秋季北极海冰与欧亚冬季气温在年代际和年际尺度上的不同联系

北极海冰的急剧消融在近年来欧亚大陆频发的低温事件中扮演着关键角色.秋季北极海冰的偏少对应着冬季欧亚大陆的低温天气,然而二者的联系在年代际和年际两种时间尺度上存在显著区别.本文运用1979—2012年哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的2 m温度、风场、海平面气压场、高度场等资料,分别研究了年代际和年际时间尺度上前期秋季北极海冰与欧亚冬季气温的联系.结果表明,欧亚和北极地区(0°—160°E,15°N—90°N)的冬季气温具有显著的年代际和年际变化.在年代际尺度上,温度异常分布在21世纪初由北极冷-大陆暖转为北极暖-大陆冷.这一年代际转折与前期秋季整个北极地区的海冰年代际减少联系密切.秋季北极全区海冰年代际偏少对应冬季欧亚大陆中高纬地区的高压异常,有利于北大西洋的暖湿气流北上和北极的冷空气南侵,造成北极暖-大陆冷的温度分布;在年际时间尺度上,温度异常分布主要由第一模态的年际变化部分和第二模态组成,且第一模态包含的年际变率信号也存在显著的年代际变化.年际尺度上全区北极海冰对欧亚冬季气温的影响远不及位于北冰洋西南边缘的巴伦支海、喀拉海和拉普捷夫海西部(30°E—120°E,75°N—85°N)的关键区海冰影响显著.关键区内海冰的偏少会引发冬季的北大西洋涛动负位相,导致北大西洋吹往欧亚大陆的暖湿气流减弱和欧亚大陆中高纬地区的气温偏低.     

北太平洋海冰, 一个西北太平洋台风生成频次的预测因子?

研究了北太平洋海冰面积与西北太平洋台风生成频次的关系. 研究表明冬季(前一年12月至1, 2月)和春季(3~5月)北太平洋海冰面积指数与全年的西北太平洋台风活动频次在1965~2004年中有显著的反相关关系, 相关系数分别为-0.42和-0.49(显著性水平达到99%以上). 冬、春季北太平洋海冰面积越大, 西北太平洋台风生成频次减少. 研究表明与春季北太平洋海冰面积正异常相关的热带环流和海温异常将提供不利于西北太平洋台风生成的热力和动力条件. 与春季北太平洋海冰面积的异常相关的北太平洋大气环流, 将通过大气遥相关引起春季热带环流的变化, 由于热带环流在春季到台风生成的盛期(6~10月)有很强的季节持续性, 因此, 与春季北太平洋海冰面积变化相关的热带环流和海温能够影响西北太平洋台风的生成频次.     

北极大气偶极子异常与冬季北极海冰运动

依据国际北极月平均浮冰观测资料(1979~1998)、美国国家环境预测中心和国家大气研究中心再分析资料(1960~2002), 研究了一个以前被忽略的大气环流异常——北极大气偶极子结构异常及其与冬季海冰运动的关系. 偶极子结构异常是冬季(10月~ 次年3月)70°N以北月平均海平面气压经验正交分析的第二个模态, 它解释了总方差的13%. 偶极子异常中心之一位于加拿大的北极地区, 另外一个中心位于欧亚大陆北部和西伯利亚边缘海区. 由于大气偶极子异常强的经向性, 它成为驱动北冰洋海冰和冷空气进入巴伦支海、北欧诸海以及北部欧洲的重要机制.     

格陵兰冰盖次表面湖多源遥感监测——以格陵兰中西部流域为例

格陵兰冰盖在夏季会发生剧烈融化,融水在低洼处汇集形成冰面湖,储存了大量的融水,在冰盖的水文系统中起着至关重要的作用,是格陵兰冰盖质量平衡的重要组成部分.近期有研究发现大量的冰面湖在冬季不会完全冻结,而是掩埋在雪层或冰层下以液态水形式存在,形成冰盖次表面湖.冰盖次表面湖对格陵兰冰盖稳定性和物质平衡会产生重要的影响.由于次表面湖存在于冰盖表层之下难以通过可见光影像进行提取和分析,次表面湖的监测成为次表面湖研究的难点之一.本研究提出一种利用Landsat8和Sentinel-1数据自动提取次表面湖范围的方法.该方法先利用可见光影像提取夏季冰面湖的范围对SAR影像进行掩膜,再根据冬天水体和冰面的后向散射具有可分性的原理,通过Rosin阈值分割算法,提取得到2018—2019年冬季格陵兰中西部流域的次表面湖并对其分布进行分析.在研究区内选择10个测试区域,利用该方法对区域内的次表面湖进行目视解译,并对算法自动提取次表面湖结果进行精度验证.结果表明,本研究提出的自动提取算法Kappa系数为0.85.基于该方法,本研究在2018年格陵兰中西部流域共提取夏季冰面湖的面积为102.28 km².约43.09%的夏季冰面湖不会完全冻结,从而在冬季形成次表面湖(面积为44.07 km²).

