北极西北航道船舶通航风险分析

北极海冰的融化使得北极西北航道通航成为可能,有必要探讨北极西北航道的安全通航风险控制问题。针对北极西北航道冰情和复杂通航环境下的船舶通航窗口期,本研究采用时间维度上的过程风险评估方法,构建了基于系统动力学的北极西北航道通航风险评估模型,结合北极西北航道6条航线的场景条件,通过2015—2021年7年间风、雾、浪、海冰的月平均变化的数据分析,进行北极西北航道船舶通航过程风险仿真,提出了北极西北航道船舶通航窗口期。仿真结果表明:北极西北航道全年可通航的时间窗口为8月下旬至9月上旬,而选择阿蒙森湾—威尔士亲王海峡—巴罗海峡—巴芬湾和阿蒙森湾—维多利亚海峡—皮尔海峡—巴芬湾两条航线的船舶通航风险相对较低,从发展上看,随着海冰快速融化北极西北航道具有较高的通航潜力。     

基于遥感数据的北极西北航道海冰变化以及通航情况研究

使用不莱梅大学AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS)和AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)日尺度海冰密集度数据,计算了2002—2018年加拿大北极群岛7—9月的平均海冰面积,研究了9月份平均海冰密集度变化特征;结合商船破冰能力确定海冰密集度阈值,选取西北航道关键区域,统计了西北航道的通航窗口,探讨了西北航道在实际商业通航方面的可能性。研究发现,在过去17年加拿大北极群岛的7—9月海冰面积整体呈下降趋势但有明显波动性, 9月份的海冰分布年际变化复杂,差异较大;在西北航道可通航的年份中,可通航的开始日期一般在8月份,结束日期在9月底至10月初,南路可通航时间最短14天,最长达到80天。总的来说,西北航道可通航年份和时间缺乏规律性。     

基于多时序遥感数据的中山站附近地区海冰监测及雪龙船航迹特点分析

极地海冰是全球气候系统的重要组成部分,具有一定的季节和年际变化,它对极地科学考察有着重要影响。本文利用MODIS L1B级数据,经监督分类提取冰雪二值图并计算海冰面积,分析2000—2014年中山站附近地区的海冰的季节性和年际变化;结合Landsat影像及雪龙船航迹数据,分析2007—2012年雪龙船到达中山站的航迹特点,为极地科学考察提供参考。研究结果表明,2000—2014年中山站附近地区海冰年际变化规律大体一致,且在每年8月至次年3月有明显的季节性变化规律——海冰面积在9月底10月初达到最大值,在2月中下旬达到最小值;雪龙船到达中山站时间为该地区海冰融化的初期,其航迹特点与海冰分布密切相关。     

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。     

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。     

1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

利用美国冰雪中心发布的海冰密集度数据,对1979—2012年北极海冰范围进行年际和年代际变化分析。结果表明:(1)海冰在秋季融化速度最快,其次为夏季、冬季、春季。2000年后春季下降速率变缓,而其他季节融化速度加快;(2)由于多年冰的融化,太平洋扇区在夏秋季节融化速度要高于其他海区。而大西洋扇区在冬季和春季海冰的融化速度要快于夏秋季节,主要是因为大西洋海温升高;(3)东半球在夏秋季节海冰融化的范围要大于西半球,因此东北航道比西北航道提前开通应用。而整个北极区域近几年春季融化速度变缓,则主要是西半球的作用;(4)从空间分布年代际变化来看,1989—1998年最接近气候态,1979—1988年密集度偏大区域主要在巴伦支海和东西伯利亚海,2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小,东半球密集度减小幅度比西半球更大,尤其是冬春季在巴伦支海,夏秋季在楚科奇海。春季时由于风的作用,白令海附近海冰密集度异常偏大;(5)北极区域海冰范围在冬春季比夏秋季突变明显,基本在2003年前后,海冰范围变化周期为6年。     

罗斯海和普里兹湾海域海冰范围变化对比分析

海冰范围的变化对气候变化、生态系统以及人类活动都会产生重大的影响,近年来极地海冰范围的变化受到广泛关注。对南极罗斯海与普里兹湾海域海冰范围进行时间序列分析,研究发现海冰范围季节性变化在罗斯海与普里兹湾海域差异较大,罗斯海地区表现出"快速缩小、迅速扩大"的特性,普里兹湾海域表现出"快速缩小、缓慢扩大"的特性。两地区的海冰范围在年际变化上都表现出扩大的趋势,2003—2014年罗斯海地区海冰变化趋势为(1.39±1.12)×104km2·a~(-1),普里兹湾海域海冰变化趋势为(0.61±0.26)×104km2·a~(-1)。罗斯海地区夏季的年际变化为减少趋势。     

