适用于Ku波段雷达高度计海冰干舷高度反演的积雪校正方法

工作在Ku波段的Cryo Sat-2和Sentinel-3A合成孔径雷达高度计是当前最先进的高度计。由于雷达回波信号的实际时间跟踪点较预设的时间跟踪点总发生偏移,而且Ku波段波长短,进行海冰探测时易受雪层干扰,造成雷达信号主散射面由海冰表面上移至雪层内,这两个因素都影响着海冰干舷高度的反演精度。针对这些问题,本文首先确定了Cryo Sat-2与Sentinel-3A雷达高度计反演北极海冰干舷高度的最优波形重跟踪阈值组合,然后分析了这两个Ku波段雷达信号的雪层穿透系数,发现Ku波段高度计的主散射面受雪层的影响显著,会高估海冰干舷高度。基于此,文中提出了一种改进的积雪校正方法,并以机载Operation Ice Bridge(OIB)为验证数据,将本文提出的方法与通用积雪校正法和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)海冰干舷高度产品进行了对比验证。实验结果表明,本文提出的方法能够有效估计Ku波段电磁波穿透海冰表面积雪深度的比例系数,显著校正了通用积雪校正方法存在的高估海冰干舷高度的问题,提高了海冰干舷高度的估算精度。     

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。     

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。     

基于卫星观测的2003-2013年北极海冰体积变化估算

北极海冰正处于快速减退时期,北极海冰体积变化是全球气候变化的重要指示因子。本文利用两种卫星高度计数据（ICESat和CryoSat-2）反演得到的海冰厚度数据,结合星载辐射计提取的海冰密集度数据以及海冰年龄数据,估算了近期的北极海冰体积以及一年冰和多年冰体积变化。CryoSat-2观测时段（2011-2013年）与ICESat观测时段（2003-2008年）相比,北极海冰体积在秋季（10-11月）和冬季（2-3月）分别减少了1 426 km3和412 km3。其中,秋季和冬季的一年冰的体积增加了702 km3和2 975 km3。相反,多年冰分别减少了2 108 km3和3 206 km3。多年冰的大量流失是造成北极海冰净储量下降的主要原因。     

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。     

基于Logistic模型的北极海冰生长曲线研究

北极海冰季节变化明显,相关文献主要侧重于各海区海冰覆盖率的多年变化特征,尚未有针对海冰覆盖率生长和消融曲线的模型研究.本文引入Logistic曲线模型,以半封闭型的喀拉海为研究区域,定量分析北极海冰覆盖率增长过程,旨在给出一种海冰空间分布生长的统计模型.结果 显示,拟合曲线与实测曲线相关性良好,不同时期的可决系数(R2...     

南极海冰运动速度的变化特征及其影响因子分析

利用NSIDC提供的每日和月平均极区海冰运动矢量数据,统计分析了南极地区1979—2016年海冰运动速度的年、月尺度的时空变化特征以及近几十年南极海冰范围增加与海冰运动速度之间的关系,并讨论了影响南极海冰运动速度的主要因子。结果表明:1979—2016年南大洋全区和各扇区海冰运动速度均呈现增加趋势,春、冬季海冰运动速度增加趋势大于夏、秋季,季节差异明显;海冰运动速度与海冰范围有显著的正相关关系;海冰运动与海表面气压场密切相关,主要受低压风场的影响,威德尔海、罗斯海海冰的快速流出和顺时针旋转的特征与低压区的位置有密切关联,自由漂流区的海冰整体表现为自西向东运动。     

北极楚科奇海海冰面积多年变化的研究

北极气候系统正在发生显著变化,其中,海冰面积和厚度的减小是其最主要的特征.楚科奇海是海冰面积变化最有代表性的区域.文章利用积累了9a的高分辨率海冰分布数据研究海冰面积的多年变化特征.结果表明,各年的冰情有显著的季节内变化,海冰面积距平曲线体现了不同时期海冰面积变化的动态过程.在1997~2005年间,楚科奇海海冰面积经历了轻(1997年)-重(2000~2001年)-轻(2002~2005年)的变化过程.9a的数据总体上体现了海冰面积减小的趋势,2005年的冰情呈现了历史新低.每年融冰期的长短与冰情轻重有密切的关系,冰轻年份融冰开始时间早,冻结结束时间晚.各年海冰面积最小值发生在9月下旬至10月初,各个年份海冰最小面积差别很大.有的年份只有4%,而重冰年可以大于50%.文章采用4个重要参数表达海冰多年变化.其中海冰面积指数反映了当年总体平均的海冰面积距平;海冰最小面积反映了融冰期海冰的极限情况;上一个冬季的气温积温也与翌年海冰面积有良好的关联;分析了风场对海冰的影响,表明风场在融冰期能够在短时间内改变海冰的覆盖面积.     

基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品,分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征,结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明,结冰期海冰面积的增加量波动较大,海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大,2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似,融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散,在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用,促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。     

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。     

利用综合评分方法评估CMIP5模式对北极海冰的模拟能力

北极海冰冰盖自20世纪以来经历了前所未有的缩减,这使得北极海冰异常对大气环流的反馈作用日益显现。尽管目前的气候模式模拟北极海冰均为减少的趋势,但各模式间仍然存在较大的分散性。为了评估模式对于北极海冰变化及其气候效应的模拟能力,我们将海冰线性趋势和年际异常两者结合起来构造了一种合理的衡量指标。我们还强调巴伦支与卡拉海的重要性,因为前人研究证明此区域海冰异常是近年来影响大尺度大气环流变异的关键因子。根据我们设定的标准,CMIP5模式对海冰的模拟可被归为三种类型。这三组多模式集合平均之间存在巨大的差异,验证了这种分组方法的合理性。此外,我们还进一步探讨了造成模式海冰模拟能力差别的潜在物理因子。结果表明模式所采用的臭氧资料集对海冰模拟能力有显著的影响。     

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%。     

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。     

北极秋季海冰减少与亚洲大陆冬季温度异常

本文使用SVD等诊断分析方法探讨北极秋季海冰密集度与亚洲冬季温度异常之间的关系。结果表明,近30余年来,北极秋季海冰减少伴随着亚洲大陆冬季温度降低,但青藏高原地区、北冰洋和北太平洋沿岸除外。北极秋季海冰密集度减小激发欧亚大陆和北冰洋北部两个区域位势高度的改变,这种异常的变化模态从秋季持续到冬季。位势高度异常的负值中心位于巴伦支海和喀拉海。位势高度异常的正值中心位于蒙古区域。与重力位势高度异常伴随的风场异常为亚洲冬季温度降低提供自北向南的冷气流。随着北极海冰的不断减少,其与亚洲大陆冬季温度降低之间的关系将为气候长期预测提供参考。