     

大气变率对北极地区近期海冰变化趋势影响数值模拟研究

为研究近期21年(1989—2009年)北极地区海冰变化原因,本文利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim数据集资料和美国麻省理工学院MITgcm全球海冰-海洋耦合模式开展了不同大气强迫条件下海冰变化的数值模拟研究.研究工作中共设计了6个数值试验,除1个试验全部采用1989—2009年每日4个时次的大气强迫场外,其余5个试验各有一种大气强迫(地表气温、地表大气比湿、向下短波辐射通量、向下长波辐射通量和地表风)采用1989年月平均结果.分析了各模拟试验结果中3月和9月北极地区海冰面积的年际变化特征及最小二乘拟合意义下的线性变化趋势,并以ERA-Interim结果为参照标准对各模拟试验结果进行了对比和检验,以说明不同大气强迫量变率对海冰变化的作用.结果表明:地表气温变率和向下长波辐射通量变率是造成海冰面积减少的主要原因;向下短波辐射通量变率对海冰面积变化影响几乎可以忽略;地表大气比湿变率对海冰面积线性变化趋势影响较小,但对海冰面积年际变化特征有调制作用;地表风变率对海冰季节变化、海冰面积线性变化趋势及年际变化特征均有明显影响,说明提高大气风应力精度是改善海冰数值模拟结果的重要手段.     

大气变率对北极地区近期海冰变化趋势影响数值模拟研究

为研究近期21年(1989—2009年)北极地区海冰变化原因,本文利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim数据集资料和美国麻省理工学院MITgcm全球海冰-海洋耦合模式开展了不同大气强迫条件下海冰变化的数值模拟研究.研究工作中共设计了6个数值试验,除1个试验全部采用1989—2009年每日4个时次的大气强迫场外,其余5个试验各有一种大气强迫(地表气温、地表大气比湿、向下短波辐射通量、向下长波辐射通量和地表风)采用1989年月平均结果.分析了各模拟试验结果中3月和9月北极地区海冰面积的年际变化特征及最小二乘拟合意义下的线性变化趋势,并以ERA-Interim结果为参照标准对各模拟试验结果进行了对比和检验,以说明不同大气强迫量变率对海冰变化的作用.结果表明:地表气温变率和向下长波辐射通量变率是造成海冰面积减少的主要原因;向下短波辐射通量变率对海冰面积变化影响几乎可以忽略;地表大气比湿变率对海冰面积线性变化趋势影响较小,但对海冰面积年际变化特征有调制作用;地表风变率对海冰季节变化、海冰面积线性变化趋势及年际变化特征均有明显影响,说明提高大气风应力精度是改善海冰数值模拟结果的重要手段.     

北冰洋海冰厚度穿透雷达探测与下表面形态特征分析

通过对北冰洋海冰穿透雷达的探测与分析, 讨论了雷达电磁波探测海冰厚度和海冰下表面形态特征的能力. 结果表明, 雷达波可穿透超过6 m厚度的北极盛夏海冰, 雷达波在海冰内的传播速度是0.142~0.154 m/ns. 雷达图像表现出海冰下表面粗糙起伏的微形态特征, 这种微形态特征与海冰类型关系紧密, 反映出雷达探测有助于识别和划分海冰类型. 基于雷达图像同时显示海冰上、下界线的特点, 统计分析了二者界线实际长度的差异, 提出一个新的长度因子数值概念, 可用于海冰上、下表面面积差异的研究.     

