基于AMSR-E遥感数据的北极冰间湖面积变化分析

利用4种遥感数据:AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)36GHz与89GHz亮温数据反演的海冰厚度以及相应波段的海冰密集度数据,结合海冰密集度和厚度两种方法提取北极冰间湖面积,分析东西伯利亚沿岸和阿拉斯加沿岸在2003—2011年期间1—4月冰间湖面积变化,并比较不同数据和算法之间的差异。结果表明:(1)1—4月份冰间湖面积变化形态相似,但数值不同,从长期看,基于AMSR-E 89 GHz亮温数据反演的海冰厚度数据计算的冰间湖面积呈上升趋势,变化率为273.33 km~2·mon~(-1),而AMSR-E 89 GHz和36 GHz波段的海冰密集度及基于AMSR-E 36 GHz亮温数据反演的海冰厚度数据计算的结果呈下降趋势,分别为-68.91km~2·mon~(-1)、-42.74 km~2·mon~(-1)和-41.91 km~2·mon~(-1);(2)数据分辨率高能够更精细分辨冰间湖,得到的面积大,反之则小;(3)由于基于海冰密集度和基于海冰厚度两种方法对冰间湖的定义不同,海冰厚度方法计算结果要大于海冰密集度结果;(4)冰间湖面积变化存在地域差别,白令海峡以西海域冰间湖统计差异较为明显,而以东海域则较弱。     

利用HY-2微波辐射计数据反演北极区域海冰密集度方法研究

HY-2是中国自主研发的海洋卫星。 本文研究了利用HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演北极海冰密集度的方法。参考NASA TEAM方法,我们对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析,确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值;利用天气滤波器有效去除了开阔海域由于大气中水蒸气、云中液态水、降雨等现象引起的海冰密集度计算错误。本文计算了2012年全年的北极海冰密集度产品并对产品精度进行了初步验证,验证结果表明：三个海冰类型已知区域的海冰密集度结果与理想值比较接近,多年冰密集度的反演精度需要进一步提高;本文结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。本研究为利用HY-2卫星监测极区海冰密集度变化,发布实时产品奠定了基础。     

利用海洋(HY-2)卫星微波辐射计数据反演北极区域海冰密集度

HY-2是中国自主研发的海洋卫星。本文研究了利用HY-2卫星微波扫描辐射计亮温数据反演北极海冰密集度的方法。参考NASA TEAM方法,我们对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析,确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值;利用天气滤波器有效去除了开阔海域由于大气中水蒸气、云中液态水、降雨等现象引起的海冰密集度计算错误。本文计算了2012年全年的北极海冰密集度产品,并对产品精度进行了初步验证,验证结果表明:三个海冰类型已知区域的海冰密集度结果与理想值比较接近,多年冰密集度的反演精度需要进一步提高。本文结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。本研究为利用HY-2卫星监测极区海冰密集度变化,发布实时产品奠定了基础。     

基于改进FCLS算法的南极海冰密集度估算及算法比较

海冰具有良好的热力隔绝效应,它通过影响海洋和大气的热交换进而影响全球的气候变化。海冰密集度是极区海冰研究的重要指标之一。为实现高空间分辨率多类型海冰密集度的估算,本文将亮温极化梯度率和光谱梯度率引入基于全约束最小二乘法(fully constrained least squares,FCLS)的海冰密集度估算方法,并利用南极海冰过程与气候计划(Antarctic Sea Ice Processes and Climate,ASPe Ct)对改进方法的精度进行验证,然后与NASA Team2(NT2)算法和ARTIST Sea Ice(ASI)算法获得的海冰密集度结果进行了对比分析。结果显示,3种算法中本研究的方法精度最高,全年均方差13.8%,偏差为-0.7%;改进的方法对多年冰的估算精度优于一年冰。     

应用AMSR-E 89GHz遥感数据反演北极多年冰密集度

被动微波辐射计AMSR-E在89GHz频段的空间分辨率几乎是其它低频段的2倍。到目前为止,已经有成熟的算法采用AMSR-E 89GHz频段的数据来反演整体海冰的密集度,而本文根据89GHz频段亮温数据针对一年冰、多年冰以及无冰水面的不同特性,提出了一种反演多年冰密集度的方法(AC)。计算了2007年北极的整体海冰和多年冰密集度,并与NASA TEAM算法(NT)的结果作了比较。对于整体海冰密集度,两种算法反演的结果基本一致。从日平均上来看,AC算法得到的整体海冰覆盖面积只比NT算法多25万km2。但是对于多年冰的反演结果,AC算法得到的结果比NT的结果要多出146万km2,冬季差别尤其大。造成这种差别的原因可能是AC算法对于北极表面气温的变化比较敏感。另外,AC算法计算得到2007年最大海冰覆盖面积为1400万km2,最小海冰覆盖面积为400万km2,这与其它研究结果一致。     

