Nudging资料同化对北极海冰密集度预报的改进

北极夏季海冰的快速减少使得北极航道提前开通成为可能。为了给北极冰区船运活动提供及时可靠有效的海冰预报保障,急需提高海冰预报水平。本文基于麻省理工大学通用环流模式(MITgcm),使用牛顿松弛逼近(Nudging)资料同化方法将德国不莱梅大学的第二代先进微波辐射成像仪(AMSR2)海冰密集度资料同化到模式中,建立了北极海冰数值预报系统。设计试验对比3种不同Nudging系数计算方案的改进效果,结果表明选择合适参数后,不同方案均能显著改进海冰密集度初始场。通过设计有无Nudging同化的两组预报试验,结合卫星遥感海冰密集度及中国第五次北极科学考察期间"雪龙"船的走航海冰密集度观测数据,定量分析了Nudging同化方案对北极海冰密集度的24~120 h预报结果的改进效果。结果表明,Nudging同化对120 h内全北极海冰密集度的空间分布和移动单点目标的海冰密集度预报结果均有显著改善;但在海冰变化很小的情况下,Nudging同化试验的24~120 h预报结果均劣于惯性预报结果,说明基于Nudging同化的数值预报系统还需进一步提高预报技巧。     

基于19GHz修正91GHz频段改进的ASI海冰密集度算法

基于数据融合算法思想,利用低频修正高频微波数据提出改进的ASI海冰密集度反演算法,对北极海冰进行反演研究。目前用于整体海冰密集度反演的算法中,使用低频数据的算法受天气影响较弱,但空间分辨率相对较低;而使用高频数据的算法,空间分辨率相对较高,但受天气影响较大,虽然使用天气滤波器处理,能消除那些被误判成海冰的水点,但并没有改变冰点的密集度。改进的ASI算法,利用低频数据（19GHz）修正高频数据（85.5GHz）,进而得到修正后的85.5GHz的极化差P'',将P带入ASI算法,最终得到以2008-2016年每年的1月3日SSMIS数据为例的北冰洋整体海冰密集度反演结果。结果表明,改进后的ASI算法得到的总体海冰面积介于ASI与NASA Team两个结果之间;在边缘海冰区,改进后的ASI算法结果与传统的ASI算法结果在海冰面积与平均海冰密集度上都有较大差异,且前者更接近NASA Team算法。因此改进后的ASI算法,在空间分辨率上优于NASA Team算法,在受天气影响程度上更弱于ASI算法,并且有效变了边缘海冰区像元的海冰密集度。     

基于SMAP卫星雷达资料的海冰密集度反演技术研究

SMAP是美国于2015年初发射的一颗卫星,搭载了L波段的雷达。它采用圆锥扫描方式,具有固定的入射角、较大的幅宽和千米级的分辨率,在海冰监测方面具有独特的优势。本文利用SMAP卫星雷达资料分别与德国Bremen大学海冰密集度产品和美国国家冰雪数据中心（NSIDC）海冰密集度产品建立3.125 km和25 km匹配数据集,分析了L波段雷达后向散射系数、极化比和归一化极化差与海冰密集度之间相关性,建立基于人工神经网络的海冰密集度反演算法。为了验证SMAP卫星雷达资料反演海冰密集度的精度,本文选择德国Bremen大学和美国冰雪数据中心发布的海冰密集度产品分别与SMAP海冰密集度产品进行对比分析,SMAP海冰密集度与Bremen海冰密集度的偏差为0.07、均方根误差为0.14;与NSIDC海冰密集度的偏差为0.04、均方根误差为0.18,这表明SMAP海冰密集度产品与现有业务化海冰密集度产品具有很好的一致性。     