北冰洋中心区夏季大气边界层结构特征及其与海冰范围变化的关系

利用中国第4~6次北极考察获得的北冰洋中心区(80°~88°N))GPS探空资料和NCEP再分析资料,分析了大气垂直结构、边界层参数的变化特征及其与海冰和温度变化的关系.结果表明,2010、2012和2014年夏季北冰洋中心区的对流层顶、边界层高度、逆温强度及风速和风向的垂直结构均存在明显差异.通过分析1979~2014年9月温度与海冰范围变化的关系,解释了其差异的原因.2012年9月北极海冰范围最小,减少了44%,具有明显的增温过程.2010年和2014海冰分别减少了22.6%和17%,出现的是降温过程.对比2种过程反映出海冰变化对大气边界层结构有重要影响.近30年北冰洋中心区(80°~90°N)1000和850hPa的温度变化呈显著的升温趋势,并与海冰范围呈显著的负相关.表明北极海冰的持续减少,会使地表至对流层中层持续增温.     

北半球环状模周期变化和突变研究

利用NOAA提供的1871-2008年月平均海平面气压场、雪盖、海冰等再分析资料、NASA提供的地表温度场资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数,采用小波分析、带通滤波和凝聚谱分析等方法,研究了北半球环状模(NAM)周期变化及其影响因子.研究结果表明NAM在20世纪60年代前后发生了显著的年代际尺度周期突变,NAM在1895-1955年存在显著的准35年周期振荡,而在1971-2008年则主要以准15年周期振荡为主.NAM年代际尺度周期突变与外强迫源振荡周期变化有关,但突变前后与NAM周期振荡密切相关的外强迫因子并不尽相同.在1960年代之前,PDO、ATM、北美雪盖以及南极海冰涛动等外源强迫因子与NAM在准35年尺度上关系密切;而在1960年之后,NAM准15年振荡则与ATM和欧洲雪盖、南极海冰涛动等因素有关.     

北极海冰与夏季欧亚遥相关型年际变化的联系及对我国夏季降水的影响

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM3.1数值模式研究了夏季欧亚中高纬遥相关型年际变率与前期春季北极海冰变化的联系及其对我国夏季降水影响的可能机制.结果表明,夏季北大西洋-欧亚中高纬地区500 hPa位势高度场自然正交分解第二模态表现为"-+-+"遥相关波列,其中格陵兰岛-北大西洋和乌拉尔山地区为异常高空槽区所控制,而欧洲和贝加尔湖附近地区则为异常高压脊区,这种波列分布与欧亚中高纬EU型遥相关型十分类似.当遥相关波列为"-+-+"（"+-+-"）型分布时,前期春季巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少（多）,同期夏季巴伦支海北部一带海冰亦持续偏少（多）,同时在我国东北北部地区、长江和黄河之间地区降水明显偏少（多）.深入分析发现,巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少后,由于该地区湍流热通量明显偏强,在动力过程影响方面会形成异常Rossby波源,准定常Rossby波活动通量将向东亚地区传播,使得夏季欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列出现.另外,海冰异常偏少后,在热动力过程影响方面,4-5月欧亚中高纬乌拉尔山-贝加尔湖以北地区积雪会出现"西少东多"偶极子型异常分布,其通过影响后期土壤湿度及下垫面热通量异常,也有利于夏季欧亚中高纬遥相关波列的维持.伴随着欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列的出现,乌山阻塞高压偏弱,东亚槽偏浅,且亚洲副热带急流随之加强,贝加尔湖以北的副极地地区出现西风异常,东亚副热带急流北侧出现东风异常,贝加尔湖以南地区为异常反气旋控制,南下冷空气活动减弱.受到上述环流形势影响,我国东北北部地区、黄河和长江之间地区降水明显偏少.当巴伦支海北部和巴芬湾区域海冰偏多时,结论则反之.最后,基于春季海冰指数和晚春偶极子型积雪指数,我们建立了江淮流域夏季降水的预测模型,回报结果表明其对江淮流域夏季降水的年际变率具有较高的预测技巧.     

雷达卫星SAR与防卫气象卫星SSM/I对渤海海冰的观测研究

用雷达卫星(RADARSAT)合成孔径雷达(SAR)和防卫气象卫星(DMSP)特别微波成像辐射计(SSM/I)在1999年1月23日同一天对中国渤海区域海冰的观测数据,进行了主动SAR与被动SSM/I的组合研究.用一层海冰电磁散射辐射的建模与数值模拟,分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化,提出用SSM/I辐射亮度温度的散射指数、极化指数、极化比率来识别渤海海冰;用RADARSAT高分辨率SAR数据(水平极化后向散射系数)对渤海海冰物理特征进行识别与分类.这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效地应用于渤海海冰的监察.     

