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.     

北极航道开通对我国能源供求形势的影响

文章对我国能源供求现状进行概述,在此基础上根据《中国统计年鉴》中的数据,利用1990-2013年的能源需求总量时间序列构建ARIMA模型,进行相关拟合与检验,并运用此模型对2016-2018年的能源需求量进行预测,揭示我国面临的能源供求形势。结果表明,未来我国能源需求量将持续增长,在能源供给相对不足的情况下需依赖大量进口,而进口能源的稳定供应又受到各种威胁制约。在此背景下讨论北极航道开通为我国能源供应带来的机遇,以及对缓和我国能源供求形势产生的影响,进而提出相关政策建议。     

论北极西北航道航行自由与环境保护的平衡路径

近年来,随着发展"绿色航运经济"的话题热度不断升温,北极西北航道因其潜在的巨大通航价值成为各国诉争的焦点,与此同时,船舶通行所带来的对海洋生态的侵蚀破坏,例如燃油废料和塑料垃圾等,引发了国际法视域内的诸多争议。以加拿大为代表的西北航道沿岸国滥用国际海洋法框架下关于航行自由和环境保护的模糊地带,肆意扩张国内法的管制范围对他国的航行自由进行不合理限制的问题愈加凸显。为了国际航海秩序的和平稳定,实现北极航运的可持续发展,文章以北极西北航道沿岸国借助"环境保护"名义限制他国在西北航道航行自由权的法律援引模式为切入,对航行安全控制区制度和特别敏感海域制度的法律争议进行分析,综合体系解释的方法和国际法实践判例的指引,构建北极西北航道航行自由与环境保护的平衡路径。     

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。     

北极海冰输出区域海冰运动变化特征及其与北极航道适航性的关系

随着北极地区气候变暖的加剧,北极海冰正在急剧消融,海冰的减少增加了北极地区航道的适航性。本文利用遥感数据反演得到的海冰运动产品对北极海冰输出区域以及东北航道以北区域的海冰运动特征进行了量化。结果显示,从北极中央海域向弗拉姆海峡以及格陵兰海流出海冰的南向位移量呈现出显著增长趋势,海冰的平均南向位移量在2007-2014年间达到1511 km,是2007年之前（617 km）的两倍以上,反映了北极穿极流（TDS）强度在不断增强。通过长时间序列分析发现,春季东北航道以北区域的海冰北向漂移速度在喀拉海呈现+0.04 厘米/秒/年的显著增长趋势（P<0.05）。海冰北向漂移对于东北航道的开通具有显著的影响,在拉普捷夫海与喀拉海,海冰北向运动速度与航道适航期的决定系数分别达到0.33（P<0.001）和0.15（P<0.05）。东西伯利亚海、拉普捷夫海以及喀拉海存在冰间湖区域的春季海冰面积变化与航道的适航期密切相关,海冰的北向漂移对拉普捷夫海和喀拉海的海冰面积减少也有显著影响,这说明北向漂移促进了海冰的离岸输送,造成海冰面积减少的同时形成冰间水道或冰间湖促使航道开通。为探究大气环流指数对海冰运动以及东北航道适航期的影响,本文利用大气再分析数据计算了中央北极指数（CAI）和北极大气偶极子异常（DA）指数。相关性分析表明,CAI比DA更能解释东北航道的适航期,而且CAI能够解释北极海冰输出区域海冰南向位移量变化的45%。最近10年,夏季正相位的CAI进一步加强,通过加强海冰离岸输运和冰间湖活动加剧了东北航道区域海冰变薄及其强度变弱,从而促进了东北航道的开通。     

北极航道的经济研究综述

为了解北极航道通航的经济战略价值,发挥其对我国区域经济增长的推动作用,文章从北极航道的通航环境、北极航道对贸易的影响、北极航道的航运价值和北极航道对我国区域经济的影响4个方面对研究文献进行综述。结果表明：北极航道通航必然对世界贸易格局产生巨大冲击,同时对我国贸易增长具有促进作用;对于北极航道的航运价值存在不同观点,争议的焦点在于西北航道的海上运输成本;北极航道通航将为我国沿海地区带来新的经济增长机遇,促进我国区域经济的均衡发展;未来我国关于北极航道的研究有必要在视角、内容、方法和理论方面取得突破,为我国对北极航道的整体布局和战略规划提供理论支撑。     

