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。     

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。     

北极海冰数值模拟研究述评

根据国内外近年发表的主要文献,详细介绍北极海冰数值模拟工作的最新进展。综合评述各种主要动力学模式的特点和不足,指出与数值模式有关的主要物理问题,重点介绍海冰模式所特有的问题以及海冰数值模拟工作的发展方向。对以往的数值工作和海冰数值模拟的主要问题进行了总结,并在理论和实践方面进行了深入探讨,有助于我国相关工作的开展。     

北极中央区海冰低密集度现象研究

近年,北极中央密集冰区出现海冰低密集度的异常现象。为了探讨这一现象的成因,本文使用ERA-Interim再分析资料,定义了北极中央区海冰低密集度（LCCA）指数,研究了2009-2016年的6-9月北极中央区发生的海冰低密集度现象。分析表明,研究时段内在北极中央区发生了6次明显的海冰低密集度（LCCA峰值）过程。在这些过程中,局地气温异常并不是导致海冰低密集度现象发生最主要的因素;海冰低密集度区域的形态及冰速场分布均与大气环流场相对应;在LCCA指数峰值发生前均有气旋中心出现在北冰洋70°N以北并伴随向北移动,气旋引起海冰辐散,同时所携带的较低纬度的热量导致海冰迅速融化。在6次过程中,有3次为气旋影响配合北极偶极子（DA）型环流。LCCA指数与84°N平均向北温度平流和北极中央区海冰速度散度呈正相关。在LCCA指数峰值前,温度平流对海冰低密集度区域形成的影响大于海冰辐散的影响。     

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.     

北极海冰与南方涛动的相关分析

本文根据1953～1984年的北极海冰覆盖面积指数和南方涛动指数资料,分析了北极各海区海冰覆盖量与南方涛动的时滞相关关系,统计了北极海冰正距平年和负距平年南方涛动指数的平均情况。初步结果表明,北极各区海冰与南方涛动之间均存在明显的相关关系,时滞相关的最大值从南方涛动早于海冰7个月(Ⅰ区,+0.48)到晚于海冰39个月(整个北极,+0.38)不等,对北极海冰正距平年和负距平年的统计结果也证实了这些相关特点。     

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。     

基于卫星高度计的北极海冰厚度变化研究

A modified algorithm taking into account the first year(FY) and multiyear(MY) ice densities is used to derive a sea ice thickness from freeboard measurements acquired by satellite altimetry ICESat(2003–2008). Estimates agree with various independent in situ measurements within 0.21 m. Both the fall and winter campaigns see a dramatic extent retreat of thicker MY ice that survives at least one summer melting season. There were strong seasonal and interannual variabilities with regard to the mean thickness. Seasonal increases of 0.53 m for FY the ice and 0.29 m for the MY ice between the autumn and the winter ICESat campaigns, roughly 4–5 month separation, were found. Interannually, the significant MY ice thickness declines over the consecutive four ICESat winter campaigns(2005–2008) leads to a pronounced thickness drop of 0.8 m in MY sea ice zones. No clear trend was identified from the averaged thickness of thinner, FY ice that emerges in autumn and winter and melts in summer. Uncertainty estimates for our calculated thickness, caused by the standard deviations of multiple input parameters including freeboard, ice density, snow density, snow depth, show large errors more than 0.5 m in thicker MY ice zones and relatively small standard deviations under 0.5 m elsewhere. Moreover, a sensitivity analysis is implemented to determine the separate impact on the thickness estimate in the dependence of an individual input variable as mentioned above. The results show systematic bias of the estimated ice thickness appears to be mainly caused by the variations of freeboard as well as the ice density whereas the snow density and depth brings about relatively insignificant errors.     

北极海冰减少的气候效应研究

本文采用了OSU两层大气环流模式对特定的北极海冰进行数值模拟,研究北极海冰减少的气候效应.试验中海温一律取为气候平均值,北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.本文对北极海冰减少后的大气环流特征进行了分析,特别是与中国的气温和降水之间的关系.     

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。     

基于合成孔径雷达遥感的北极海冰总形变率分析

基于RADARSAT地球物理处理器系统(RGPS)的北极海冰运动散度、旋度和剪切产品,本文计算了北极海冰总形变率,给出了所有RGPS产品时空覆盖范围的总形变率空间分布和时间平均总形变率大于0.01d-1的概率分布。结果表明:对整个RGPS数据库而言(时间跨度从1996年11月至2008年4月),平均总形变率为0.020 4d-1,总形变率大于0.01d-1的数据样本为总样本的45.89%。总形变率高值主要分布在近岸海域,靠近北极点附近的总形变率相对较小。北极海冰总形变率随季节变化,夏季平均总形变率及总形变率大于0.01d-1发生概率要比冬季大,其中,夏季总形变率大于0.01d-1发生概率为59%,而冬季要比夏季低18%。其可能机制主要是,夏季北极地区温度升高,形成海冰融化-破碎-更易融化-更易破碎的放大效果,导致北极海冰总形变率变大。     

