基于Nimbus-7和DMSP卫星资料的北极海冰变化特征分析

利用1979—2012年Nimbus-7和DMSP海冰密集度资料对北极海冰进行研究。EOF分析结果表明整个北极海域海冰密集度变化具有非常强的季节变化特征,海冰最多的月份在1—4月、最少的在7—10月,其中鄂霍次克海和日本海、白令海等海域夏季无冰。北极海冰变化的总体趋势是减少,喀拉海和巴伦支海的减少速度最快,只有白令海海冰密集度呈增加趋势。北极区域海冰面积异常变化的主要周期一般在1 a左右,喀拉海和巴伦支海的主周期较长,为18.5 a。     

北极巴伦支海海冰多年变化特征研究

本文采用2003～2016年SSMI海冰密集度和NCEP气温、风场等数据,通过计算海冰覆盖率、增长期长度、冬季负积温和风拖曳力等参数,分析了巴伦支海海冰的变化特征及其与热力、动力影响因素之间的联系。结果显示,因西南部存在常年无冰区,巴伦支海14a平均的海冰覆盖率低于50%;覆盖率总体呈现下降趋势,冰情呈现"重—中等—轻"的变化过程,2012年后甚至出现夏季无冰的情况;增长期长度先增后减,起止时刻均有推迟;冬季负积温是影响巴伦支海冰情轻重的重要因素,与年平均海冰覆盖率距平和最大覆盖率的相关系数分别为-0.90和-0.89;风拖曳力的改变可在短期内引起海冰覆盖率急剧变化,是海冰边缘区产生流冰的主要原因,易对油气资源开发的海洋平台产生危害。     

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。     

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。     

巴伦支海和喀拉海区域海冰变化关键过程及热力响应

巴伦支海和喀拉海区域是北极海冰变化最显著的地区之一,由于该区域海冰厚度和海冰流速观测数据的不完整,对于巴伦支海和喀拉海区域海冰体积时空变化特征的认识还不够完善,对引起该区域海冰变化的关键过程及海冰对热力学因素的响应理解也不够清晰。本研究综合利用1991—2019年海冰流速和海冰厚度再分析数据与海冰流速模式数据,定量分析了巴伦支海和喀拉海区域海冰变化的主要贡献来源。结果表明,相较于外部的海冰输运变化,局地海冰变化贡献是该区域海冰总体积变化的关键过程。外部海冰的贡献主要由斯瓦尔巴群岛与北地群岛之间的海冰向外输出增加和内向输入减少共同作用引起。在局地海冰变化中,海冰体积减小主要由喀拉海和巴伦支海北部以及喀拉海南部海冰厚度减小所致。区域内海冰分别和海表温度以及地表气温呈现较为显著的负相关性变化。海冰与海表温度高相关性区域的分布与海表温度增暖较快的区域相一致,春、夏季主要位于巴伦支海,秋、冬季扩大至巴伦支海和喀拉海大部分区域。海冰与地表气温之间的平均相关系数高于与海表温度的相关系数,高相关性区域的分布与海冰厚度减小明显的区域分布相似。     

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.     