渤海海冰的年际和年代际变化特征与机理

根据1951-2013年间的渤海冰情等级资料,利用最大熵谱分析、相关分析和合成分析等方法,研究了渤海冰情等级的年际和年代际变化特征,探讨了局地气候、大气环流、ENSO(El Nio-Southern Oscillation)和太平洋年代际振荡(PDO)对海冰的影响。结果表明,渤海海冰具有明显的年际和年代际变化特征,并在1972年前后发生了一次由重到轻的气候跃变,在跃变后冰情较跃变前平均降低了0.7级。相关分析与合成分析结果显示,渤海冰情的年际变化除受局地气候的影响外,还受西太平洋副热带高压(副高)、极涡和欧亚环流的共同调控,特别在1972年以后,秋季副高、冬季欧亚和亚洲纬向环流对渤海冰情的年际变化均有重要影响,可作为渤海海冰预报的重要因子,而春季PDO、ENSO、冬季副高及欧亚和亚洲经向环流则是渤海冰情年代际变化的影响因素。     

基于FY-3C微波辐射计数据的极区海冰密集度反演方法研究

极区海冰影响大气和海洋环流,对全球气候变化起着重要的作用。海冰密集度是表征海冰时空变化特征的重要参数之一。本文研究了利用FY-3C微波扫描辐射计亮温数据反演极区海冰密集度的方法。经过时空匹配、线性回归,修正了FY-3C微波辐射计亮温数据。使用两种天气滤波器和海冰掩模滤除了大气影响所造成的开阔海域虚假海冰;使用最小密集度模板去除陆地污染效应。通过计算2016年、2017年极区海冰面积及范围两个参数,对得到的海冰密集度产品进行了验证,两年的海冰范围和面积趋势基本与NSIDC产品一致,平均差异小于3%。本研究结果为发布我国自主卫星的极区海冰密集度业务化产品奠定了基础,制作的产品可保障面临中断的40多年极区海冰记录的连续性。     

东亚冬季气温的年际变化特征及其与海温和海冰异常的关系

通过谐波分析的方法,对东亚31个冬季(1980—2010年)的气温提取年际变化分量(周期小于8a部分)进行EOF分析。结果发现:在年际变化的时间尺度上,东亚冬季气温表现为高纬模态和低纬模态2个主要模态,它们一起可以解释总方差73%的变化。进一步分析表明,在年际变化尺度上,与气温变化的高纬模态相联系的大气环流表现为显著的北极涛动(AO)负位相分布,海平面气压场上西伯利亚高压和阿留申低压北移,对流层中层东亚大槽西移,高层西风急流向西北方向移动;副热带北太平洋和阿拉斯加湾的海表面温度(SST)变化呈偶极子振荡分布,这种准两年的周期振荡对这一模态的出现有一定的预示意义。而与气温变化的低纬模态相联系的大气环流表现为类AO正位相分布,与之相关的西伯利亚高压和阿留申低压南移,对流层中层东亚大槽东移,高层的西风急流则是向东南方向移动;赤道东太平洋的SST异常可能对这一模态的形成有一定的作用,而东亚近海的SST则更多是被动地改变。此外,海冰异常变化与东亚冬季气温变化的联系主要体现在:在前夏和前秋,东西伯利亚海-波弗特海海冰异常减少(增加)对应着随后东亚冬季气温变化的高纬模态(低纬模态),而冬季东亚气温变化的高纬模态(低纬模态)又与后期春季北极东半球的海冰异常增加(减少)具有较好的相关性,此外白令海和鄂霍次克海的海冰异常变化是伴随东亚冬季气温变化产生的。     

基于Argo浮标的南极海冰范围变化分析

南极海冰的生消冻融与全球气候变化息息相关,多年以来受到国际社会的高度关注。目前已有诸多关于南极海冰范围变化的研究,但大部分是基于卫星遥感影像来展开分析。Argo观测网遍布全球各大洋,为海冰范围研究提供了一种新的思路,即根据浮标GPS点的南部边界推算南极海冰边界,由浮标的年、月累积数据得到南极海冰范围的年际、月际变化规律。对于这种研究思路提出了三种实现方法:(1)绘制专题图,可以清晰直观地看到南极海冰在2—9月间的生消变化情况;(2)利用南极附近浮标GPS点数量占全球比例的变化情况来分析海冰变化规律,在月际变化趋势上与影像数据一致,在年际变化上稍显不足;(3)使用点密度分析方法估计海冰边界,建立基于浮标GPS点密度的海冰-海水分界模型,可得到南极海冰范围变化规律的定量分析结果。浮标数据与影像数据互为补充,可为全球气候变化研究提供更多参考。     

南极海冰边缘区密集度的年际变化与西风的Ekman输运

为了揭示南极海冰年际变化的机制,利用南极海冰边缘区密集度和海面风资料,选择南极海冰边缘区海冰密集度年际变化较大的5个海区进行统计分析.研究表明：南半球冬季在这5个海区海冰密集度年际变化与南侧西风的年际变化有较密切的关系,南半球冬季南极海冰边缘区南侧西风形成向北的Ekman输运对海冰边缘区的海冰密集度有重要的影响,这种影响在南太平洋和南大西洋比在南印度洋东部更明显.     

