基于卫星高度计的北极海冰厚度变化研究

A modified algorithm taking into account the first year(FY) and multiyear(MY) ice densities is used to derive a sea ice thickness from freeboard measurements acquired by satellite altimetry ICESat(2003–2008). Estimates agree with various independent in situ measurements within 0.21 m. Both the fall and winter campaigns see a dramatic extent retreat of thicker MY ice that survives at least one summer melting season. There were strong seasonal and interannual variabilities with regard to the mean thickness. Seasonal increases of 0.53 m for FY the ice and 0.29 m for the MY ice between the autumn and the winter ICESat campaigns, roughly 4–5 month separation, were found. Interannually, the significant MY ice thickness declines over the consecutive four ICESat winter campaigns(2005–2008) leads to a pronounced thickness drop of 0.8 m in MY sea ice zones. No clear trend was identified from the averaged thickness of thinner, FY ice that emerges in autumn and winter and melts in summer. Uncertainty estimates for our calculated thickness, caused by the standard deviations of multiple input parameters including freeboard, ice density, snow density, snow depth, show large errors more than 0.5 m in thicker MY ice zones and relatively small standard deviations under 0.5 m elsewhere. Moreover, a sensitivity analysis is implemented to determine the separate impact on the thickness estimate in the dependence of an individual input variable as mentioned above. The results show systematic bias of the estimated ice thickness appears to be mainly caused by the variations of freeboard as well as the ice density whereas the snow density and depth brings about relatively insignificant errors.     

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。     

北极海冰变化特征分析

本文利用NASA的海冰密集度资料(时间为1978年10月～2002年9月,分辨率为1.0×0.25),计算并分析了1978～2002年的北极海冰面积、范围的时间变化趋势以及变化的空间分布。     

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。     

北极海冰的变化特征

本文使用了北极海冰１９７２～１９８９年的资料，分析了北极海冰的区域特征、季节变化和长期变化的特征。发现由于北极海冰南侧被殴亚和北美大陆所包围，处于基本封闭状态，只有通过白令海峡与太平洋相连和格陵兰海和娜威海与大西洋相连的两个通道，其环境条件与南极海冰绝然不同，因此其特征也明显不同。１、季节变化小。净冰面积冬季是夏季的２倍左右，而南极海有６倍之差。２、海冰寿命较长。以多年冰为主，平均寿命为１．３年。     

基于卫星观测的2003-2013年北极海冰体积变化估算

北极海冰正处于快速减退时期,北极海冰体积变化是全球气候变化的重要指示因子。本文利用两种卫星高度计数据（ICESat和CryoSat-2）反演得到的海冰厚度数据,结合星载辐射计提取的海冰密集度数据以及海冰年龄数据,估算了近期的北极海冰体积以及一年冰和多年冰体积变化。CryoSat-2观测时段（2011-2013年）与ICESat观测时段（2003-2008年）相比,北极海冰体积在秋季（10-11月）和冬季（2-3月）分别减少了1 426 km3和412 km3。其中,秋季和冬季的一年冰的体积增加了702 km3和2 975 km3。相反,多年冰分别减少了2 108 km3和3 206 km3。多年冰的大量流失是造成北极海冰净储量下降的主要原因。     

HY-2卫星扫描微波辐射计数据反演北极海冰漂移速度

本文基于最大互相关法,利用海洋二号（HY-2）卫星扫描微波辐射计37 GHz通道多时相垂直极化亮温数据,获取了北极海冰漂移速度。采用2012年和2013年国际北极浮标计划海冰现场观测数据,对利用微波辐射计亮温资料反演的冬季北极海冰漂移速度进行了定量验证,结果表明:流速和流向均方根误差分别为1.12 cm/s和16.37°,从一定程度上说明了HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演海冰漂移速度的可行性。此外,使用美国国防气象卫星F-17搭载的专用微波成像仪91 GHz通道垂直极化亮温,采用高斯拉普拉斯滤波方法进行处理,结合最大互相关法反演的海冰漂移速度,优于法国海洋开发研究院海冰漂移速度产品。     

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...     

