融冰季节北极破碎冰区热通量的初步研究

利用航空遥感数字影像的解析结果和实测气象，海洋和海冰资料，定量研究了夏季融冰期北极破碎冰区的热通量，计算了海洋对大气的热贡献，结果表明，在北极夏季海冰融化时，短波辐射远远大于感热和潜热通量，是表面热通量的决定因素，海洋对大气的热贡献主要由长波辐射决定，在观测期间，海洋对大气的热贡献为38～104Wm^-2，这部分热量的大小与海冰的密集度有关，当海冰密集度小于0.8时，海洋对大气的热贡献随海冰密度度的增大而减小，而当海冰密集度超过0.8以后，该热通量将随海冰密集度的增大而增大。     

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%。     

Nudging资料同化对北极海冰密集度预报的改进

北极夏季海冰的快速减少使得北极航道提前开通成为可能。为了给北极冰区船运活动提供及时可靠有效的海冰预报保障,急需提高海冰预报水平。本文基于麻省理工大学通用环流模式(MITgcm),使用牛顿松弛逼近(Nudging)资料同化方法将德国不莱梅大学的第二代先进微波辐射成像仪(AMSR2)海冰密集度资料同化到模式中,建立了北极海冰数值预报系统。设计试验对比3种不同Nudging系数计算方案的改进效果,结果表明选择合适参数后,不同方案均能显著改进海冰密集度初始场。通过设计有无Nudging同化的两组预报试验,结合卫星遥感海冰密集度及中国第五次北极科学考察期间"雪龙"船的走航海冰密集度观测数据,定量分析了Nudging同化方案对北极海冰密集度的24~120 h预报结果的改进效果。结果表明,Nudging同化对120 h内全北极海冰密集度的空间分布和移动单点目标的海冰密集度预报结果均有显著改善;但在海冰变化很小的情况下,Nudging同化试验的24~120 h预报结果均劣于惯性预报结果,说明基于Nudging同化的数值预报系统还需进一步提高预报技巧。     

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。     

北极中央区海冰密集度与云量相关性分析

本文使用海冰密集度以及低云、中云、高云的日平均数据,借助滑动相关分析方法,研究了北极中央区海冰密集度与云量之间的相关性,分析了海冰与云的相互作用机制。研究表明,在春季海冰融化季节(4、5月)、秋季海冰冻结季节(10、11月),低云与海冰密集度之间表现为较好的负相关,表明在这段时间内冰区海面蒸发强烈,对低云的形成有重要贡献。在10月和11月,中云与海冰密集度也有很好的负相关,表明秋季低云可以通过抬升形成中云。高云与海冰密集度之间并没有明显的相关性,可能原因:一方面海冰的空间分布对高云无影响,另一方面,高云主要影响到达的短波辐射,从而影响海冰的融化和冻结速度,与海冰厚度有直接显著的关系,而与海冰密集度的关系不明显。此外,在海冰密集度与低云存在较好负相关的情况下会出现某些年份相关性不好的情况,我们的研究发现这是北极中央区与周边海区发生了海冰交换或云交换的结果。     

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。     

两种准实时遥感海冰密集度产品在中国第五次北极考察期间的适用性评估

比较了AMSR2和SSMIS产品在2012年中国第五次北极考察期间的差异,并利用雪龙船在北极走航观测的海冰密集度资料初步评估了两种卫星产品在北极东北航道和高纬航道的适用性。结果表明:两种产品在海冰边缘区域反演的海冰密集度差异较大,且在高纬度区域AMSR2反演的密集度普遍大于SSMIS;两种产品对海冰外缘线的反演基本相同,说明两种算法对海冰和海水的区分基本一致;在去程低纬航线上分辨率较高的AMSR2数据的平均偏差为0.14±0.11,而分辨率较低的SSMIS数据为0.17±0.11;在回程高纬航线上AMSR2数据的平均偏差为0.11±0.10,而SSMIS数据为0.11±0.12。SSMIS数据在高值区明显的低估了海冰密集度值,说明其在高值区的反演上存在系统性偏差,AMSR2数据和走航观测数据更相符。SSMIS数据在高值区偏差大的原因可能与其反演算法对海冰表面出现的大量融池的辨别能力较差有关。     