一种基于变分优化的逐步订正法在海冰密集度分析中的应用

卫星遥感获取的海冰密集度观测资料中包含着空间多尺度信息。然而,多数传统的数据同化方法难以在海冰密集度变化较为复杂的海冰边缘区有效提取这些多尺度信息。为解决上述问题,本文设计了一种基于变分优化的逐步订正分析方法—空间多尺度递归滤波,该方法是逐步订正分析与最小化算法的结合,它能够从长波到短波依次提取观测中的各种空间尺度信息。与传统的客观分析相比,这种基于变分的多尺度分析方法不仅能够在最小化过程中一次性的提取出观测中的多尺度信息,而且能够方便合理的进行参数配置。单观测点同化试验的分析结果表明,空间多尺度递归滤波方法具有良好的观测信息空间传播能力。随后在二维海冰密集度的分析试验中,该方法能够较好的提取SSMI海冰密集度观测资料中的空间多尺度信息,进而获得高精度的海冰密集度分析结果。     

基于冰基浮标数据的2018-2019年北极海冰运动特性时空变化分析

海冰运动是影响北极海冰平流输运和物质平衡空间重新分布的重要因素。本研究基于2018年9月至2019年8月期间北冰洋66个冰基浮标位置记录数据,结合大气再分析数据,计算得到了海冰运动速度、冰速与风速的比值和海冰运动惯性强度,以刻画北极海冰运动学特征参数在一个冰季的时空变化,并讨论了不同区域冰速与风速比与海冰密集度的关联性。海冰漂移速度在波弗特–楚科奇海、东北极中央区和西北极中央区呈秋冬降低春夏升高的季节变化特征。格陵兰海月均海冰漂移速度（（0.32±0.06）m/s）最大,其次是弗拉姆海峡（（0.17±0.07）m/s）和波弗特–楚科奇海（（0.14±0.05）m/s）,而东北极中央区（（0.09±0.02）m/s）和西北极中央区（（0.07±0.03）m/s）较低。在月尺度上,冰漂移速度与风速的比值主要受海冰漂移速度支配。弗拉姆海峡和格陵兰海受较强的表层海流影响,冰速与风速比值较大,西北极中央区、东北极中央区和波弗特–楚科奇海的冰速与风速比值随着海冰密集度的增加趋近,并分布在0～0.02之间。所有浮标的月平均惯性运动指数为0.158±0.144,秋冬季过渡期间,海冰对风的响应以及海冰运...     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰体积估算方法

近30年来,北极海冰正发生着剧烈的变化。海冰体积是量化海冰变化的重要指标之一。本文以2015年CryoSat-2卫星测高数据和OSI SAF海冰类型产品为基础。提取了浮冰出水高度、积雪深度、海冰密集度、海冰类型等属性信息,通过数据内插、投影变换、栅格转换、空间重采样等工作将海冰属性信息统一为25 km×25 km分辨率的栅格数据集。根据流体静力学平衡原理,逐个估算栅格像元对应的海冰厚度值,将其与对应的海冰面积相乘,估算了北极海冰密集度大于75%海域的海冰体积,并分析了海冰厚度和体积的月变化和季节变化特征。用NASA IceBridge海冰厚度产品对反演的海冰厚度进行验证。结果表明二者相关系数为0.72,有较高的一致性。北极海冰平均厚度春季最大,夏季最小,分别约为2.99 m和1.77 m,最厚的海冰集中在格陵兰沿岸北部和埃尔斯米尔半岛以北海域。多年冰平均厚度大于一年冰。冬季海冰体积最大,约为23.30×103 km3,经过夏季的融化,减少了近70%。一年冰体积季节波动较大,而多年冰体积相对稳定,季节变化不明显。     