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。     

北极东北航道海冰变化特征分析研究

21世纪以来,北极海冰正在发生快速变化,海冰覆盖范围明显减小,厚度显著变薄,在此背景下,东北航道的提前开通成为可能.本文对多年来北极东北航道内的海冰变化特征和近几年东北航道的开通情况进行了分析研究,认为东北航道在9月份开通的可能性最大,8月份次之,10月份通航的困难较大;历年的航道开通起始时间变化较大,俄罗斯新西伯利亚群岛和北地群岛,与大陆之间的海冰对东北航道的开通起着关键作用.东北航道的海冰年际变化较大,这给未来东北航道使用带来了较大挑战.     

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。     

北极海冰输出区域海冰运动变化特征及其与北极航道适航性的关系

随着北极地区气候变暖的加剧,北极海冰正在急剧消融,海冰的减少增加了北极地区航道的适航性。本文利用遥感数据反演得到的海冰运动产品对北极海冰输出区域以及东北航道以北区域的海冰运动特征进行了量化。结果显示,从北极中央海域向弗拉姆海峡以及格陵兰海流出海冰的南向位移量呈现出显著增长趋势,海冰的平均南向位移量在2007-2014年间达到1511 km,是2007年之前（617 km）的两倍以上,反映了北极穿极流（TDS）强度在不断增强。通过长时间序列分析发现,春季东北航道以北区域的海冰北向漂移速度在喀拉海呈现+0.04 厘米/秒/年的显著增长趋势（P<0.05）。海冰北向漂移对于东北航道的开通具有显著的影响,在拉普捷夫海与喀拉海,海冰北向运动速度与航道适航期的决定系数分别达到0.33（P<0.001）和0.15（P<0.05）。东西伯利亚海、拉普捷夫海以及喀拉海存在冰间湖区域的春季海冰面积变化与航道的适航期密切相关,海冰的北向漂移对拉普捷夫海和喀拉海的海冰面积减少也有显著影响,这说明北向漂移促进了海冰的离岸输送,造成海冰面积减少的同时形成冰间水道或冰间湖促使航道开通。为探究大气环流指数对海冰运动以及东北航道适航期的影响,本文利用大气再分析数据计算了中央北极指数（CAI）和北极大气偶极子异常（DA）指数。相关性分析表明,CAI比DA更能解释东北航道的适航期,而且CAI能够解释北极海冰输出区域海冰南向位移量变化的45%。最近10年,夏季正相位的CAI进一步加强,通过加强海冰离岸输运和冰间湖活动加剧了东北航道区域海冰变薄及其强度变弱,从而促进了东北航道的开通。     

海冰热力模式及北极海冰季节变化的数值模拟

本文给出了一个改进的海冰热力模式,主要通过海面和冰面的温度变化及热量收支,用来计算海冰面积和厚度的时空分布。     

北极各海域海冰覆盖范围的变化特征

Sea ice in the Arctic has been reducing rapidly in the past half century due to global warming.This study analyzes the variations of sea ice extent in the entire Arctic Ocean and its sub regions.The results indicate that sea ice extent reduction during 1979–2013 is most significant in summer,following by that in autumn,winter and spring.In years with rich sea ice,sea ice extent anomaly with seasonal cycle removed changes with a period of 4–6 years.The year of 2003–2006 is the ice-rich period with diverse regional difference in this century.In years with poor sea ice,sea ice margin retreats further north in the Arctic.Sea ice in the Fram Strait changes in an opposite way to that in the entire Arctic.Sea ice coverage index in melting-freezing period is an critical indicator for sea ice changes,which shows an coincident change in the Arctic and sub regions.Since 2002,Region C2 in north of the Pacific sector contributes most to sea ice changes in the central Aarctic,followed by C1 and C3.Sea ice changes in different regions show three relationships.The correlation coefficient between sea ice coverage index of the Chukchi Sea and that of the East Siberian Sea is high,suggesting good consistency of ice variation.In the Atlantic sector,sea ice changes are coincided with each other between the Kara Sea and the Barents Sea as a result of warm inflow into the Kara Sea from the Barents Sea.Sea ice changes in the central Arctic are affected by surrounding seas.     