北极高密集度冰区海冰的多时间尺度变化特征及其极端低值事件分析

利用美国冰雪中心(NSIDC)高分辨率海冰密集度等多种数据,定义了北极高密集度冰区(High concentration ice region:HCIR)海冰变化指数,在此基础上研究了1989—2017年HCIR海冰多尺度变化特征及其极端低值事件的可能形成原因。结果表明:北极HCIR海冰密集度具有显著的单峰型季节变化特征,4月密集度最高,9月密集度最低,年较差达17.70%,兼有夏季融冰期短、冬季结冰期长且持续稳定的特点。HCIR海冰存在显著的年际年代际变化,在2007年发生了年代际转折以后,海冰变化指数的年际变化幅度和频次明显加强,且在2016、2012、2007、2011、2008和2010年依次出现海冰密集度极端降低事件;2016年9月初HCIR海冰密集度达到历史最低值,接近50%。对HCIR海冰密集度极端低值事件的统计研究表明,29年间共出现874天(次)极端低值事件,约占总频次的8%;空间上海冰密集度的降低主要出现在沿HCIR边界线一带,存在巴伦支海-喀拉海北缘的斯瓦尔巴群岛-北地群岛和东西伯利亚-波弗特海两个中心区域,该空间分布与气旋式大气环流引起的北冰洋Ekman漂流的辐散分布相一致。这表明HCIR海冰密集度的极端降低与极涡的动力作用有关,同时风场对海冰的动力辐散作用还会引起HCIR开阔水域的扩大,进一步加强海冰反照率的正反馈机制,使得热力和动力作用耦合起来共同影响HCIR海冰的加速融化。     

基于卫星数据的北极海冰变化分析

海冰是极地气候系统重要组成部分。基于1982—2004年的卫星反照率、海冰密集度数据,选取了7个北极海域(分别位于格陵兰海、巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海及以北海域、楚科奇海及以北海域和波弗特海及以北海域)进行了研究。对比分析发现,两数据区域平均序列相关性比较高,最低相关系数为0.51,最高相关系数为0.94。格陵兰海海域和巴伦支海海域夏季海表反照率、海冰密集度较低,多为无冰海面;喀拉海域、拉普捷夫海域、东西伯利亚海及以北海域6月份海表反照率、海冰密集度较高,7、8月份海冰加速融化,海冰密集度下降明显;楚科奇海及以北海域、波弗特海及以北海域夏季海表反照率、海冰密集度较高。7个海域海表反照率、海冰密集度均呈现下降趋势,西部的楚科奇海及以北海域、波弗特海及以北海域下降速度最快,巴伦支海海域下降速度最慢。海表反照率和海冰总量的减少,对气候演变有着重要影响。     

北极海面风场对海冰区域性和整体性变化的影响

北极海冰的快速减退是近年来全球变化最重要的现象,对全球气候产生显著影响。海表面风场是影响海冰变化的核心因素,但风场对各个海域海冰变化的贡献有很大差异,需要深入了解海表面风场对各个边缘海的贡献才能理解北极海冰变化的原因。本文采用SVD方法,分析海冰面积显著变化时的矢量风场与海冰密集度变化的关系,探讨风场对各个海域海冰的总体影响及对整个北极海冰变化的贡献。结果表明,各海区海冰密集度的变化都与海面风场有联系,但相关程度有明显差异,表明在有些海域风场起支配性作用,而在另一些海域其他因素的作用也很显著。对海冰产生影响的风场类型主要有三类:纬向风、经向风和气旋式风场。在波弗特海-拉普捷夫海这4个海域中,仅有1种类型的风场(纬向风或经向风)对海冰产生显著影响,同一海域海冰密集度呈现位相一致的变化。而在其他海域,有2种类型的风场(纬向风与气旋式风场,经向风与气旋式风场)影响海冰变化,同一海域的海冰密集度会呈现位相相反的变化。北极海冰的变化是一个整体,各个边缘海的海冰既有各自的变化特点,又有很好的整体协同变化特点。而2004年以来,加拿大海盆反气旋式风场与欧亚海盆弱的气旋式风场的整体结构呈现逐渐加强的趋势,有利于北极海冰的进一步减退。     

格陵兰岛附近海域海平面变化的初步研究

利用17年5个月的卫星高度计资料,探讨格陵兰岛附近海域海平面的季节变化和年际变化特征,结果表明,该区域海平面变化存在显著的季节信号和年际信号。近20a来,格陵兰岛附近海域海平面的平均上升速率为1.7mm/a,小于全球海平面的平均上升速率。该海域的海平面变化存在很强的区域性,通常多年平均海面高度异常(SSHA)大的海区,海平面上升速率也大;多年平均SSHA低的海区,海平面上升速率则较小。EOF分析表明第一模态为季节模态,整个海域第一空间模态的位相相同,说明该海域海平面的季节变化趋势是相同的。该区域的SSHA与海冰面积指数呈负相关,海平面的季节变化受海冰面积大小的影响显著。SSHA与经向风应力距平的低频分量具有很好的正相关性,与纬向风应力距平的低频分量具有不显著的负相关,说明该海域海平面的年际变化受风应力的影响显著。     