利用卫星测高雷达回波波形确定南极海冰密集度

海冰密集度是描述海冰的重要参数之一.海冰现场数据采集受观测环境和观测范围的限制,难以用于大范围海冰密集度的研究,而测高卫星具有全天时、全天候、大范围、高分辨率和长时间观测等多种优点,可弥补现场观测手段的不足.本文利用测高卫星雷达回波波形与反射面反射特性的关系,进行回波波形的波形分类,提出了利用测高卫星雷达回波波形确定南极海冰密集度的算法.以南极普里兹湾为实验区域,采用该算法由ERS-1/GM回波波形确定其一年和各季节的海冰密集度,并与SSMRSSM/I遥感海冰密集度数据进行比较.结果表明两种方法的海冰空间分布范围和极大海冰密集区一致,因此提供了监测海冰的一种新方法.     

南极普里兹湾海冰厚度的电磁感应探测方法研究

本文介绍一种由EM31-ICE型电磁感应仪和激光测距仪组合而成的船载电磁感应海冰厚度探测系统. 针对海冰和海水的电学特征,运用电磁感应技术提取探测系统至海冰下底面的距离,运用激光测距仪测量冰面粗糙度和探测系统至海冰上表面的距离,两组数据结合,实现了海冰厚度的探测. 通过南极现场探测数据分析,并与钻孔实测冰厚数据对比研究,定量分析了探测系统距离冰面的高度效应,建立了该系统冰厚测定值随高度变化的修正关系式,并对船载航行数据进行了系统校正. 与SCAR ASPeCt的冰厚数据对比分析,表明该系统能够获得可靠的海冰厚度并具有较高的精度,且能满足对极区大范围海冰厚度观测的需求.     

2011—2020年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析

准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量,减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制,现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳,难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于MODIS时序数据和A-KAZE算法的夏季逐日海冰漂移跟踪方法,并基于该方法开展了2011—2020年弗拉姆海峡夏季(4—9月)逐日的海冰漂移监测研究,分析了近10年弗拉姆海峡海冰流速的变化规律.研究选取2020年4月29日到5月5日弗拉姆海峡局部区域作为实验区对研究提出的方法进行了验证.实验结果表明,本研究提出的方法相比于经典的MCC模式匹配算法在跟踪精度上有很大提高,其中速度的均方根误差减少了2.13 km·d^-1(73%),角度的均方根误差减少了10°(38%). 相比于常用的SIFT、SURF特征跟踪算法,本方法提取到的海冰漂移矢量在数量上更多,空间分布更广.同时,相比于使用MODIS每日合成数据,本方法使用的时序MODIS影像在实验区获取了更大的海冰漂移跟踪范围,平均每日的跟踪面积提升了862.62 km²(近16倍),有效减少了云覆盖对光学数据跟踪效果的影响.此外,研究发现近10年弗拉姆海峡区域夏季海冰流速的空间分布比较一致,呈现出海峡南部流速高于北部,远离海岸流速高于近岸流速的规律.弗拉姆海峡夏季平均海冰流速在年际上不存在明显的增加或减少的趋势,但是在月尺度上总体呈现出4—7月下降,7—9月回升的趋势.本研究提出的海冰漂移跟踪方法可为夏季的海冰漂移研究提供新的思路,针对近10年弗拉姆海峡夏季海冰流速的分析结果也可应用于北极海冰快速变化等相关研究中.

     

雷达卫星SAR与防卫气象卫星SSM/I对渤海海冰的观测研究

用雷达卫星(RADARSAT)合成孔径雷达(SAR)和防卫气象卫星(DMSP)特别微波成像辐射计(SSM/I)在1999年1月23日同一天对中国渤海区域海冰的观测数据，进行了主动SAR与被动SSM/I的组合研究.用一层海冰电磁散射辐射的建模与数值模拟，分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化，提出用SSM/I辐射亮度温度的散射指数、极化指数、极化比率来识别渤海海冰；用RADARSAT高分辨率SAR数据(水平极化后向散射系数)对渤海海冰物理特征进行识别与分类.这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效地应用于渤海海冰的监察.     

