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。     

北极生长的多年海冰晶体结构分析

对中国首次北极科学考察钻取的一根从表面到底面长2.2m的海冰冰芯样，依据冰芯样采取时造成的长度，不等间距地自上而下垂直切片，剖析了冰芯样的晶体结构，获得以纯热力学生长为主的多年海冰正交偏光镜下晶体结构剖面，由晶体结构剖面确定出该海冰为三年冰，此外，还发现北极海冰越夏过程中生成一种动力碎屑凝聚冰，除给出偏光镜下晶体结构和冰芯层理分析外，还描述了动力碎屑凝聚冰的结构特点。     

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.     

基于FY-3 MWRI数据的北极海冰密集度反演研究

以ASI算法（ARTIST sea ice algorithm）为基础, 得到基于风云3C气象卫星（FY-3C）微波辐射计（MWRI）数据的纯水与纯冰系点值, 利用插值方法确定基于FY-3 MWRI数据的ASI海冰密集度计算公式, 采用大津法（Otsu算法）得到基于MWRI数据的天气滤波器阈值。以2016年1月数据为例, 对北极海冰密集度进行反演, 并与美国国家冰雪数据中心（NSIDC）以及德国不莱梅大学提供的海冰密集度产品进行对比验证。结果表明： 基于MWRI数据得到的1月平均海冰面积以及平均密集度均介于二者之间, 其中平均密集度与不莱梅产品更接近, 仅相差1.310%。与风云卫星空间分辨率为250 m的中分辨率光谱成像仪（MERSI）数据得到的结果进行对比, 发现二者的海冰外缘线基本一致, MERSI数据得到的海冰密集度以及海冰面积比MWRI数据得到的结果分别高出5.029%、 9.318%。因此, 应用该方法可有效推进MWRI数据反演北极海冰密集度, 进而监测北极海冰分布和变化。     

长时间序列北极海冰密集度遥感数据的比较评估

基于空间分辨率和精度更高的BLM海冰密集度数据集, 评估了两种时间跨度较长、 应用广泛的25 km分辨率海冰密集度遥感数据集——NSIDC数据集和SICCI数据集。两种数据集与BLM数据集的海冰面积变化趋势相同, 但均低于基于BLM数据集得到的海冰面积, 其中基于SICCI数据集得到的海冰面积更接近BLM数据集。相比于NSIDC数据集, SICCI数据集的年、 月平均和日海冰面积偏差分别低81.88%、 80.90%、 81.44%, 且其海冰密集度平均偏差为-3.28%, 低于NSIDC数据的4.36%, 因此在进行北极地区整体海冰面积及海冰密集度分析时应选用SICCI数据集。按纬度、 海冰密集度值分情况对两种数据进行比较, 发现NSIDC数据集对开阔水域和浮冰区的区分效果较差, 其在低纬度和低密集度区域的平均偏差分别为10.11%和13.13%, 而SICCI数据集的平均偏差达到0.05%和0.44%, 是研究低纬度和中低海冰密集度区域的首选数据。与之相对, NSIDC数据集对中高纬度高海冰密集区域, 特别是近北极点区域的反映能力优于SICCI数据集, 平均偏差为1.08%, 均方根偏差为7.76%, 因此进行中高纬度高海冰密集度区域分析时首选NSIDC数据集。对两类数据集在北极东北航道上的分段评估结果发现, 低纬度海冰边缘地带或中低海冰密集度区域占比较高的航段区, SICCI数据集更接近BLM数据集, 这些航段应使用SICCI数据集进行分析; 而在中高纬度高海冰密集度区域占比较高的航段区, NSIDC数据集更加贴合, 应为首选数据集。     

北极夏季海冰表面积雪层内水分含量的时空分布

根据中国第二次北极科学考察实测雪冰温度剖面数据,用一维热传导方程描述雪层温度场,优化辨识了雪层有效热扩散系数和热源。将零热源项作为积雪层中含水和不含水雪层的边界,确定出相应含水和不含水雪层的有效热扩散系数。结合干雪、水物理参数建立雪层内含水量的评估方法并给出北极夏季雪冰温度测试期间雪层内水分含量与温度的关系以及水分变化的时空分布。     

北极海冰变化同我国气温相联系的若干统计学分析

本分析了北级海冰覆盖度和我国气温的时空变化特点，并进行了它们之间的统计学分析。结果表明，我国某些地区，若干时段的气温较明显地受到北极海冰的影响。首先对北极海冰面积异常变化的时间尺度进行分析，然后使用经验正交函数展开海冰场和气温场，并对它们的特征进行分析，最后对海冰面积在最大最小年份时，我国气温差值场进行分析。     

北极海冰对长江流域主汛期降雨的影响

针对极地冰雪显著影响中低纬气候的事实,利用1979-2017年长江流域116站降水资料和美国国家冰雪数据中心海冰资料,通过奇异值分解等统计学方法,研究北极海冰对长江流域主汛期降水的影响及可能的机制,结果表明:冬春季节,巴伦支海和鄂霍次克海海冰面积偏多、波佛特海海冰面积偏少时,主汛期长江上中游干流、汉江上游和雅砻江降水偏多;北极群岛、楚科奇海和拉普捷夫海以北海域海冰面积偏多时,主汛期两湖水系降水偏多,嘉陵江上游、汉江上游降水偏少;反之亦然。可能的机制为冬春季关键区海冰变化通过影响湍流热通量引发大气能量波动,这种波动以大气波列形式向东亚传播,影响东亚地区夏季的大气环流和水汽输送,从而间接影响长江流域主汛期降水。应用多元回归法,以关键区海冰面积作为预测因子建立4个流域内主汛期降水趋势预测模型,模型对预报区降水的定量预测有明显的波动,但对预报区总体的降水趋势有较好的预测效果。     

