平均固定冰范围为（9.0±6.3）×10⁵ km²,呈现出（-1.0±3.9）×10³ km²·a^-1的减小趋势;4月份固定冰范围最大,多年平均值为1.6×10⁶ km²,处于北极冬季的1-6月份的范围均高于百万平方公里,而7-10月份为北半球夏季,几乎无固定冰存在。将MODIS图像作为基准数据对不同月份的七组结果进行对比验证,结果显示：结冰末期和融冰前期的平均偏差较小,如2012年3月12日的固定冰外缘线平均偏差为-0.8 km;而融冰末期的偏差较大,如2009年9月14日的固定冰外缘线平均偏差为-9.4 km;但所有月份的验证误差都小于格点网格的大小（25 km）,因此认为该方法是可行的,得到的格点数据可以代表固定冰的真实分布情况。     

ENSO循环过程与南极海冰变化

应用1951-2001年ENSO特征指数(NINO1+2、NINO3、NINO4、NINO3.4、SOI)和1973-1998年南极海冰北界范围以及1950-2001年SODA海洋温度资料,分析探讨了ENSO循环过程与南极海冰之间的关系,研究了南大洋和太平洋海表温度与南极海冰之间的内在联系。结果表明,南极海冰变化与ENSO循环过程存在一定联系,特别是东南极海冰的变化与ENSO循环过程较为密切。这种遥相关关系表明,ENSO循环过程不仅与热带海洋自身的海 气相互作用存在密切关系,而且与南极海冰之间也存在一定的联系。当东南极海冰范围出现异常增大和减小时,在时滞一年之后,NINO循环指数将出现减弱和加强,而南方涛动指数将出现加强和减弱。这种相关关系的机制是通过大洋环流这一载体将异常海温向北输送来实现的。南极海冰范围的异常增加或减少,会直接影响南极绕极流的冷暖结构进而影响经向水体输送的异常,从而导致热带和副热带太平洋上层海温场的异常变化,对ElNino和LaNina事件的发生起到推动作用。     

2003年夏季北冰洋海冰动力学特征参数

以2003年的中国第2次北极科学考察的海冰物理过程调查数据为依据,分析了海冰动力学特征并给出体现动力学特征的定量参数。这些参数指出:现场调查的海冰密集度同NOAA冰图上的密集度相比低2~3成,而厚度比1999年的中国首次北极考察结果减少2 m;冰层底面起伏方差约是冰层表面积雪起伏方差的3.8倍;浮冰最快以1 300m/h速度运动并伴随振荡旋转。实测浮冰向东北运动时,旋转角度增加,最大达到37.8o,东南方向旋转时,角度减小;浮冰运动的振荡周期为12.45 h,同该纬度惯性流振荡周期一致,体现出惯性流对浮冰运动的贡献。     

An anisotropic elastic‐decohesive constitutive relation for sea ice

Thermodynamic growth or melt and mechanical redistribution due to lead opening or ridge formation shape the thickness distribution of the Arctic ice cover and impact the overall strength of pack ice. Specifically, the deformation and strength of ice are not isotropic but vary with the thickness and lead orientation. To reflect these facts, we develop an anisotropic, elastic‐decohesive constitutive model for sea ice together with a model to describe an oriented, ice thickness distribution. The tight connection between the mechanical response and the thickness distribution is an improvement over a previous model that only depended on the average ice thickness. The model describes mechanical responses anisotropically in both the elastic and failure regimes. In the elastic regime, the constitutive relation implicitly reflects strong and weak directions of the pack ice depending on the distribution of thin ice (including open water) and thicker ice (e.g., multi‐year ice or ridges). In the failure regime, the model predicts both failure initiation and the lead orientation. Evolution from initial failure to complete failure when traction‐free crack surfaces are formed is also modeled. Crack or lead width is determined during the evolution. Various examples of failure surfaces are presented to describe the behavior of modeled ice when the thickness distribution varies. The model predictions are also illustrated and compared with previous modeling efforts by examining regions of ice under idealized loading. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于卫星气候资料的1989-2015年南北极海冰面积变化分析