渤海冬季海冰反照率变化

渤海海冰对于大尺度气候变化比较敏感,基于CLARA-A1-SAL数据分析了1992~2008年冬季（12、1、2月）渤海海冰区域反照率的时空变化,同时分析了海冰密集度、海冰外延线面积和海水表面温度的变化与海冰反照率的相互关系。渤海海冰区域反照率随时间波动变化且变化趋势不明显,趋势线斜率仅为0.0388%。年际变化在9.93%~14.5%之间,平均值为11.79%。海冰反照率在1999,2000和2005等重冰年的值明显高于其他年份,在1994,1998,2001和2006等轻冰年的值较低。从单个月份反照率来看,12月海冰反照率的增加趋势（趋势线斜率0.0988%）明显高于1月和2月,1月的海冰反照率平均值（12.9%）高于另外两个月份。海冰反照率和海冰密集度呈明显的正相关关系;和海表面温度呈负相关关系（显著性水平90%）。     

渤海、北黄海冰情与太平洋副热带高压的统计关系

对1975—2006年逐月太平洋副热带高压面积和强度指数序列与渤海、北黄海冰情等级序列进行了统计分析,计算结果表明,8月和12月太平洋副热带高压面积和强度指数与冰情等级具有良好的相关关系。利用回归方法得到它们之间的统计关系,回归结果表明,太平洋副热带高压面积和强度指数越大,当年冬季冰情越轻,该统计关系对中国冰情预报具有一定的参考意义。     

新型海冰调查设备--冰样压缩机

介绍了海冰观测中冰样压缩机的重要作用;阐述了冰压机各组成部分的设计原理和操作步骤;列出了表征海冰单轴抗压强度性能的部分参数和计算方法;对整机标定的方法提出了设计方案。     

Sea ice characteristics between the middle Weddell Sea and the Prydz Bay, Antarctica during the austral summer of 2003

The antarctic sea ice was investigated upon five occasions between January 4 and February 15, 2003. The investigations included: (1) estimation of sea ice distribution by ship-based observations between the middle Weddell Sea and the Prydz Bay; (2) estimation of sea ice distribution by aerial photography in the Prydz Bay; (3) direct measurements of fast ice thickness and snow cover, as well as ice core sampling in Nella Fjord; (4) estimation of melting sea ice distribution near the Zhongshan Station; and (5) observation of sea ice early freeze near the Zhongshan Station. On average, sea ice covered 14.4% of the study area. The highest sea ice concentration (80%) was observed in the Weddell Sea. First-year ice was dominant (99.7%-99.8%). Sea ice distributions in the Prydz Bay were more variable due to complex inshore topography, proximity of the Larsemann Hills, and/or grounded icebergs. The average thickness of landfast ice in NeUa Fjord was 169.5 cm. Wind-blown snow redistribution plays an important role in affecting the ice thickness in Nella Fjord. Preliminary freezing of sea ice near the Zhongshan Station follows the first two phases of the pancake cycle.     

渤海海冰现场监测的数字图像技术及其应用

在渤海冰区油气开发中,海冰给平台结构、油气运输和施工作业带来很大影响.油气作业区海冰参数精确、连续、实时的现场监测对分析油气开发的可靠性、检验海冰数值模式、校正海冰卫星遥感数据具有重要意义.针对渤海油气作业区的海冰运动和分布特性,通过数字图像技术对海冰的厚度、运动速度和密集度三个参数的提取进行了算法开发和软件研制.在2...     