北极航道对世界贸易格局的影响路径和机理

为深化对北极航道重要性的认知,促进我国对北极航道的开发利用,文章在概述世界贸易格局的发展阶段及其主要影响因素的基础上,分析北极航道对世界贸易格局的影响路径和机理。研究结果表明:"二战"结束后,世界贸易格局经历美国单极,美国、欧洲和日本三足鼎立以及区域多极化3个发展阶段;世界贸易格局的主要影响因素包括贸易通道、技术革命、产业转移和国家政策;北极航道通过缩短海运距离和产生新的海运航线2条路径,在增加贸易流量的同时改变贸易流向,从而影响世界贸易格局;其中,缩短海运距离的影响机理包括提高贸易频率、降低贸易成本和改善贸易环境,产生新的海运航线的影响机理包括促进相关产业结构调整、改变世界海运格局和增加新的能源供给。     

北极地区1979—2015年西北航道7-10月份气旋的特征分析

本文采用气旋自动识别与追踪算法,基于欧洲中期天气预报中心ERA-Interim平均海平面气压场,建立1979-2015年共37年7-10月北极西北航道东西两个区域的气旋数据。数据包括气旋中心经纬度以及中心最低气压值。基于这套数据,分析了北极7-10月西北航道气旋数量特征、空间密度分布、强度特征、加深以及爆发性气旋的活动情况。西北航道东西两段的气旋个数存在显著的差异,东段气旋个数是西段区域的2~2.5倍,并且两段个数变化趋势不一致,西段的气旋个数趋势呈不显著的减少,东段的个数呈不显著上升趋势。西北航道气旋强度偏弱,中心最低气压达980 hPa的气旋仅占不到总数的5%。最低中心气压集中分布在990~1 000 hPa之间。1979-2015年以来,东段的气旋强度趋势增强,西段气旋在2002年以前也是显著的增强,2002年以后强度减弱。气旋的生命史集中在7 d以内,东段1 d以内的气旋个数明显偏多。西段气旋高密度区域主要分布在74°N以北的波弗特海北部,东段主要分布在巴芬湾的东北侧和巴芬岛的东南侧,近几年来其主要密度分布区域东西两段存在南移以及略微变化。西北航道内爆发性气旋的增长位置集中在70°N的沿岸附近,尤其是加拿大北部以及格陵兰西海岸附近。大西洋震荡指数与东段气旋的个数有较好的正相关。     

2017年夏季北极中央航道海冰观测特征及海冰密集度遥感产品评估

2017年夏季中国第八次北极科学考察期间,"雪龙"号极地考察船首次成功穿越北极中央航道,期间全程开展了海冰要素的人工观测。中央航道走航期间的平均海冰密集度和平均冰厚分别为0.64和1.5 m,海冰密集度时空变化大且以厚当年冰为主,高纬密集冰区的浮冰大小显著高于海冰边缘区。基于"雪龙"号的船基走航观测海冰密集度评估比较了国际上常用的5种常用的微波遥感反演海冰密集度产品,同走航目测海冰密集度点对点的比较,误差最大的为德国不来梅大学AMSR2基于Bootstrap算法的产品,平均误差和均方根误差分别为0.19和0.28;误差最小的为欧洲气象卫星应用组织基于AMSR2数据和OSHD和TUD两种不同算法的产品,平均误差分别为-0.02和0.01,均方根误差均为0.20。从日平均比较来看,AMSR2基于Bootstrap算法的误差最大,平均误差和均方根误差分别为0.15和0.20;AMSR2/OSI SAF（TUD）的误差最小,平均误差和均方根误差分别为0.0和0.11,OSI SAF产品更接近人工观测结果。     

世界经济贸易格局视角下的北极航道战略价值分析

近年来北极航道的开通及其与北极资源的紧密结合,使之成为影响全球经济以及贸易格局变动的新因素。当前美国、欧盟、东亚三级经济格局,决定了世界经济以北半球为主导,北极航道可以成为连接世界实力级的潜在战略通道。新兴经济体对能源的需求日益旺盛,北极能源的战略价值逐渐凸显,北极航道将充当国际能源运输新通道。而世界主要贸易国家分布在北美、东北亚和西北欧等北极航道沿岸,北极航道的开通将影响占世界贸易额一半以上地区的贸易。世界经济贸易格局和未来发展趋势预示北极航道将具有极为重要的战略价值。     

南海海面风、浪场时空变化特征及其关系分析

利用长时间序列的卫星观测数据,对南海海域的风、浪场时空分布及其相互关系进行了分析。结果显示,海面风距平场VEOF分解后得到的第一模态具有明显的季节变化,即季风特征,说明季风是影响整个南海风速的主要因素;第二模态具有较强的区域变化特征,是季风转换时期的距平场特征;第三模态反映的是海面风距平场受陆地地形影响所表现的分布特征。有效波高距平场EOF分解后得到的第一模态、第二模态与风距平场的前2个模态的空间分布较为相似,并且,风、浪距平场第一模态间的相关系数达0.76,均说明南海作为边缘海其波浪场与风场变化有很好的相关性。有效波高第三模态的分布与风场的第三模态相关性较弱,反映的是受海底地形影响所表现的分布特征。     