利用被动微波卫星海冰密集度气候资料,分析了1989-2015年南北极海冰面积和密集度的长期变化趋势。结果表明：研究期内,北极年平均海冰面积减少,南极海冰面积增加,变化趋势分别为-0.569×10⁶ km²·（10a）^-1和0.327×10⁶ km²·（10a）^-1,均通过了0.01水平的显著性检验,两极海冰面积变化趋势表现出明显的"非对称性"。两极总海冰面积出现了下降,变化趋势为-0.242×10⁶ km²·（10a）^-1。年海冰密集度在北极地区普遍减少,而在南极地区的变化趋势存在显著的空间差异,威德尔海、罗斯海北部海冰密集度增加,趋势超过了10%·（10a）^-1,别林斯高晋海、阿蒙森海的海冰密集度出现下降。北极各月海冰面积的变化趋势存在明显的季节差异,7-10月海冰面积减少明显,其中9月减少最显著,趋势为-0.955×10⁶ km²·（10a）^-1。南北极海冰冻结和融化的时间不完全对应,北极融化与冻结时间基本平衡,南极海冰冻结时间明显长于融化时间。南极年内海冰面积的变化幅度大于北极,呈现显著的季节性特征。北极极小海冰面积的变化趋势最显著,达到了-0.636×10⁶ km²·（10a）^-1。南极极大海冰面积出现的时间后移明显,趋势为0.733候·（10a）^-1;极小海冰面积出现的时间非常稳定,没有明显的变化趋势。     

基于GPS的海冰实时监测系统及其应用研究

海冰是高纬度海区特有的海洋现象。运动的海冰具有巨大的能量,对冰区的石油平台、港口堤坝、船只等构成了巨大的威胁,因此实时获取准确的海冰运动信息对于海冰灾害的防治有重要的现实意义。我国海冰为一年海冰,冰体较薄,用于极地的海冰跟踪设备并不适用于我国北方海域。设计并提出了一种基于GPS的海冰定位跟踪系统,系统包含冰上定位发射和接收两个部分。冰上部分质量较轻且外形增加了防滑设计,接收端接收到数据后自动入库,并与地图匹配显示。监测系统于2015-2016年冬季在辽东湾海域进行了应用测试,应用试验表明,该方法能够较好地进行海冰定位与跟踪,定位误差在5 m以内,运行时间较久,较适用于我国薄冰海域。     

基于同位素示踪降水在两极海冰质量平衡中的贡献

极地海冰在全球气候系统中扮演着重要角色。在全球变暖背景下,两极海冰范围呈现相反的变化趋势,即北极海冰显著减少,南极海冰则略有增加,然而目前对两极海冰不对称变化的驱动机制还存在争议。已有研究集中在海冰变化与温度的相互作用上,而对降水在海冰生消过程中所起作用则知之甚少。两极海冰的这种不对称变化可能与降水在海冰生消中起到的不同作用有关：降水在北极主要起到促进海冰消融的作用,而在南极主要起到促使海冰加积生长的作用。降水在两极海冰质量平衡中的贡献可以通过同位素示踪加以厘定,本文详细对比了同位素判别法、线性混合模型和贝叶斯混合模型等研究方法的不同特点及应用上的优劣。利用氧同位素（δ¹⁸O）和氘盈余（d-excess）建立的海冰同位素混合模型,可量化融池在北极海冰质量平衡中的贡献和雪冰在南极海冰质量平衡中的贡献。罗斯海是南极海冰增大最明显的区域,且各种起源的海冰类型齐全（冰针冰、雪冰、附加冰和小板冰）,通过三氧同位素（¹⁷O-excess）作为新的示踪同位素,可进一步量化罗斯海海冰质量平衡中四组分的贡献比,探究罗斯海海冰异常变化的生长机制。

     

A finite-element treatment of sea ice dynamics for different ice rheologies

In this paper the effects of four different rheologies on the evolution of a large-scale sea ice pack are determined and compared. Two rheologies are of viscous-plastic form, and two are viscous fluid relations. The initial pack domain is rectangular, and the motion is driven by wind stress and resisted by ocean drag. Two adjacent edges are rigid shore boundaries, and the other two are free boundaries at open water which move during the pack motion, so that the pack domain changes in time. Two different forms of boundary conditions at the rigid shore edges are considered, which also influence the evolution. The governing equations are solved numerically using a finite-element method, and, unlike previous numerical treatments, no artificial viscosity is incorporated to stabilise the algorithm near interfaces between converging and diverging flow. Instability arises when any tensile stress is abruptly cut-off when diverging flow is initiated, and an alternative view is offered. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.