北极海冰与全球气候变化

最近有关北极海冰在全球气候系统中作用的研究发现，北冰洋边缘海域大洋深水的形成与海冰发育有关，海冰冻融过程对盐度层结具有重要影响，海冰变化可引起盐度突变层的灾变和热盐环流的突然停止，热盐环流的变化与北大西洋海冰１０年际变化相联系，北大西洋气候的不稳定性与热盐环流变化密切相关。北极海冰－海洋－大气间耦合作用，使北极海冰构成了北大西洋和全球气候反馈循环中的重要环节。     

累积海冰密集度及其在认识北极海冰快速变化的作用

为定量分析北冰洋海冰密集度年际差异,提出并采用累积海冰密集度(ASIC)概念。利用SSMR/SSMI的分辨率为25 km的海冰密集度数据,分别研究了1979—2011年北极海冰在融冰期(4~9月)和结冰期(10月至翌年3月)的变化过程以及2个冰期内ASIC的区域差异。研究发现,在1979—1989年、1989—1999年和1999—2009年期间,融冰期海冰发生明显变化的范围都远远大于结冰期海冰发生明显变化的范围。1998—2010年,融冰期内发生加速融化的海区并没有都出现结冰期冰量减小的现象。在此期间融冰期ASIC减小,结冰期ASIC也减小的海域仅集中在楚克奇海、新地岛北部海域以及格陵兰岛东西海岸。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC无明显变化的海域包括波弗特海、东西伯利亚海、拉普捷夫海和喀拉海。这些区域与局地陆地径流侵入的海域重合。研究发现,在这些区域,融冰期ASIC减少是陆地径流增大加速海冰融化引起的。在结冰期,陆地径流加速海水结冰的作用消除融冰期海水吸收大量太阳辐射能后发生推迟结冰的现象,使得ASIC无明显变化。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC增大的区域只有白令海。研究结果证明累积海冰密集度能够去除海冰高频变化而只表现低频变化,能够描述海冰的年际变化特征。同时由于海冰变化与海洋中其他物理参数存在显著关系,变T的ASIC可以更加方便地描述次表层叶绿素最大值层深度的变化。     

基于GPS的海冰实时监测系统及其应用研究

海冰是高纬度海区特有的海洋现象。运动的海冰具有巨大的能量,对冰区的石油平台、港口堤坝、船只等构成了巨大的威胁,因此实时获取准确的海冰运动信息对于海冰灾害的防治有重要的现实意义。我国海冰为一年海冰,冰体较薄,用于极地的海冰跟踪设备并不适用于我国北方海域。设计并提出了一种基于GPS的海冰定位跟踪系统,系统包含冰上定位发射和接收两个部分。冰上部分质量较轻且外形增加了防滑设计,接收端接收到数据后自动入库,并与地图匹配显示。监测系统于2015-2016年冬季在辽东湾海域进行了应用测试,应用试验表明,该方法能够较好地进行海冰定位与跟踪,定位误差在5 m以内,运行时间较久,较适用于我国薄冰海域。     

白垩纪快速气候变化研究新进展——温室世界中的冰川证据

白垩纪被认为是两极无冰的典型温室气候时期,但近年来对于白垩纪存在短暂冰川甚至是极地冰盖的猜想引起了越来越多的关注。根据前人提出的冰川或气候变冷证据,如冰川遗迹、全球海平面快速下降事件以及δ18O正偏事件等,总结了白垩纪可能存在冰川的时期,包括Berriasian Valanginian之间、Valanginian晚期、Barremiana期、Aptian Albian之交、Albian Cenomanian之交、Cenomanian中期和末期、Turonian中期、Coniacian中期、Santonian早期、Campanian晚期、Campanian Maastrichtian之交和Maastrichtian末期等。对这些证据的有效性进行详细的讨论,同时也对白垩纪冰川的可能成因进行探讨。笔者认为,白垩纪即便存在冰川,也是小规模、短暂地存在,因此,精确的年代学约束是进行白垩纪冰川研究的前提;米兰科维奇旋回控制下的气候波动是白垩纪形成短暂冰川的可能成因。     

北冰洋海冰重建方法研究进展

近几十年来,伴随着全球变暖和大气中CO₂的增加,北极海冰的范围和厚度都显著衰减。数值模拟预测在未来20~50年,北冰洋中心海盆在夏季将可能成为无冰区。研究北冰洋海冰历史演变的沉积记录可以更清楚地了解现代海冰减少的控制机制并对预测未来变化趋势提供依据。文章回顾了北冰洋古海冰的重建方法,主要包括指标重建和数值模拟。用于重建古海冰的传统指标有IRD（Ice-Rafted Debris,冰筏碎屑）、微体生物化石以及地球化学指标等,北冰洋IRD和微体生物化石的记录表明北冰洋的海冰出现于大约47.5 Ma,永久性海冰出现于大约14 Ma,是北冰洋古海冰研究的重要发现。但是传统指标是间接指示海冰的变化且不能量化海冰,限制了北冰洋海冰历史演变的研究。近十几年来,海冰的直接指标IP₂₅（Ice Proxy with 25 carbon atoms）的发展,是北极海冰历史演变研究从定性到定量的里程碑,通过与海冰数值模拟结合,首次验证了氧同位素6期北冰洋在陆架边缘存在冰间湖（Polynya）。近年来,最新的气候模式结果显示中全新世北极海冰变化可以影响中低纬度及北半球气候。未来研究中,北冰洋多指标沉积记录与数值模拟研究结合,可以使我们更清楚地了解海冰变化的控制机制及其对全球气候变化的驱动。