不同月海冰边界提取算法对南极海冰变化的影响分析

海冰与海水的交界地带是海-冰-气相互作用的重要区域,其变化会影响海洋生物栖息地的联通状态和海洋、大气的交换,确定海冰边界对于分析海冰动态变化具有重要意义[1-2]。被动微波传感器为长期监测海冰变化提供了大尺度的连续观测数据。从经典统计、随机集理论出发,应用三种由被动微波日均海冰密集度数据提取月均海冰边界的方法,分析三种月均边界的差异,以及不同月均边界提取方法对海冰长期变化分析的影响。     

北极迅速变暖条件下西北航道的海冰分布变化特征

北极近年迅速变暖使西北航道的通航成为可能。本文利用AMSR-E的6.25km分辨率日平均海冰密集度卫星数据研究了2002-2008年北极西北航道的海冰密集度变化特征。通过统计分析沿西北航线冰障关键流段代表站点的融化期、轻冰期、无冰期、无冰天数和轻冰天数,以及海冰分布和变化的某些细节,加深了对西北航道海冰季节变化和年际变化以及空间分布的主要特征,特别是与通航相关的冰情信息的了解。研究指出西北航道南路比北路容易开通;各线路冰障流段存在的时间呈减小趋势,整条线路无冰/轻冰天数呈增加趋势;冰间湖和冰间水道的产生和发展在很大程度上可能会影响到整个航路的融冰开始时间。     

SIS海冰模式中两种盐度参数化方案的差异

详细介绍了Sea Ice Simulator(SIS)海冰模式中引进两种盐度参数化方案即等盐度方案和盐度廓线方案对海冰模拟所存在的差异。利用盐度廓线方案导出的表征盐度与海冰温度间关系的方程比等盐度方案多出一项,将该项定义为盐度差异项。盐度差异项对海冰厚度的热力作用表现为:在海冰厚度增长季节(11月到次年5月),盐度差异项通过升高海冰内部温度,抑制海冰增长;在消融的第一阶段(6—8月),盐度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融;在消融的第二阶段(9—10月),盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。但尺度分析表明,盐度差异项要比方程中对海冰温度作用最大项小1—2个量级,如果采用一级近似,可以略去盐度差异项,因此盐度差异项对与海冰增长和消融影响很小。同时利用GFDL中心研制的冰-洋耦合模式Modular Ocean Model(MOM4),分别采用两种盐度参数化方案模拟北极海冰厚度和海冰密集度的季节性变化,模拟结果也表明两种方案模拟得到的海冰厚度和海冰密集度的季节性变化相差甚小。     

中国第二次北极科考航线海冰密集度和厚度

单点海冰调查是构成线、面海冰资料的基础,这些资料对于大面积海冰遥感资料的对比研究是必要的。虽然由于海冰时空变化引起一定差异,大面积统计意义上的冰情条件具有正确性。依据2003年7-9月中国第2次北极科学考察期间,沿航线进行的船舶海冰调查资料,航空海冰调查资料和浮冰站海冰调查资料,以图表形式归纳总结了航线上的冰情、海冰密集度、厚度剖面和单点厚度值;给出海冰密集度和厚度的空间分布。     

基于“永盛轮”航线冰情分析的北极东北航线通航性研究

海冰冰情是开发、利用北极航道的关键信息,研究利用2006—2015年北极地区逐日海冰密集度数据,根据2013年"永盛轮"首航北极东北航道时所经航线为例,提取了航线冰情要素,包括航线通航窗口、逐日海冰密集度时空分布以及海冰密集度月标准差等,对航线通航条件进行了研究。根据航线冰情要素获得了十年间航线通航窗口的基本情况,十年间航线所经水域的大体通航情况和主要冰障位置,7—10月份航线所经水域海冰密集度的变化动态。通过对航线冰情要素的分析,得出影响航线的两个关键海域,并分析了"永盛轮"航线与关键水域航线通航窗口的变化趋势。     

贼鸥用于南极环境大型指示生物种的初步研究

对南极长城站附近棕贼鸥(C.s.lonnberg)、灰贼鸥(C.maccormicki)和两者的混合配对(hybrid)的食性与考察站环境质量的相关性进行研究,结果表明,贼鸥的食物结构受站区人类废弃物的直接影响。贼鸥食性构成同时与人类活动和动物生态习性相关而起到双重信息载体作用,可作为南极环境生态评价的重要指标之一,对推动实现南极环境生态评价的量化有重要意义。     