北极海冰研究计划

北冰洋最大的特点是它的永久海冰盖。这一薄层冰改变了大洋的表面性质,如反射或吸收太阳光的能力,与大气的相互作用,以及支持多种形态的生命能力。由于这些以及其他一些原因,海冰的性质是全球热量平衡以及大洋温盐环流的一个重要因子,所以很有必要了解维持浮冰的过程。我们已经多次论证过,冰盖反映了多种能量通量间脆弱的平衡,气候系统其他部分的变     

近40年北极海冰范围变化特征分析

随着全球变暖,北极海冰正在发生快速变化。文中使用北极地区1972年1月—2012年12月海冰密集度卫星遥感资料,计算了北极海冰范围,讨论了北极海冰范围的各月年变化趋势,并分析了北极海冰范围与北半球温度异常、大气中CO2浓度的关系。分析结果表明:近40年北极海冰呈显著减少趋势,9月份减少最快;北极海冰的减少滞后于北半球2—4月的异常高温;北极年海冰范围与大气中CO2浓度为负相关,相关系数r为-0.94,说明大气中CO2浓度的增长影响了包括气温在内的气候变化要素,而导致北极海冰消退。     

北极地区不同冰龄的海冰厚度变化研究

In this study, changes in Arctic sea ice thickness for each ice age category were examined based on satellite observations and modelled results. Interannual changes obtained from Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite(ICESat)-based results show a thickness reduction over perennial sea ice(ice that survives at least one melt season with an age of no less than 2 year) up to approximately 0.5–1.0 m and 0.6–0.8 m(depending on ice age) during the investigated winter and autumn ICESat periods, respectively. Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System(PIOMAS)-based results provide a view of a continued thickness reduction over the past four decades. Compared to 1980 s, there is a clear thickness drop of roughly 0.50 m in 2010 s for perennial ice. This overall decrease in sea ice thickness can be in part attributed to the amplified warming climate in north latitudes. Besides, we figure out that strongly anomalous southerly summer surface winds may play an important role in prompting the thickness decline in perennial ice zone through transporting heat deposited in open water(primarily via albedo feedback) in Eurasian sector deep into a broader sea ice regime in central Arctic Ocean. This heat source is responsible for enhanced ice bottom melting, leading to further reduction in ice thickness.     

利用2012年中国北极考察现场观测数据和卫星遥感资料评估海洋2号卫星扫描辐射计数据反演北极海冰密集度的研究

A retrieval algorithm of arctic sea ice concentration(SIC) based on the brightness temperature data of "HY-2" scanning microwave radiometer has been constructed. The tie points of the brightness temperature were selected based on the statistical analysis of a polarization gradient ratio and a spectral gradient ratio over open water(OW), first-year ice(FYI), and multiyear ice(MYI) in arctic. The thresholds from two weather filters were used to reduce atmospheric effects over the open ocean. SIC retrievals from the "HY-2" radiometer data for idealized OW, FYI, and MYI agreed well with theoretical values. The 2012 annual SIC was calculated and compared with two reference operational products from the National Snow and Ice Data Center(NSIDC) and the University of Bremen. The total ice-covered area yielded by the "HY-2" SIC was consistent with the results from the reference products. The assessment of SIC with the aerial photography from the fifth Chinese national arctic research expedition(CHINARE) and six synthetic aperture radar(SAR) images from the National Ice Service was carried out. The "HY-2" SIC product was 16% higher than the values derived from the aerial photography in the central arctic. The root-mean-square(RMS) values of SIC between "HY-2" and SAR were comparable with those between the reference products and SAR, varying from 8.57% to 12.34%. The "HY-2" SIC is a promising product that can be used for operational services.     

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.