     

可视化技术在研究海冰堆积过程中的应用

基于对海冰爬升堆积过程计算程序的分析, 利用VC++编制了其前后处理程序.前处理程序以数据向导的形式实现输入数据文件的自动生成, 后处理程序可对输出的数据结果文件实现海冰堆积过程的可视化仿真.以倾角35°斜坡前冰排破碎、堆积的过程为例, 叙述了整个软件系统的操作过程, 并给出了不同时刻的冰排破碎、堆积形态.     

白令海海冰变化及其影响研究综述

The Bering Sea is a marginal sea of the Arctic Ocean,and its sea ice changes differ considerably from other marginal seas. The sea ice area（SIA）in the Bering Sea has shrunk significantly over the last decade,af⁃ fecting regional hydrology,the atmosphere,and even the ecosystem,as well as the mid-latitude and our nation⁃ al climate systems. Lots of efforts have been conducted in the temporal and spatial characteristics of sea ice based on satellite observation,simulation,diagnostic analyses,and so on. The recent changes in sea ice in the Bering Sea are proposed,as well as the impact factors of sea ice changes. Simultaneously,the effects of Bering Sea ice changes on hydrology,atmosphere,ecosystems,and the mid-latitude climate system are summarized. According to a comprehensive review of current studies,the understanding of the mechanism of sea ice change on an intraseasonal time scale is still insufficient due to the limitation of current study approaches and observation data on seawater current,as well as a lack of systematic analysis to explore the causal relationship. It is also stat⁃ ed that more research on the impact of early sea ice on later sea ice,the drag effect of wind field on sea ice,the time scale of the effect of warm advection on sea ice,and the time-scale evolution of sea ice change is required. Copyright © 2023 Institute of Microbiology, CAS. All rights reserved.     

基于多种机器学习及其堆叠式集成方法的月尺度北极海冰预测研究北大核心CSCD

北极海冰范围退缩已对区域和全球气候变化、北极通航性乃至地缘政治格局产生了深远影响,开展北极海冰预测具有重要意义。本文使用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰密集度、海冰冰龄遥感资料以及ERA5再分析资料,结合前人研究和海气耦合模式结果选择预测参量方案,开展了月尺度的海冰冰情预测。比较了支持向量机(SVR)、深度森林(DF)、LightGBM (LGB)、XGBoost(XGB)和CatBoost (CAT)等5种机器学习算法和以树模型LGB、XGB和CAT作为基模型,以贝叶斯回归、岭回归、套索回归和深度森林作为元模型的4种堆叠式集成学习模型,以及深度神经网络(DNN)、卷积神经网络(CNN)、时空卷积网络(ConvLSTM)3种深度学习模型在2000年测试集上对海冰范围和密集度空间分布的预测效果。结果表明:在海冰密集度预测中,ConvLSTM表现最优,套索堆叠集成学习模型预测效果次之。集成学习模型相较于三种单一树模型在预测效果上有约1%~4%的提升。在海冰范围预测中,堆叠式集成学习模型的预测效果最好。本研究为开展机器学习海冰预测奠定了重要基础。     

历史时期关中地区气候变化的初步研究

关中地区地理位置特殊,是中华民族的一个重要发祥地,历史时期气候曾发生多次明显的变化。通过对这一地区考古发掘、抱粉分析研究成果以及丰富的史籍文献、地方志等资料的收集、整理、分析,划分出全新世早期寒冷、全新世中期暖湿、西周冷干、春秋至西汉前期暖润、西汉后期至北朝凉干、隋和唐前中期暖润、唐后期至北宋凉干、金前期温干、金后期和元凉干、明清冷干等10个气候变化阶段,从而建立起该地区历史时期完整的气候变化序列。     

北极楚科奇海海冰特征研究——以1999年夏季为例

对北冰洋楚科奇海海冰分布、厚度、气/冰/海界面温度场观测,钻取海冰冰芯,观测冰结构的变化,发现3种海冰组合结构: 1)表面融化型; 2)表面和底部融化型; 3)整体融化型. 海冰结构形成的热力学过程为:在气/冰界面上,海冰上表面吸收辐射能使冰体升温,出现表面融化; 在冰/海水界面上,海冰盘与开阔水域的相间分布、相对运动,将周围温度较高的水体输送到海冰的底部,加热、融化海冰底部; 冰体升温,冰晶间盐水膜首先融化,分离冰晶,破坏海冰整体结构. 冰的相变吸热,使其温度维持在融点, 这些过程均衡了夏季北冰洋的温度变化.     