2003年夏季东南印度洋上层海洋的水文特征

本文利用 2 0 0 3年 2月我国第 1 9次南极考察队在南极普里兹湾到澳大利亚弗里曼特尔南印度洋断面上获得的XBT和XCTD数据 ,分析了该断面上层的水团分布和锋面的特征 ,并讨论了极锋以南表层的淡水输入和热量输入与海冰、降水及平流之间的关系。南极夏季表层水(AASSW)、亚南极表层水 (SASW)、亚热带表层水 (STSW)分布于温盐跃层之上的混合层中 ,由南向北依次分布。AASSW之下是向北延伸的温度最小值层 ,即冬季水 (WW) ,其下则是涌升的上层南极饶及深层水 (UCDW)。南侵的高温高盐的亚热带表层水 (STSW)之下是温度和盐度相对均匀的亚南极模式水 (SAMW)。本航次发现 ,在 63.5°S ,79.7°E的 60 0m以深有低盐水体 (相对其周围水体 )存在 ,核心盐度 34.5 8,位于 80 0- 90 0m水深之间。这是历次考察在该断面所不曾观测到的现象。断面上的锋面从南向北依次为南极陆坡锋 (ASF)、极锋 (PF)、亚南极锋 (SAF)和亚热带锋 (STF)。ASF位于 65°S以南的 1 0 0m以深 ,等温线和等盐线向南倾斜 ;PF位于 5 4°S ,90 .4°E ;SAF位于 45 .3°- 47.5°S ,1 0 2 .5°- 1 0 4 .4°E之间 ,深达整个测量深度 ,温度具有两个高梯度核心 ;首次在该断面观测到双STF结构 ,位于 41 .9°- 42 .6°S,1 0 6.7°- 1 0 7.3°E和 37.7°- 38     

破冰结构角度对整冰失效模式的影响分析

破冰船破冰过程中整冰的失效模式对于冰载荷的估算十分重要。本文基于力学方法分析了破冰船破冰过程中破冰结构与整冰的相互作用,得到了影响冰体失效的冰力分量与破冰结构参数的表达关系,进而确认冰摩擦系数以及坡度角与冰体失效模式的关系。依据北极海冰的摩擦系数范围,指出当破冰船破冰结构坡度角小于70°时,冰体发生弯曲破坏,当坡度角处于70°—82°时,冰体同时发生弯曲和挤压失效,当坡度角大于82°时,冰体仅发生挤压失效,同时给出了不同失效模式下冰力的计算方法。     

北冰洋78°N冰站近地层参数的观测研究

利用2003年8月22日-9月3日中国北极科学考察队在北冰洋78°N浮冰站获得的近地层观测资料,采用整体输送法对北冰洋浮冰近地层特征参数进行了分析研究。结果表明,在考察期间,雪面吸收的净辐射仅为3.6 W/m2,其中以感热和潜热向大气输送的能量分别占52%和31%,向海冰深层传导的热量很少;近中性层结条件下的平均拖曳系数Cdn为1.16×10-3,略小于75°N北冰洋浮冰上近中性层结的Cdn。与1999年75°N附近冰站观测结果的对比表明,当海冰密度及冰站所在浮冰的尺度不同时,海冰与大气相互作用的热力学和动力学过程的差异显著,在研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程影响时,应考虑这一问题。     

北极海冰细菌产胞外酶及主要环境因子的初步研究

覆盖在北极海洋上的广阔海冰为其内部生存的微生物群落提供了一个独特的生境。研究表明 ,大量海冰细菌能够分泌产生胞外酶 ,其中产蛋白或脂质水解酶细菌的比例远高于产多糖水解酶的细菌。温度、盐度是直接影响海冰细菌生存与活力的 2个主要环境因子。 76%的产酪蛋白酶海冰细菌为低温菌 ,菌株只能在 <35°C条件下生长 ;而 98%的酪蛋白酶最适作用温度≥ 35°C ,其中 62 %的酶最适作用温度≥ 45°C。几乎所有的产酪蛋白酶海冰细菌都耐盐或嗜盐     

2010年夏季北极海冰反照率的观测研究

雪和海冰作为北极地区反照率最高的地表类型,可以将大部分入射辐射能量反射回天空,其表面反照率的变化对整个地表-大气辐射平衡系统和全球气候变化都会有重要影响。在2010年中国第4次北极科学考察期间用ASD光谱仪对北极太平洋扇区不同类型的海冰表面反照率进行了现场测量,观测时段为7月27日至8月23日,地理范围在72°18′-87°20′N和152°34′-178°22′W之间。观测结果表明积雪覆盖海冰的反照率最高,干雪覆盖时均值达到0.82,融化的湿雪覆盖时反照率会有一定程度地降低。夏季北极地区存在大量融池,融池海冰按颜色划分为白冰,蓝冰和灰冰,白冰的平均反照率为0.54,蓝冰的为0.31,灰冰的只有0.20,融池水的反照率只有0.16。融池是北极夏季反照率变化的重要原因。     