南极普里兹湾海水中冰川融化水和海冰融化水的含量

根据中国第13, 14次南极科学考察普里兹湾的实测的dD及盐度, 运用质量平衡方程, 计算得第13次南极考察航次(1996年夏季)普里兹湾海水中冰川(雪)融化水的比例为0%~3.82%, 海冰融化水的比例为-3.19%~4.78%. 在第14次南极考察航次(1997年夏季)中, 冰川(雪)融化水和海冰融化水的比例分别为1.53%~3.98%和-3.80%~4.52%. 冰川(雪)融化水和海冰融化水的水平分布均凸现绕极深层水的涌升, 而不同深度处的水团图像存在显著的偏转, 这一现象可用Ekman深海漂流理论予以圆满的解释. 普里兹湾内冰川(雪)融化水的垂直分布呈均匀分布态势, 原因可能在于冰川(雪)的消融相对于湾内水体的垂直混合是一速率缓慢的过程. 海冰融化水的比例则随深度的增加而降低, 该分布模式显然系海冰的季节性消长造成的.     

海冰反照率参数化和遥感反演方法及其产品的研究评述

反照率是控制地表能量收支的关键地球物理参数之一,海冰作为南北极地区重要的组成部分,海冰反照率的时空变化会对极地地区和全球范围的气候变化、物质平衡以及能量平衡等产生重要的影响.本文系统的总结了海冰反照率的影响因素、海冰反照率的参数化方法和遥感反演方法及产品的研究进展,阐明了各方法的基本原理、特点以及存在的问题等.海冰反照率的影响因素众多,主要受地表冰雪反射特性、太阳天顶角以及大气属性的影响;参数化方法提供了一种模拟海冰反照率的途径,主要通过取经验定值或建立温度、冰雪厚度以及光谱反照率等参数与海冰反照率的经验关系来进行,但是这种基于特定位置、特定时间以及特定的大气状态下的观测数据运用统计或经验方法建立的参数化方法,适用范围通常有限.遥感反演方法是高时空分辨率获取大范围及长时序海冰反照率的有力手段,主要分为传统的反演方法、直接反演方法以及基于非光学传感器的反演方法;但是遥感反演很容易受到云层的影响,仅能反演晴空下的海冰反照率,而且现有的方法基本都是针对单一传感器设计的,还没有能够联合多源传感器数据反演海冰反照率的方法.基于此,本文展望了未来海冰反照率的研究重点,即开展能够适用于云天空下的、高...     

澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关

通过对澳大利亚气温资料和环南极海冰资料对比验证,我们发现澳大利亚夏季大雪与对面南极大陆海冰增加在时间上有一一对应关系.我们在2003年就提出,环南极海冰变化是全球气候变化的调节器,德雷克海峡海冰在全球气候变化中起重要作用.2006年澳大利亚夏季大雪验证了这一结论:气候和构造是地球系统中的两个相关因素,它们受天文周期控制.德雷克海峡海冰的减少加快了环南极西风漂流,减慢了南太平洋环流,使东澳大利亚暖流变弱,为南极冷空气袭击澳大利亚东南部的塔斯马尼亚岛创造了条件.特别值得指出的是,潮汐有1.1、2.06、2.2、10、11、22、31、56、62年变化周期,潮汐周期与太阳黑子周期的叠加效应为解释厄尔尼诺、气温、海温、海冰、地磁、地震的11年和22年周期变化提供了理论根据.     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰厚度变化研究

北极海冰是地球气候系统的重要因子,获取精确的海冰厚度及其变化信息对于开展北极和全球变化研究等有着重要的意义.卫星测高是获取连续、大范围海冰厚度的主要方法之一.冰间水道识别是卫星测高方法估算海冰厚度的关键之一.基于CryoSat-2数据,利用遥感影像对两种主要的冰间水道识别方法进行了对比,发现波形特征法能够更好地识别冰间...     

中国南极科学考察探地雷达海冰探测

环绕着南极大陆陆缘海冰隐伏冰裂缝发育,严重威胁我国南极科考海冰运输的安全.探地雷达可以精确、快速、有效探测海冰层序空间结构、隐伏冰裂缝两翼形态、冰裂缝的分布范围等关键要素.探冰队对拟选东部线路约22 km进行雷达探冰作业,新发现规模较大隐伏冰裂缝5条.评估了中国第30次南极科考队海冰卸货运输路线,为科考船"雪龙"号上大量物资、科考设备和重型装备安全运抵中山站保驾护航.