The temporal and spatial variations in the Pacific wind and wave fields for the period 2002–2011

本文利用第三代海浪模式（WAVEWATCH III）分析了2002-2011年太平洋风速和海浪场的时空变化特征。首先,使用浮标观测数据对模式模拟的有效波高结果进行验证。结果表明模式可以有效地后报太平洋的有效波高。模式偏差较大的区域为中低纬度地区。随后将太平洋分为多个子区域,分别讨论了其风速和有效波高的时空变化特征。多年平均太平洋风速和有效波高存在类似的纬向分布特征,各子区域之间风速和有效波高的季节变化存在差别。模式刻画的太平洋有效波高年际变化最大的区域为南半球中高纬区域。进一步,我们研究了波浪能量的输入与耗散。相应的源函数项的各区域平均值显示了量化的表面波的变化。最后,对日平均的风速与有效波高值进行功率谱分析寻找序列的显著周期。结果表明有效波高时间变化对应的频谱和风速谱具有一定的差异。     

1979—2018年长江口及邻近海域风速和波高的分布特征与变化趋势

本文基于欧洲中期天气预报中心 （ECMWF） 的 ERA5 与 ERA-Interim 再分析资料,提取长江口及其邻近海域1979— 2018 年间共 40 年的风场和海浪场数据,探讨该海域风浪和波高的时空变化特征,EOF 经验正交函数分解法分析结果显示风速与波高的数值在外海普遍高于近岸,且符合长江口所在东海海域受盛行东亚季风影响的特征。Mann-Kendall 检验法分析结果显示,在 1979—2018 年间该海域海表面年均风速呈增长趋势,平均增长速率为 0.228 cm/（s·a）,累计增长 1.6 %;年均有效波高呈增长趋势,平均增长速率为 0.120 cm/a,累计增长 5.4 %;年风速和波高的极端值也呈不同程度的增长趋势。     

北太平洋海浪场和风场特征分析

利用欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的1979年1月2014年12月逐6 h的ERA-Interim有效波高和10 m风场资料,分析了近36年期间北太平洋海域海浪场和风场的变化特征。结果表明:1)中低纬度的西北太平洋波高有逐年线性递增趋势,大约在0.2~0.6 cm/a,而低纬度的太平洋东北部海域则以-0.4~-0.2 cm/a的趋势减小。2)风速线性变化趋势显著的区域主要集中在太平洋东北部低纬度海域,约以1.0~2.0 cm/(s·a)的速度在增加。而日本岛四周、菲律宾半岛以南等海域大都以-1.0~-0.5 cm/(s·a)的速度减小。3)北太平洋海域波高和风速都具有明显的季节变化特征,两者具有很强的相关性。西风带内有一个个波高超过10 m的风暴圈,其波高受风浪和涌浪的双重作用。这可为航海、海洋工程设计、军事及海洋能开发与利用等方面提供科学依据。     

The comparison of altimeter retrieval algorithms of the wind speed and the wave period

With the launch of altimeter,much effort has been made to develop algorithms on the wind speed and the wave period.By using a large data set of collocated altimeter and buoy measurements,the typical wind speed and wave period algorithms are validated.Based on theoretical argument and the concept of wave age,a semi-empirical algorithm for the wave period is also proposed,which has the wave-period dimension,and explicitly demonstrates the relationships between the wave period and the other variables.It is found that Ku and C band data should be applied simultaneously in order to improve either wind speed or wave period algorithms.The dual-band algorithms proposed by Chen et al.(2002) for the wind speed and Quilfen et al.(2004) for the wave period perform best in terms of a root mean square error in the practical applications.     

利用TOPEX卫星高度计资料分析东中国海的风、浪场特征

利用TOPEX卫星高度计和日本气象厅浮标观测资料,对东中国海的有效波高和风速进行比较,分析了卫星高度计资料的有效性。利用有效波高和风速的3种概率密度函数分布,结合TOPEX卫星高度计资料,并采用最大似然方法对统计分布参数进行估计,结果表明,有效波高的对数-正态概率密度分布与观测资料的直方图在有效波高的整个范围内符合较好,风速的直方图与Weibul概率密度分布符合较好。同时,分析了有效波高大于4 m的巨浪在东中国海的时空分布特征,表明巨浪多出现在冬、秋两季,平均有效波高最大值出现在夏季,且主要分布在东中国海东南部。     