北极冬季季节性海冰双模态特征分析

近年来北极海冰快速变化,北极中央区边缘正由以多年冰为主转为季节性海冰为主。通过对北极冬季季节性海冰的EOF分解发现,2002-2012年期间北极季节性海冰变化的前两模态主要体现为2005年和2007年的季节性海冰距平。其中第二模态主要体现了北极海冰在2005年的一种极端变化,而第一模态不仅体现了北极海冰在2007年的变化,还体现了北极季节性海冰的从负位相到正位相的转变。通过比较发现,在研究时段北极季节性海冰最主要的变化发生在北极太平洋扇区,在2007年,冬季季节性海冰距平发生位相转变,2007-2010年一直维持正位相,北极太平洋扇区冬季季节性海冰保持显著正距平。太平洋扇区表面温度最大异常也发生在2007年,从大气环流来看,2007年之后波弗特海区异常高压有利于夏季太平洋扇区海冰的减少,而西风急流的减弱有利于夏季波弗特海区异常高压的维持,结合夏季海冰速度,顺时针的冰速分布有利于海冰离开太平洋扇区,因而会导致冬季太平洋扇区季节性海冰转为正距平并且从2007年一直维持到2010年。     

基于高效统计模型预测9月北极航道沿线海冰范围

The rapid decrease in Arctic sea ice cover and thickness not only has a linkage with extreme weather in the midlatitudes but also brings more opportunities for Arctic shipping routes and polar resource exploration, both of which motivate us to further understand causes of sea-ice variations and to obtain more accurate estimates of seaice cover in the future. Here, a novel data-driven method, the causal effect networks algorithm, is applied to identify the direct precursors of September sea-ice extent covering the Northern Sea Route and Transpolar Sea Route at different lead times so that statistical models can be constructed for sea-ice prediction. The whole study area was also divided into two parts: the northern region covered by multiyear ice and the southern region covered by seasonal ice. The forecast models of September sea-ice extent in the whole study area(TSIE) and southern region(SSIE) at lead times of 1–4 months can explain over 65% and 79% of the variances, respectively,but the forecast skill of sea-ice extent in the northern region(NSIE) is limited at a lead time of 1 month. At lead times of 1–4 months, local sea-ice concentration and sea-ice thickness have a larger influence on September TSIE and SSIE than other teleconnection factors. When the lead time is more than 4 months, the surface meridional wind anomaly from northern Europe in the preceding autumn or early winter is dominant for September TSIE variations but is comparable to thermodynamic factors for NSIE and SSIE. We suggest that this study provides a complementary approach for predicting regional sea ice and is helpful in evaluating and improving climate models.     

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%。     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰体积估算方法

近30年来,北极海冰正发生着剧烈的变化。海冰体积是量化海冰变化的重要指标之一。本文以2015年CryoSat-2卫星测高数据和OSI SAF海冰类型产品为基础。提取了浮冰出水高度、积雪深度、海冰密集度、海冰类型等属性信息,通过数据内插、投影变换、栅格转换、空间重采样等工作将海冰属性信息统一为25 km×25 km分辨率的栅格数据集。根据流体静力学平衡原理,逐个估算栅格像元对应的海冰厚度值,将其与对应的海冰面积相乘,估算了北极海冰密集度大于75%海域的海冰体积,并分析了海冰厚度和体积的月变化和季节变化特征。用NASA IceBridge海冰厚度产品对反演的海冰厚度进行验证。结果表明二者相关系数为0.72,有较高的一致性。北极海冰平均厚度春季最大,夏季最小,分别约为2.99 m和1.77 m,最厚的海冰集中在格陵兰沿岸北部和埃尔斯米尔半岛以北海域。多年冰平均厚度大于一年冰。冬季海冰体积最大,约为23.30×103 km3,经过夏季的融化,减少了近70%。一年冰体积季节波动较大,而多年冰体积相对稳定,季节变化不明显。     

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。     

2007与2008年夏季北极海冰变化特征及原因的对比分析

2008年进行的中国第三次北极科学考察是我国响应国际极地年(IPY)计划的一个重要组成部分.通过本次考察我们在物理海洋、海洋化学、生物海洋学、地质及地球物理等领域取得丰富的数据.国家海洋环境预报中心承担航线保障及海冰观测任务,预报和观测的同时,积累了大量现场气象和海冰观测数据及卫星云图资料.本文利用这些数据,结合极地共享数据及历史观测资料和再分析数据,对2008年夏季北极地区大气、海冰的特征进行综合分析,同时,通过对2008年与2007年夏季北极大气环流的比较分析,研究在全球变暖的背景下,影响北极夏季海冰分布的主导因素.     

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.     

不同MSS模型及其北极海冰干舷的多时空差异分析

基于2017年4月、2018年4月和2019年4月的CryoSat-2 L1B数据,比较分析了UCL13、DTU10、DTU13、DTU15和DTU18 5种不同平均海表面高度(MSS)模型及其反演的北极海冰干舷的多时空尺度差异。以UCL13为基准,对比分析不同MSS模型的差异和所反演的海冰干舷的差异,实验结果表明,不同MSS模型之间的平均绝对偏差范围为0.19～0.26 m,标准差范围为0.55～0.57 m,其中DTU18与UCL13的差异最小。以UCL13为基准,其他4种MSS模型反演的海冰干舷的平均绝对偏差为0.50～0.79 cm,标准差范围为1.17～1.74 cm。通过与冰桥计划(Operation IceBridge,OIB)机载数据相比,5种MSS模型反演的海冰干舷的相关系数范围为0.70～0.71,均方根误差范围为7.7～7.8 cm。故不同MSS模型之间的偏差对整个北极地区的海冰干舷反演的影响较小,偏差以相同的方式影响冰间水道和浮冰高度测量,因此相互抵消,但在冰间水道分布稀疏的区域,如加拿大群岛北部和拉普捷夫海区域,不同MSS模型反演的海冰干舷差异较大。