2003年夏季北冰洋海冰动力学特征参数

以2003年的中国第2次北极科学考察的海冰物理过程调查数据为依据,分析了海冰动力学特征并给出体现动力学特征的定量参数。这些参数指出:现场调查的海冰密集度同NOAA冰图上的密集度相比低2~3成,而厚度比1999年的中国首次北极考察结果减少2 m;冰层底面起伏方差约是冰层表面积雪起伏方差的3.8倍;浮冰最快以1 300m/h速度运动并伴随振荡旋转。实测浮冰向东北运动时,旋转角度增加,最大达到37.8o,东南方向旋转时,角度减小;浮冰运动的振荡周期为12.45 h,同该纬度惯性流振荡周期一致,体现出惯性流对浮冰运动的贡献。     

南极沿岸固定冰观测与研究述评

南极固定冰的变化能够直接反映南极的局地气候变率,因此是数值模式验证的理想载体,对固定冰的观测研究结论也能用于评估南极海冰的年际变化。现今国际上对南极固定冰的观测和研究日渐丰富和深入,并逐渐形成了由多个国家参加的联合观测网。就海冰厚度、冰芯结构、表面辐射收支等现场测量和相机、卫星等遥感观测方面,总结了目前国内外南极固定冰观测的技术手段和研究进展,并分析了不同空间尺度上的南极固定冰年际变化特征。对南极固定冰观测研究目前存在的问题和未来的发展方向进行了探讨。     

基于卫星气候资料的1989-2015年南北极海冰面积变化分析

利用被动微波卫星海冰密集度气候资料,分析了1989-2015年南北极海冰面积和密集度的长期变化趋势。结果表明：研究期内,北极年平均海冰面积减少,南极海冰面积增加,变化趋势分别为-0.569×10⁶ km²·（10a）^-1和0.327×10⁶ km²·（10a）^-1,均通过了0.01水平的显著性检验,两极海冰面积变化趋势表现出明显的"非对称性"。两极总海冰面积出现了下降,变化趋势为-0.242×10⁶ km²·（10a）^-1。年海冰密集度在北极地区普遍减少,而在南极地区的变化趋势存在显著的空间差异,威德尔海、罗斯海北部海冰密集度增加,趋势超过了10%·（10a）^-1,别林斯高晋海、阿蒙森海的海冰密集度出现下降。北极各月海冰面积的变化趋势存在明显的季节差异,7-10月海冰面积减少明显,其中9月减少最显著,趋势为-0.955×10⁶ km²·（10a）^-1。南北极海冰冻结和融化的时间不完全对应,北极融化与冻结时间基本平衡,南极海冰冻结时间明显长于融化时间。南极年内海冰面积的变化幅度大于北极,呈现显著的季节性特征。北极极小海冰面积的变化趋势最显著,达到了-0.636×10⁶ km²·（10a）^-1。南极极大海冰面积出现的时间后移明显,趋势为0.733候·（10a）^-1;极小海冰面积出现的时间非常稳定,没有明显的变化趋势。     

基于同位素示踪降水在两极海冰质量平衡中的贡献

极地海冰在全球气候系统中扮演着重要角色。在全球变暖背景下,两极海冰范围呈现相反的变化趋势,即北极海冰显著减少,南极海冰则略有增加,然而目前对两极海冰不对称变化的驱动机制还存在争议。已有研究集中在海冰变化与温度的相互作用上,而对降水在海冰生消过程中所起作用则知之甚少。两极海冰的这种不对称变化可能与降水在海冰生消中起到的不同作用有关：降水在北极主要起到促进海冰消融的作用,而在南极主要起到促使海冰加积生长的作用。降水在两极海冰质量平衡中的贡献可以通过同位素示踪加以厘定,本文详细对比了同位素判别法、线性混合模型和贝叶斯混合模型等研究方法的不同特点及应用上的优劣。利用氧同位素（δ¹⁸O）和氘盈余（d-excess）建立的海冰同位素混合模型,可量化融池在北极海冰质量平衡中的贡献和雪冰在南极海冰质量平衡中的贡献。罗斯海是南极海冰增大最明显的区域,且各种起源的海冰类型齐全（冰针冰、雪冰、附加冰和小板冰）,通过三氧同位素（¹⁷O-excess）作为新的示踪同位素,可进一步量化罗斯海海冰质量平衡中四组分的贡献比,探究罗斯海海冰异常变化的生长机制。

     

北极大气中典型持久性有机污染物对海冰变化的响应

近年来,北极变暖速度几乎是全球平均速度的两倍,海冰加速消融被认为会使沉积的持久性有机污染物（POPs）重新释放进入大气。本文利用近30年的大气POPs浓度数据和北极海冰数据,比较了有机氯农药（OCPs）和多氯联苯（PCBs）在北极Alert、Zeppelin、Stórhöfði和Pallas这4个站点的变率,结合互相关分析,探讨POPs对海冰变化的响应。结果发现,在周围多为浮冰区的Zeppelin站点,OCPs（特别是HCB和α-HCH）在2009年后与海冰变化显著负相关,而在其他站点显著性较低或无显著相关性。PCBs在Stórhöfði和Pallas站点,超前海冰变化,可能与长距离输送和土壤的二次释放有关,而在Zeppelin站点出现了和DDTs类似的滞后海冰变化的现象。本研究表明,不同类型的POPs对海冰变化的时空响应不同,海冰消融不一定导致大气POPs浓度增大。