南极海冰变化异常与全球海平面变化(英)

In this paper, the long-term variation trend of the Antarctic sea ice in 1973～1994 and the inter-decade variation rule of the global sea level are analyzed. It is foundthat, the Antarctic sea ice area in 1980's was significantly less than in 1970's but with regional difference:decreasing in Regions Ⅰ, Ⅱ, and Ⅲ, and increasing in Region Ⅳ, the average global sea levelheightvalue in 1980's was also significantly higher than in 1970's but also with very large regional difference.Connecting variation of both to analyze their physical mechanism, it is pointed that, the accumulated seaice anomaly value in 1980's less than in 1970's means a global climate warming, the sea watertemperature and air temperature rising, sea water volume expanding, and more icebergs transportingfrom the ice cover on the Antarctic continent to ocean in the warmer years. As a result, the global sealevel raised significantly with the global average sea level value in 1980's was 22 mm higher than in 1970's. The Sea Level Raising (SLR) distributed uneven. It is especially true in the Pacific Ocean andAtlantic. This kind of uneven SLR distribution closely relates to, or is introduced by the uneven sea ice change of the Antarctic Regions.     

A Comparison of Greenland Ice and Baltic Sea Sediment Record—A Contribution to Climate Change Analysis

Modern methods on the Theory of Dynamical Systems, time series analysis and multidimensional statistics allow us to extract crucial information about behavior of dynamical systems from observed natural records. We applied some of these methods to two geo-climatic records from Greenland ice and Baltic Sea sediments. Decomposed and noise-free signals demonstrate the presence of ‘global’ components with concordant periodicities of about 900, 500 and 400 years in both records. Both signals correspond to complex periodical (non-chaotic) behavior. The main governing processes belong to the class of dynamical systems with weak dissipation of energy. The observed climate variability gives us an option for the correct stochastic prediction which would be impossible in the case of chaotic behavior of a climatic system.     

极地和山地冰川雪冰中重金属的研究进展

地球系统中含量甚微的重金属元素是评价人类活动对大气环境影响的良好指标,研究极地和山地冰川地区过去和现代雪冰中重金属的历史记录,可以重建这些元素在过去大气环境中的循环过程,对认识地球大气环境中重金属污染的规模和历史、揭示这些污染物质的来源及中长距离的输送过程具有重要的作用.概述了格陵兰、南极、阿尔卑斯山和青藏高原等地区雪冰中重金属的研究进展,并对该领域未来的研究方向进行了展望.     

近300a来古里雅冰芯记录的气候突变事件

根据古里雅冰芯高分辨率气候环境信息记录,利用小波气候突变的检测方法,对近300a来的气候突变事件进行了检测.结果表明,在百年尺度上,近300a来古里雅冰芯中所记录的δ¹⁸O(温度代用指标)发生了2次突变,分别在1788年和1932年;净积累量(降水量的代用指标)也发生了2次突变,分别在1805年和1939年;降水突变发生的时间迟于温度突变发生的时间.时间尺度越短,发生突变的次数则越多,这也体现了气候变化的层次性.因此,较好地确定隐含在气候资料中冷暖(干湿)期突变的位置,从冷暖(干湿)期的变更上去把握气候变化,将有助于认识气候变化的机理.     

冰芯对于过去全球变化研究的贡献

系统地总结了冰芯在揭示过去气候环境变化、太阳活动、温室气体、火山活动、人类活动等方面研究所取得的成就,着重对一些有争议的重大问题(如Younger Dryas事件、温室气体与气候变化之间的关系、南北半球气候变化之间的关系等)进行了论述,并对其中个别问题提出了可能的解决途径.指出冰芯微生物、冰芯环境磁学将是冰芯研究的新方向.     

极地深冰心钻探“暖冰”层钻进技术难点及对策

极地冰心分辨率高、记录时间尺度长、信息包含量大,直接记录着远古时期的大气组成,蕴藏着珍贵的古气候和古环境信息,获得年代久远的深冰心,对于重建地球的历史演化以及预测全球气候、环境的变迁具有重要意义。因此,世界各国都在竞相寻找年代久远的冰心,开展深冰心钻探工程。实践表明,由于极地冰盖深部＂暖冰＂层冰的熔点低而温度高,某些冰层的温度接近甚至达到冰的压力熔点,以至钻进速度慢、取心率低、卡钻事故频发。详细介绍了极地深冰心钻探＂暖冰＂层钻进实践,深入分析了＂暖冰＂层钻进存在的技术问题,对钻具回转切削产生的切削热对钻进的影响进行了探讨,据此提出了＂暖冰＂层钻进技术对策以及今后的研究方向,以期为我国即将开展的深冰心钻探工程和冰下基岩取心钻探工程提供一定借鉴。