滨州市海域海冰的时空分布和冰级特征

文章根据2005—2017年滨州市海域冬季各类海冰监测数据资料,对冰日、冰期、冰型、冰厚、浮冰密集度和结冰范围等冰情要素进行分析,总结海冰的时空分布和冰级特征,为进一步开展相关海域的海冰灾害研究和防灾减灾工作提供必要的参考。研究表明,滨州市海域的总冰期一般为60~80d,其中严重冰期约为25d,河口和浅滩等近岸海域冰情较重;冰型、冰厚和结冰范围等在不同冰期和冰级具有不同特点,对海上设施和海上活动造成不同程度的影响。     

渤海海冰现场监测的数字图像技术及其应用

在渤海冰区油气开发中,海冰给平台结构、油气运输和施工作业带来很大影响。油气作业区海冰参数精确、连续、实时的现场监测对分析油气开发的可靠性、检验海冰数值模式、校正海冰卫星遥感数据具有重要意义。针对渤海油气作业区的海冰运动和分布特性,通过数字图像技术对海冰的厚度、运动速度和密集度三个参数的提取进行了算法开发和软件研制。在2009-2010年采用该海冰数字图像监测软件对渤海辽东湾JZ20-2油气作业区的海冰参数进行了全冰期的连续监测,获得了翔实可靠的海冰厚度、密集度和冰速等海冰监测资料。现场监测应用表明,该海冰数字图像监测软件具有操作性强、精确度高、可靠性好的优点。该监测技术进一步完善后可广泛应用于渤海油气作业区的海冰现场监测,成为海冰业务化现场监测的重要组成部分。     

近半个多世纪以来渤海冰情对全球气候变化的响应

渤海是季节性的结冰海域,属于北半球结冰海区的南边缘,其冰情状况是对大气场和海洋场共同作用的响应。1951—2004年渤海海冰冰级与中国大陆气温距平具有很强的负相关性,渤海海冰状况是对我国北方地区、尤其是对华北地区的中短期气候变化的响应。从20世纪50年代至90年代,海冰偏轻年数逐年代增加,同时海冰平均等级也逐渐降低,是对全球气候变暖的响应。渤海重冰年出现的周期大约为10a,与太阳黑子活动周期很接近,反映太阳活动对渤海冰情具有相当大的影响,尤其是极值事件。分析表明,渤海冰情与厄尔尼诺事件之间不存在显著的线性关系,厄尔尼诺不是渤海冰情变化的原因,相反,渤海冰情的加重,预示着厄尔尼诺的来临。     

基于MODIS热红外数据的渤海海冰厚度反演

Level ice thickness distribution pattern in the Bohai Sea in the winter of 2009–2010 was investigated in this paper using MODIS night-time thermal infrared imagery.The cloud cover in the imagery was masked out manually.Level ice thickness was calculated using MODIS ice surface temperature and an ice surface heat balance equation.Weather forcing data was from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) analyses.The retrieved ice thickness agreed reasonable well with in situ observations from two off-shore oil platforms.The overall bias and the root mean square error of the MODIS ice thickness are –1.4 cm and 3.9 cm,respectively.The MODIS results under cold conditions(air temperature –10°C) also agree with the estimated ice growth from Lebedev and Zubov models.The MODIS ice thickness is sensitive to the changes of the sea ice and air temperature,in particular when the sea ice is relatively thin.It is less sensitive to the wind speed.Our method is feasible for the Bohai Sea operational ice thickness analyses during cold freezing seasons.     

曹妃甸邻近海域的海冰状况与特征

曹妃甸邻近海域是渤海湾冰情严重海域之一.根据该海域的地理环境和大量的海冰卫星遥感、海冰航空监测、海冰船舶调查、岸站和海上平台等有关海冰监测资料及相邻海域的有关海冰监测资料,给出了该海域海冰的冰期、冰型和海冰时空分布变化等特征.另外,还给出了该海域一般年份和特殊年份的冰情状况.