基于海冰密集度遥感数据的波弗特海海冰时空变化研究

采用美国冰雪数据中心(NSIDC)的日尺度与月尺度海冰密集度数据,将海冰密集度为15%作为阈值确定海冰外缘线位置,提取波弗特海海域的海冰外缘线,计算波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积,然后通过海冰范围与海冰外缘线的年际变化与季节变化来分析波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征与趋势。实验结果表明,1978—2015年波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积整体变化趋势一致,减少趋势显著。37年来,海冰密集度平均每年减少约0.3%,海冰范围平均每年减少3 235 km2,海冰面积平均每年减少5 084 km2。海冰密集度在1979—1996年无明显减少趋势,1996—2015年减少趋势明显。波弗特海海冰范围一般在9月达到最小值,在11月至次年5月维持在最大值(全冰覆盖状态);海冰面积一般在9月达到最小值,在12月或者1月达到最大值。海冰范围最小值出现时间有延迟的趋势,全冰覆盖状态具有起始时间越来越晚、终止时间越来越早、持续时间越来越短的趋势,平均持续天数为212 d。     

白令海峡入流水影响下的楚科奇海海冰面积时空变化特征

利用美国国家冰雪中心的Bootstrap海冰密集度卫星遥感资料分析1991—2015年楚科奇海海冰覆盖面积的时空变化特征,并探讨白令海峡入流水对海冰面积变化的作用机制。楚科奇海海冰覆盖面积月距平以0.7%×a~(–1)的速度减小,从2002年开始维持负距平特征。白令海峡入流水的热通量及其在楚科奇海的环流路径显著影响楚科奇海海冰的时空变化。海冰面积变化与入流水热通量具有高相关性(R=–0.86),夏季(5—8月)两者的相关性更加显著,热通量增加对海冰面积显著减小起关键作用。楚科奇海海冰分布减小的区域与白令海峡入流水环流特征和分布关系密切, 5—7月海冰分布在入流水三条主要流动路径上(海渃德海谷、中央通道、巴罗海谷)的季节特征和年际变化最为显著。海冰面积及分布对入流水的响应均有1—2月的滞后。     

印太暖池区域海温异常与北极海冰变化的联系

采用统计方法,分析了全球海洋表层海温和印太暖池区域海表温度的长期变化特征,探讨了热带印度洋-西太平洋(印太暖池)海表温度异常(SSTA)与北极海冰快速消融之间的可能联系。结果表明,从整体来看,百年来全球SSTA呈现缓慢升高,但期间也存在年际变化的波动,近10年来全球SSTA升高有减缓的趋势,印太暖池区域的SSTA长期变化与全球基本一致。而北极海冰覆盖率自20世纪80年代初由正距平转换为负距平,且以-1.5%/10 a的速度快速减少,每年7—10月的海冰覆盖率减少速度最快,分别为-2.6%/10 a、-2.8%/10 a、-3.0%/10 a和-2.5%/10 a。由相关分析可知,北极海冰覆盖率的快速减少与印太暖池区域SSTA变化存在密切联系,它们之间存在准两年的显著相关。这种联系的重要途径是通过北极涛动(AO)作为桥梁来完成的。采用回归分析,首次建立了夏秋季北极海冰变化与印太暖池区域SSTA之间的预报方程,并对未来两年北极海冰的变化进行了预测试验,2015年和2016年6—10月北极海冰覆盖率异常变化均为-6.16%,仍为快速减少的两年。这一工作对北极海冰变化的深入研究和预测具有一定的推动作用,对全球气候变化的评估提供了理论依据。     

Trends and variability of sea ice in Baffin Bay and Davis Strait, 1953–2001

The extent and duration of sea ice in Baffin Bay and Davis Strait has a major impact on the timing and strength of the marine production along West Greenland. The advance and retreat of the sea ice follows a predictable pattern, with maximum extent typically in March. We examine the area of sea ice in March in three overlapping study regions centred on Disko Bay on the west coast of Greenland. Sea ice concentration estimates derived from satellite passive microwave data are available for the years 1979-2001. We extend the record back in time by digitizing ice charts from the Danish Meteorological Institute, 1953-1981. There is reasonable agreement between the chart data and the satellite data during the three years of overlap: 1979-1981. We find a significant increasing trend in sea ice for the 49-year period (1953-2001) for the study regions that extend into Davis Strait and Baffin Bay. The cyclical nature of the wintertime ice area is also evident, with a period of about 8 to 9 years. Correlation of the winter sea ice concentration with the winter North Atlantic Oscillation (NAO) index shows moderately high values in Baffin Bay. The correlation of ice concentration with the previous winter's NAO is high in Davis Strait and suggests that next winter's ice conditions can be predicted to some extent by this winter's NAO index.     