Spatio-temporal analysis of the melt onset dates over Arctic sea ice from 1979 to 2017

The melt onset dates(MOD) over Arctic sea ice plays an important role in the seasonal cycle of sea ice surface properties, which impacts Arctic surface solar radiation absorbed by the ice-ocean system. Monitoring interannual variations in MOD is valuable for understanding climate change. In this study, we investigated the spatio-temporal variability of MOD over Arctic sea ice and 14 Arctic sub-regions in the period of 1979 to 2017 from passive microwave satellite data. A set of mathematical and ...     

Historical whaling records reveal major regional retreat of Antarctic sea ice

Several studies have provided evidence of a reduction of the Antarctic sea ice extent. However, these studies were conducted either at a global scale or at a regional scale, and possible inter-regional differences were not analysed. Using the long-term whaling database we investigated circum-Antarctic changes in summer sea ice extent from 1931 to 1987. Accounting for bias inherent in the whaling method, this analysis provides new insight into the historical ice edge reconstruction and inter-regional differences. We highlight a reduction of the sea ice extent occurring in the 1960s, mainly in the Weddell sector where the change ranged from 3° to 7.9° latitude through summer. Although the whaling method may not be appropriate for detecting fine-scale change, these results provide evidence for a heterogeneous circumpolar change of the sea ice extent. The shift is temporally and spatially consistent with other environmental changes detected in the Weddell sector and also with a shift in the Southern Hemisphere annular mode. The large reduction of the sea ice extent has probably influenced the ecosystem of the Weddell Sea, particularly the krill biomass.     

Impact of Arctic Oscillation on cloud radiative forcing and September sea ice retreat

The Arctic Oscillation (AO) has important effects on the sea ice change in terms of the dynamic and thermodynamic processes. However, while the dynamic processes of AO have been widely explored, the thermodynamic processes of AO need to be further discussed. In this paper, we use the fifth state-of-the-art reanalysis at European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ERA5) from 1979 to 2020 to investigate the relationship between AO and the surface springtime longwave (LW) cloud radiative forcing (CRF), summertime shortwave (SW) CRF in the Arctic region (65°?90°N). In addition, the contribution of CRF induced by AO to the sea ice change is also discussed. Results indicate that the positive (negative) anomalies of springtime LW CRF and summertime SW CRF are generally detected over the Arctic Ocean during the enhanced positive (negative) AO phase in spring and summer, respectively. Meanwhile, while the LW (SW) CRF generally has a positive correlation with AO index (AOI) in spring (summer) over the entire Arctic Ocean, this correlation is statistically significant over 70°?85°N and 120°W?90°E (i.e., region of interest (ROI)) in both seasons. Moreover, the response of CRF to the atmospheric conditions varies in spring and summer. We also find that the positive springtime (summertime) AOI tends to decrease (increase) the sea ice in September, and this phenomenon is especially prominent over the ROI. The sensitivity study among sea ice extent, CRF and AOI further reveals that decreases (increases) in September sea ice over the ROI are partly attributed to the springtime LW (summertime SW) CRF during the positive AOI. The present study provides a new pattern of AO affecting sea ice change via cloud radiative effects, which might benefit the sea ice forecast improvement.     