JASON-1与TOPEX/POSEIDON卫星高度计数据在中国海和西北太平洋的一致性分析及印证

利用JASON-1和TOPEX/POSEIDON卫星高度计在相互校正阶段的观测资料,对两者在中国海和西北太平洋测得的海面风速、有效波高、后向散射截面、海平面高度等参数进行一致性分析;利用j,v模型及主要分潮的调和常数,对中国陆架浅海的JASON-1海平面高度数据进行浅海潮汐修正,使用验潮站月平均水位资料对修正结果加以印证。结果显示,2颗高度计观测的海洋环境参数具有强相关性,JASON-1具备了完成延续TOPEX/POSEIDON数据集这一使命的条件。但是,2套系统对于同一海洋环境参数的观测还是存在不能忽略的差异,对这种差异进行了分析,并给出了修正模型。所使用的浅海潮汐修正方法有效地抑制了中国陆架浅海潮波对海平面高度反演的影响,所使用浅海水域的5个验潮站月平均水位资料与JASON-1高度计经过浅海潮汐修正后的海平面高度的相关系数为0.738,标准偏差为0.096m。通过进一步融合JASON-1和TOPEX/POSEIDON在并行飞行期间的海平面高度数据并与验潮站资料比较显示,两者的相关系数提高到0.83,标准偏差为0.067m。     

北极夏季大气垂直结构与空间分布特征

低层大气垂直物理剖面是研究大气边界层过程、模拟大气环流过程和进行天气预报的关键参数,海洋特别是北冰洋地区是气象实测资料的稀疏区甚至是空白区。因此,中国第6次北极科学考察期间(2014年7月21日至9月11日),我们使用GPS低空探空系统,对北极地区的大气垂直结构和边界层特征进行了观测实验。实地观测结果表明:(1)递减率对流层顶(LRT)和冷点对流层顶(CPT)均能准确的判断该地区对流层顶的高度和温度,NCEP再分析资料在较低纬度能够很好的反应对流层顶变化特征,但是在海冰密集的北极地区(海冰密集度达9成以上)则相对较差,所以很有必要在该区域开展探空观测研究。(2)在高空存在一个明显的低温区和高空急流,低温区和高空急流中心区的海拔高度与对流层顶高度一致;在晴天和少云天气,对流层顶高度变化不大;在多云和阴雨天气,随着纬度的升高对流层顶高度逐渐降低。在晴天和少云天气相比多云和阴雨天气,高空急流区的强度较弱,垂直和水平均范围较小。(3)CPT和高空急流的高度随着纬度有降低的趋势,75°N以北的区域降低显著;对流层垂直温度递减率随着纬度呈现出逐渐增大的趋势。(4)观测期间,在海拔3km以下均存在多个逆温层。其中风速切变在逆温层的消失或者减弱过程中起着重要作用,而在80°N以北区域,对流层顶逆温(TIL)明显小于其他区域。表明极点附近对流层与平流层之间的物质和能量交换相比其他区域更加强盛。     

嵊泗地区风浪分布及其时间变化分析

通过对嵊泗地区实测波浪资料的分析,探讨了嵊泗地区的风浪分布形式。并且依据1992年12月至2002年8月的TOPEX卫星高度计资料给出了本地区长期有效波高的时间变化,为该地区海洋减灾防灾和工程设计提供了科学依据。     

中国海域有效波高、海表风速长期变化趋势的季节特征

Long-term variations in a sea surface wind speed(WS) and a significant wave height(SWH) are associated with the global climate change, the prevention and mitigation of natural disasters, and an ocean resource exploitation,and other activities. The seasonal characteristics of the long-term trends in China's seas WS and SWH are determined based on 24 a(1988–2011) cross-calibrated, multi-platform(CCMP) wind data and 24 a hindcast wave data obtained with the WAVEWATCH-III(WW3) wave model forced by CCMP wind data. The results show the following.(1) For the past 24 a, the China's WS and SWH exhibit a significant increasing trend as a whole, of3.38 cm/(s·a) in the WS, 1.3 cm/a in the SWH.(2) As a whole, the increasing trend of the China's seas WS and SWH is strongest in March-April-May(MAM) and December-January-February(DJF), followed by June-July-August(JJA), and smallest in September-October-November(SON).(3) The areal extent of significant increases in the WS was largest in MAM, while the area decreased in JJA and DJF; the smallest area was apparent in SON. In contrast to the WS, almost all of China's seas exhibited a significant increase in SWH in MAM and DJF; the range was slightly smaller in JJA and SON. The WS and SWH in the Bohai Sea, the Yellow Sea, East China Sea, the Tsushima Strait, the Taiwan Strait, the northern South China Sea, the Beibu Gulf, and the Gulf of Thailand exhibited a significant increase in all seasons.(4) The variations in China's seas SWH and WS depended on the season. The areas with a strong increase usually appeared in DJF.