Effect of shipping activity on warming trends in the Canadian Arctic

This paper presents a detailed account of the effect of shipping activity on the increasing trends of air temperatures in the Canadian Arctic region for the period of 1980–2018. Increasing trend of temperature has gained significant attention with respect to shipping activities and sea ice area in the Canadian Arctic. Temperature, sea ice area and shipping traffic datasets were investigated, and simple linear regression analyses were conducted to predict the rate of change(per decade) of the average temperature, considering winter(January) and summer(July) seasons. The results indicate that temperature generally increased over the studied region. Significant warming trend was observed during July, with an increase of up to 1℃, for the Canadian Arctic region. Such increasing trend of temperature was observed during July from the lower to higher latitudes. The increase in temperature during July is speculated to increase the melting of ice. Results also show a decline in sea ice area has a significant positive effect on the shipping traffic, and the numbers of marine vessel continue to increase in the region. The increase in temperature causes the breaking of sea ice due to shipping activities over northern Arctic Canada.     

“北极航道”开通与中国及其受影响区域的贸易增长潜力分析

在考虑船舶等待时间和海冰因素的基础上,以航行时间替代航运距离,对传统的贸易引力模型进行修正,量化评估了"北极航道"开通对中国及其受影响区域的贸易增长潜力。结果表明:(1)航行时间与进出口总额之间呈负相关关系,航行时间每减少1%,将使中国的进出口贸易总额增加0.6590%;(2)海冰因素会对贸易潜力的提升产生较大影响。在存在海冰的情况下,由于"北极航道"在航运距离上的天然优势,将使中国的贸易潜力增长10.95%,使中国受影响的北部沿海地区和东部沿海地区的贸易潜力分别增长12.02%和11.22%;一旦海冰消融、"北极航道"全面通航,中国及其受影响的北部沿海地区和东部沿海地区的贸易潜力则会得到进一步提升,提升效应将达到20%以上。     

Cyclones over Fram Strait: impact on sea ice and variability

The relation between sea ice drift and cyclone activity in the Fram Strait region was studied by both in situ observations and long-term time series. In a 1999 field campaign, the atmospheric forcing and the ice drift were determined using a research aircraft and drifting ice buoys. One cyclone entered the experimental area and caused a temporal increase in ice drift speed. Long-term studies are based on 16 years of cyclone statistics and model, satellite and sonar ice drift estimates. The actual impact of a cyclone depends on its particular track through Fram Strait. On the average, cyclones increase the Arctic ice export through Fram Strait.     

Variability of the ice export through Fram Strait in 1993–98: the winter 1994/95 anomaly

The origin of the large positive anomaly of the Fram Strait sea ice export which occurred in winter 1994/95 is analysed on the basis of a model simulation of the Arctic sea ice cover over the period 1993-98. The overall intra-annual and interannual variability in the model is in good agreement with observational estimates and the 1994/95 anomaly is well reproduced with an amplitude amounting to half of the mean winter value. Model results suggest that, concomitant to anomalous export velocities, larger than usual ice thickness in the strait contributes to the outstanding amplitude of the anomaly. Analysis on the ice thickness evolution in the strait indicates that the thick ice advected in Fram Strait at the end of the fall of 1994 originates in the anomalous cyclonic wind stress which prevailed during the preceding summer. This anomalous wind stress resulted in persistent convergence of the ice flow against the northern coasts of Canada and Greenland and in the formation of a large thickness anomaly north of Greenland. The anomaly then feeds the Fram Strait ice flow during those following winter months when the local wind forcing in the strait favours ice drift from the north-west. Our results suggest that short-term wind stress variations resulting in local thickness changes to the north of Fram Strait can lead to substantial variability of the Fram Strait ice export.     

MODIS海冰数据监测中山站附近海冰的季节性变化

本文利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即MODIS)的海冰数据,监测中山站附近区域海冰的季节性(尤其是夏季)的消融与冻结情况及海冰表面温度的变化。文中先对MODIS的海冰数据进行影像分层、数据合成,分时间段计算海冰范围,然后提取海冰表面温度信息,最后对获取的数据进行分析。研究结果表明,中山站附近区域在每年10月至翌年2月中上旬为海冰消融期;2月中下旬至4月为海冰冻结非密封期;5月至9月为海冰冻结密封期。海冰范围2月份最小;海冰表面温度1月份最低,8月份最高。     

北极海冰消融情景下东北航道通航性能演变分析

全球气候增暖,导致北极海冰消融加速,冰上丝绸之路的开通逐渐提上日程.本文针对2030-2070年俄罗斯8个重要港口通过东北航道到达白令海峡的通航性能,采用6种CMIP5气候模式在2种排放情景下的海冰数据,以及PC6破冰船和普通商船2种船型,分别对最优航线、通航时长、可通航里程以及通航成本4项要素进行研究.主要结论为:①...     