地球系统模式FIO-ESM对北极海冰的模拟和预估

评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)的历史实验对北极海冰的模拟能力,分析了该模式基于CMIP5未来情景实验在不同典型浓度路径(RCPs,Representative Concentration Pathways)下对北极海冰的预估情况。通过与卫星观测的海冰覆盖范围资料相比,该模式能够很好地模拟出多年平均海冰覆盖范围的季节变化特征,模拟的气候态月平均海冰覆盖范围均在卫星观测值±15%范围以内。FIO-ESM能够较好地模拟1979-2005年期间北极海冰的衰减趋势,模拟衰减速度为每年减少2.24×104 km2,但仍小于观测衰减速度(每年减少4.72×104 km2)。特别值得注意的是:不同于其他模式所预估的海冰一直衰减,FIO-ESM对21世纪北极海冰预估在不同情景下呈现不同的变化趋势,在RCP2.6和RCP4.5情景下,北极海冰总体呈增加趋势,在RCP6情景下,北极海冰基本维持不变,而在RCP8.5情景下,北极海冰呈现继续衰减趋势。     

对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。     

海冰消融背景下北极增温的季节差异及其原因探讨

运用哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的温度以及NCEP第一套地表感热通量、潜热通量等资料,研究了1979—2011年33a来北极海冰消融的季节特点和空间特征,并从反照率——温度正反馈与地表感热通量、潜热通量等方面分析了海冰减少对北极增温影响的季节差异。结果表明,北极海冰在秋季和夏季的减少范围明显大于冬季和春季,而北极地表升温却在秋季和冬季最显著,夏季最为微弱,且夏季的增温趋势廓线也与秋冬季显著不同。这主要是因为夏季是融冰季,海冰融化将吸收潜热。且此时北极低空大气温度高于海表温度,海水相当于大气的冷源。随着海冰的消融,更多的热量由大气传入海洋用于融冰和加热上层海水,这使得夏季的低空大气不能显著升温。而在秋冬季,海冰凝结释放潜热,且此时低空大气温度远低于海水温度,海冰的减少使得海水将更多热量释放到大气中导致低空大气显著增暖。海水对大气的这种延迟放热机制是北极低空在夏季增温不显著而在秋冬季增温显著的主要原因。此外,秋冬季的海冰减少与北极近地面升温具有非常一致的空间分布,北冰洋东南边缘和巴伦支海北部分别是秋季和冬季海气相互作用的关键区域。     

CICE5.0与BCC_CSM2.0模式的耦合及对北极海冰的模拟评估

本文将美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式CICE5.0引入国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0,替代原有的海冰模式SIS,形成一个新的耦合模式。在此基础上,评估新耦合模式对1985-2009年北极海冰的模拟性能,检验引入CICE5.0后对耦合模式中北极海冰、海洋和大气模拟结果的改进。结果表明,引入CICE5.0后,模式能较好地模拟出北极海冰的空间分布、季节以及年际变化特征。相比于旧版本耦合模式,新耦合模式模拟的北极多年冰增多、一年冰减少,同时,海冰增厚、海冰流速减慢,模拟效果得到显著改进,对波弗特涡流模拟的改善尤为明显。进一步分析发现,相比于SIS,CICE5.0对北极海冰特别是海冰厚度模拟性能的提升,在耦合进入BCC_CSM2.0后,会触发冰-温的正反馈机制,改进了模式对海平面气压场、表层气温和海表温度的模拟,由此进一步提高了模式对北极海冰的模拟能力。     