长序列北极海冰覆盖数据集对比分析

国家卫星气象中心使用2011年至今的风云三号卫星数据开发了一套基于Nasa Team2（NT2）算法的北极海冰密集度数据集,并可实时业务更新。将该数据集与其他国家不同机构业务运行并实时更新多种同类型数据集进行横向对比分析,其中包括:（1）美国冰雪中心基于Nasa Team（NT）算法以及SSM/I、SSMIS数据制作的1978年至今25 km分辨率全球极区海冰覆盖数据集;（2）美国冰雪中心基于Boot Strap（BS）算法以及SSM/I、SSMIS数据制作的1978年至今25 km分辨率全球极区海冰覆盖数据集;（3）美国NOAA基于多种卫星资料、地面观测数据以及海冰模型制作的2004年至今4 km分辨率北半球海冰覆盖数据集（IMS）。对比表明,上述数据集在北极地区不同的时空范围内存在一定的偏差。以分辨率较高的IMS数据集为基准,对其他3种长序列数据集进行初步评价,总体最大偏差超过100×104 km2,其中,NT2数据集过估较明显。经过与IMS数据集多年各月监测最大值的对比订正,NT2数据集过估情况得到改善。在此基础上的分析结果表明,NT、BS、NT2等3种数据集与IMS数据集相比,过估区域主要分布在海岸线附近,夏季过估比冬季更加明显,少估区域与算法、月份相关性明显,夏季少估面积也较冬季更大。NT、BS、NT2等3种数据集之中,NT2数据集与IMS数据集偏差最小,NT数据集次之,BS数据集与IMS数据集偏差最大。结果表明使用风云三号卫星数据的北极海冰覆盖数据集精度与国外3种同类型数据集相当。     

基于Hough变换原理的海冰厚度识别方法

作为主要海冰参数之一的海冰厚度对海冰灾害评估和极地船舶与冰区海洋工程结构设计具有重要意义。采用船侧视频图像对海冰厚度进行自动识别是提取海冰参数的重要方式。本文采用基于Hough变换的机器视觉方法对海冰翻转过程中的表面轮廓线进行识别,从而自动获取海冰厚度参数。根据海冰图像特征制定了图像边缘识别−近似线段识别−海冰轮廓线段组识别的计算流程。在线段组识别过程中,根据海冰的几何特征建立了由夹角、长度及间距参数相关联的3个识别参数所组成的判断条件。为验证方法的可靠性,将该方法用于“雪龙”号第八次北极科考的走航实测数据中,结果表明,3个识别参数均具有最优阈值。当低于最优值时提高阈值可增加有效识别率;而高于最优值时提高阈值则会导致误判率增大,采用最优阈值可使冰厚识别率达到90%以上。因此,采用基于Hough变换的冰厚识别方法可实现对海冰厚度的实时监测。     

基于变分水平集方法的海冰信息自动提取

针对目前海冰信息解译时对海冰外缘线及面积信息提取不精确、业务化应用不强问题,提出一种基于分裂Bregman算法的海冰外缘线自动提取方法,并通过遥感影像预处理、算法程序化等工作步骤,将该算法应用到业务化海冰信息解译工作中。方法:分别选取五景中、高空间分辨率的可见光卫星遥感影像,将影像上待提取海冰区域首先进行不规则图像裁剪、图像增强等预处理工作,然后基于变分水平集及快速分裂Bregman投影方法进行了海冰外缘线信息的提取,并对提取出的海冰面积进行量化,最后与传统人工提取海冰信息进行了比较。实验结果表明,基于变分水平集及其快速分裂Bregman算法提取的海冰信息,具有提取的海冰边缘精确、自动化程度高、提取结果稳定可靠等优点。     

海冰快速减退背景下大气动量输入对波弗特流涡长期变化的影响

随着北冰洋海冰快速减退,气–冰–海系统发生显著变化,波弗特流涡也发生显著变化。本文使用实测资料和海洋大气再分析数据,探讨北冰洋波弗特流涡的长期变化和大气动量输入对波弗特流涡变化的影响。波弗特流涡的长期变化可以分为3个典型时期(1980–1995年,1996–2007年,2008–2018年)。最近时期(2008–2018年),波弗特流涡平均流涡强度达到4.39×10–7,相较于第1个时期(1980–1995年),流涡强度增加近2倍,达到稳定的状态。波弗特流涡范围扩大,主体向西北移动;上层海洋斜压性增强。与此同时,上层海洋环流主模态已发生显著转变:1980–1995年,环流主模态为影响整个加拿大海盆的加拿大海盆模态;2008–2018年的主模态则转变为影响整个研究海域的太平洋扇区模态。最近时期,表征气–海之间动量输入的气–海应力显著增加,尤其是夏末秋初的8–10月,与冰–海应力几乎相当。增加的大气动量输入带来平均动能增加,埃克曼泵压效应增强,下盐跃层深度加深,增加的大气动量输入进而导致近年来波弗特流涡的显著增强。加拿大海盆南部是大气动量输入的关键区。