The eastern extent of the Barents–Kara ice sheet during the Last Glacial Maximum based on seismic-reflection data from the eastern Kara Sea

We present sub-bottom profiling (sparker and Parasound) results from the eastern Kara Sea, on the Eurasian Arctic margin, which enable the identification of the Last Glacial Maximum (LGM) ice extent. The analysed profiles show that glacigenic diamicton is ubiquitous at the seafloor, east of about 95°E and 78°N. The eastern margin of this diamicton is expressed in a conspicuous morainic ridge at the entrance to the Vilkitsky Strait, and to the south the diamicton projection aligns with the LGM limit mapped at the north-western Taymyr. The bottom of the Voronin Trough further north is also covered with diamicton and has numerous erosional bedforms, indicating a streamlined flow of grounded ice along the trough. Accurate dating of the diamicton is not attainable, but the correlation of pre-diamict sediments to well-dated sections in the Laptev Sea, and available ¹⁴C ages from sediments on top of the diamicton, indicate its LGM age. These results support the palaeogeographic reconstruction that assumes the extension of the LGM Barents–Kara ice sheet as far east as Taymyr. This configuration implies that LGM ice blocked the drainage of the Ob and Yenisey rivers on the Kara shelf. This inference is consistent with the presence of large (>100 km wide) lenses of basin infill adjacent to the southern margin of the diamicton. However, the limited distribution of the eastern Kara ice lobe, not extending on Severnaya Zemlya, suggests that the ice was fairly thin and short-lived: insufficient for the accumulation of the gigantic proglacial lakes that occurred during earlier glaciations.     

2014年夏季北极东北航道冰情分析

使用2003—2014年6—9月份的AMSR-E和AMSR-2海冰密集度数据计算了北极海冰范围, 并获得海冰空间分布图。通过分析得出, 2014年北极夏季海冰范围在数值上与2003—2013年的多年平均值很接近, 在空间分布上与多年中值范围相比主要表现为两个方面的不同：(1)2014年夏季拉普捷夫海及其以北海域海冰明显少于多年中值范围, 9月份冰区最北边界超过了85°N;(2)巴伦支海北部斯瓦尔巴群岛至法兰士约瑟夫地群岛区域海冰范围明显多于多年中值范围, 而且海冰范围在8月份不减反增, 冰区边界较7月份往南扩张了约0.8个纬度。2014年夏季在拉普捷夫海以南风为主, 而在巴伦支海以北风为主。南风将俄罗斯大陆上温暖的空气吹向高纬地区, 造成高纬地区温度偏高, 促进拉普捷夫海海冰融化, 并使海冰往北退缩。北风将北冰洋上的冷空气吹向低纬地区, 造成巴伦支海的气温偏低, 不利于海冰的融化, 同时北风使海冰往南漂移扩散, 造成巴伦支海北部海冰范围在2014年偏多。2014年北地群岛航线开通时间范围大约在8月上旬到10月上旬, 时长约两个月。新西伯利亚群岛及附近海域的开通时间稍早于北地群岛, 但关闭时间比北地群岛晚, 所以 2014年东北航道全线开通的时间主要受制于北地群岛附近海冰变化。     

北半球夏季中高纬度大气阻塞对北极海冰变化的影响

利用NCEP/NCAR再分析逐日500 h Pa高度场资料,对北半球夏季中高纬度大气阻塞特征进行统计分析,发现大气阻塞活动频率高的地区主要集中在白令海峡区域、鄂霍次克海区域、欧亚大陆区域及格陵兰区域。而通过NSIDC提供的卫星观测资料发现近30年夏季海冰容易减少的区域正好对应阻塞活动北部的高纬度地区。分别通过对以上4个区域有阻塞发生相对没有阻塞发生时的500 h Pa位势高度场、地面温度场、850 h Pa经向瞬变热通量输送和平流输送等异常变化场进行对比分析,结果发现夏季中高纬度阻塞频率的增加对海冰的减少有显著影响,主要体现在阻塞的发生发展可通过增加高纬度地面温度、对极地的热量输送和暖平流输送来加快海冰的融化。这种阻塞引起的热力作用在鄂霍次克海和欧亚大陆区域效果更为显著。