BCC_CSM对北极海冰的模拟:CMIP5和CMIP6历史试验比较

本文利用北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)在最近两个耦合模式比较计划(CMIP5和CMIP6)的历史试验模拟结果,对北极海冰范围和冰厚的模拟性能进行了比较,结果表明:(1) CMIP6改善了CMIP5模拟海冰范围季节变化过大的问题,总体上更接近观测结果;(2)两个CMIP试验阶段中BCC_CSM模拟的海冰厚度都偏小,但CMIP6试验对夏季海冰厚度过薄问题有所改进。通过对影响海冰生消过程的冰面和冰底热收支的分析,我们探讨了上述模拟偏差以及CMIP6模拟结果改善的成因。分析表明,8?9月海洋热通量、向下短波辐射和反照率对模拟结果的误差影响较大,CMIP6试验在这些方面有较大改善;而12月至翌年2月,CMIP5模拟的北极海冰范围偏大主要是海洋热通量偏低所导致,CMIP6模拟的海洋热通量较CMIP5大,但北大西洋表层海流的改善才是巴芬湾附近海冰外缘线位置改善的主要原因。CMIP试验模拟的夏季海冰厚度偏薄主要是因为6?8月海洋热通量和冰面热收支都偏大,而CMIP6试验模拟的夏季海冰厚度有所改善主要是由于海洋热通量和净短波辐射的改善。海冰模拟结果的改善与CMIP6海冰模块和大气模块参数化的改进有直接和间接的关系,通过改变短波辐射、冰面反照率和海洋热通量,使BCC_CSM模式对北极海冰的模拟性能也得到有效提高。     

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。     

海水物质平衡浮标对北冰洋中心区海冰温度与物质平衡的观测

利用中国第3次北极科学考察所布放海冰物质平衡浮标(Ice Mass-Balance buoy,IMB)的观测数据,分析了北冰洋中心区多年冰2008年8月-2009年7月温度与物质平衡的变化特征.结果表明,冰温廓线呈现明显的季节变化,秋季降温过程从海冰表面开始向冰体内部传播.海冰底部的生长/消融率受海水温度控制,随水温的...     

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。     

亲潮延伸体海区一次海雾过程的观测研究

西北太平洋是全球海雾最多的海域,但由于观测资料匮乏,对开阔大洋上海雾形成机理的个例研究很少.2019年9月12—14日,中国北极科考船"向阳红01号"在亲潮延伸体水域捕捉到一次海雾事件.主要利用船载观测数据,分析了海雾形成的物理过程.结果表明,这是一次温带气旋的暖锋和局地海洋锋(海面温度锋)共同影响下的海雾过程.伴随暖...     

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。     

基于遥感数据的近40 a弗雷姆海峡海冰输出研究

北极海冰作为一个巨大的淡水资源库, 每年向全球输送大量淡水资源, 从北极输出的海冰在向南输送的过程中融化, 对海洋水循环与水环境产生影响, 进而影响全球气候变化, 弗雷姆海峡作为北极海冰输出的主要通道, 对其研究显得尤为重要。为了解弗雷姆海峡海冰长期输出量, 利用美国冰雪数据中心（NSIDC）发布的海冰密集度、海冰厚度与海冰漂移速度数据, 计算得到 1979 年至 2019 年弗雷姆海峡海冰输出面积通量与 2010 至 2019 年弗雷姆海峡海冰输出体积通量, 并在此基础上分析弗雷姆海峡近 40 a 海冰输出量的变化状况以及弗雷姆海峡海冰输出的年际变化、季节变化, 并分析了影响弗雷姆海峡海冰输出量的可能原因。结果表明: 近 40 a 弗雷姆海峡年均海冰输出面积通量为 7.83×10⁵ km²,近 10 a 弗雷姆海峡海冰年均输出体积通量为 1.34×10⁶ km³, 从长期来看, 弗雷姆海峡海冰输出面积通量呈略微增加趋势, 弗雷姆海峡海冰输出体积通量在 2010—20...     

1982-2016年北极开阔水域变化

近30年来,北极海冰覆盖范围大幅缩减,开阔水域也相应地发生显著变化。本文利用美国雪冰中心的海冰密集度产品以及美国海洋和大气科学管理局的海水表面温度数据产品,分析了1982-2016年北极开阔水域面积以及开阔水域季节长度的年际变化,并进一步探讨了海水表面温度对开阔水域时空变化的影响。结果表明北极开阔水域面积平均每年增加55.89×103 km2,海冰消退时间以平均0.77 d/a的速度在提前,海冰出现时间以平均0.82 d/a的速度在延迟,导致开阔水域季节长度以平均1.59 d/a的速度在增加。2016年达到了有遥感观测资料以来开阔水域面积和开阔水域季节长度的最大值,分别为13.52×106 km2和182 d。9个海区的开阔水域变化特征有一定的差异,对开阔水域变化贡献最大的有北冰洋核心区、喀拉海和巴伦支海。海水表面温度对开阔水域的变化有着重要影响,且影响的程度与纬度相关,即高纬度地区的海水表面温度对开阔水域的影响高于低纬度地区。