Particle-laden Eurasian Arctic sea ice: observations from July and August 1987

During the summer 1987 expedition of the polar research vessel'Polarstern'in the Eurasian Basin of the Arctic Ocean, sea ice at about 84-86°N and 20-30°E was found to have high concentrations of particulate material. The particle-laden ice occurred in patches which often darkened more than half the ice surface at our northernmost positions. Much of this ice appeared to be within the Siberian Branch of the Transpolar Drift stream, which transports deformed, multi-year ice from the Siberian shelves westward across the Eurasian Basin. Lithogenic sediment, which is the major component of the particulate material, may have been incorporated during ice formation on the shallow Siberian seas. Diatoms collected from the particle-rich ice surfaces support this conclusion, as assemblages were dominated by a marine benthic species similar to that reported from sea ice off the coast of northeast Siberia. Based on drift trajectories of buoys deployed on the ice it appears that much of the particle-laden ice exited the Arctic Ocean through the Fram Strait and joined the East Greenland Current.
Very different sea ice characteristics were found east of the Yermak Plateau and north of Svalbard and Frans Josef Land up to about 83-84°N. Here sea ice was thinner, less deformed, with lower amounts of lithogenic sediment and diatoms. The diatom assemblage was dominated by planktonic freshwater species. Trajectories of buoys deployed on sea ice in this region indicated a tendency for southward transport to the Yermak Plateau or into the Barents Sea.     

南极威德尔海海冰晶体类型分析

为了解南极威德尔海不同区域海冰形成过程,分析了2006年9—10月威德尔海海冰调查中的27支冰芯晶体并描述了冰芯反映的冰层形成过程;给出2支完整冰芯晶体照片和多边形晶体雪冰照片,以及对应照片的冰层描述和冰盐度、密度、粒径。根据冰芯晶体揭示的海冰形成过程,发现尽管现场考察均选择较大表面平整的浮冰作业,但冰芯晶体揭示出实际冰层可以是受动力和热力联合作用形成的重叠冰、固结冰脊、二年冰;而从表面到底面属于纯热力学生长形成的冰层所占比例较小。积雪经过密实和水分参与,再冻结形成多边形晶体雪冰也是南极海冰主要组成之一。粒状晶体、过渡区混合晶体和柱状晶体海冰分别占27支冰芯总长度的28.7%、14.4%和55.2%。海冰的区域分布表现出海冰边缘区以纯热力学生长的一年冰为主;在冰架前缘,受动力作用形成的重叠冰和固结冰脊的比例增加,并且存在二年冰和多边形晶体雪冰;冰间湖内生长有大面积纯热力学生长的海冰并向外输送。     

Decadal decrease of Antarctic sea ice extent inferred from whaling records revisited on the basis of historical and modern sea ice records

In previous work, whaling catch positions were used as a proxy record for the position of the Antarctic sea ice edge and mean sea ice extent greater than the present one spanning 2.8° latitude was postulated to have occurred in the pre-1950s period, compared to extents observed since 1973 from microwave satellite imagery. The previous conclusion of an extended northern latitude for ice extent in the earlier epoch applied only to the January (mid-summer) period. For this summer period, however, there are also possible differences between ship and satellite-derived measurements. Our work showed a consistent summer offset (November-December), with the ship-observed ice edge 1 - 1.5° north of the satellite-derived ice edge. We further reexamine the use of whale catch as an ice edge proxy where agreement was claimed between the satellite ice edge (1973-1987) and the ship whale catch positions. This examination shows that, while there may be a linear correlation between ice edge position and whale catch data, the slope of the line deviates from unity and the ice edge is also further north in the whale catch data than in the satellite data for most latitudes. We compare the historical (direct) record and modern satellite maps of ice edge position accounting for these differences in ship and satellite observations. This comparison shows that only regional perturbations took place earlier, without significant deviations in the mean ice extents, from the pre-1950s to the post-1970s. This conclusion contradicts that previously stated from the analysis of whale catch data that indicated Antarctic sea ice extent changes were circumpolar rather than regional in nature between the two periods.     

气候系统模式对于北极海冰模拟分析

利用全球耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)模拟试验的结果,并与观测资料对比分析,评估了CMIP5模式对北极海冰的模拟效果。结果表明:多数模式可以较好地模拟出北极海冰的空间分布以及季节变化特征。1979—2005年北极海冰迅速减少,所有模式均模拟出北极海冰减少的趋势,但减少趋势大小与观测差别较大。在全球变化的背景下,全球地表气温升高1℃,北极海冰的面积减少1.02×106km2,而在模式中减少的北极海冰面积在0.62×106—1.68×106km2之间,说明模式对于北极海冰的模拟仍然存在很多不确定性。