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.     

基于大气海洋多变量与海冰时序特征的北极海冰范围预测研究

随着全球气候变暖加剧,北极地区的大气海洋环境剧烈变化,导致海冰变化更加不稳定,使得海冰预测的难度增大。本研究选择海表温度、2 m平均气温、二氧化碳浓度为大气海洋变量,海冰范围距平为时序特征参数,将上述参量作为北极海冰范围 （Sea Ice Extent,SIE） 的预测要素,建立了面向SIE的多变量长短期记忆 （Long Short Term Memory,LSTM） 神经网络模型,对比分析了2015－2021年不同时间序列预测模型的预测结果。结果显示：本研究所构建模型的RMSE、MAE、MAPE分别为0.353×106 km2、0.261×106 km2和3.191%。相比于其他预测模型,结合大气海洋变量和时序特征参数后的LSTM模型预测结果误差更小,拟合效果更好,可以消除夏季海冰剧烈变化对预测效果的影响,提高海冰范围的预测精度,对北极航道的通航安全保障工作具有重要的研究与应用价值。     

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。     

近年北极东北和西北航道开通状况分析

利用微波卫星遥感数据对北极东北航道和西北航道近年来的冰情变化,以及影响航道开通的关键区域和每年的开通状况进行了分析和总结,并对航道未来的可能冰情状况进行了展望,期望对航道利用者有所帮助。东北航道全线开通期主要集中在8月下旬至10月上旬,开通总天数多在40~50d;西北航道南线开通期主要集中在8月上中旬至10月上旬,开通总天数多在50~60d;西北航道北线开通时间主要集中在9月。东北航道冰情最为复杂的是连接拉普捷夫海和喀拉海的北地群岛区域海冰,也是影响航道开通的关键区。影响西北航道南线开通的关键主要是威廉王岛附近维多利亚海峡、威尔士王子岛东侧的皮尔海峡和北侧巴罗海峡区域的海冰状况;影响北线开通的关键区域是班克斯岛西北部的麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡;东北航道可通航性优于西北航道。虽然气候变化大背景下北极海冰总量减少,但由于海冰流动性增强,局部海冰变化愈发复杂,海冰分布年际差异较大,需要加强北极海冰监测和预报能力,为未来航道利用提供保障。     

2017年夏季北极中央航道海冰观测特征及海冰密集度遥感产品评估

2017年夏季中国第八次北极科学考察期间,"雪龙"号极地考察船首次成功穿越北极中央航道,期间全程开展了海冰要素的人工观测。中央航道走航期间的平均海冰密集度和平均冰厚分别为0.64和1.5 m,海冰密集度时空变化大且以厚当年冰为主,高纬密集冰区的浮冰大小显著高于海冰边缘区。基于"雪龙"号的船基走航观测海冰密集度评估比较了国际上常用的5种常用的微波遥感反演海冰密集度产品,同走航目测海冰密集度点对点的比较,误差最大的为德国不来梅大学AMSR2基于Bootstrap算法的产品,平均误差和均方根误差分别为0.19和0.28;误差最小的为欧洲气象卫星应用组织基于AMSR2数据和OSHD和TUD两种不同算法的产品,平均误差分别为-0.02和0.01,均方根误差均为0.20。从日平均比较来看,AMSR2基于Bootstrap算法的误差最大,平均误差和均方根误差分别为0.15和0.20;AMSR2/OSI SAF（TUD）的误差最小,平均误差和均方根误差分别为0.0和0.11,OSI SAF产品更接近人工观测结果。     

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。     

北极航道现状与发展趋势及对策

相比其他航道,北极航道的行程更短,北极航道的通航具有很高的经济性和商业价值。充分调研北极航道的现状,对当前通航北极的商船类型、路线及沿途的冰区环境进行详细分析,并从北极油气资源开采规划上预测未来商船类型和航线的发展趋势。鉴于我国商船在北极航道面临的风险,提出有效地应对措施,并剖析了我国发展极地救助船的必要性。     

基于Logistic模型的北极海冰生长曲线研究

北极海冰季节变化明显,相关文献主要侧重于各海区海冰覆盖率的多年变化特征,尚未有针对海冰覆盖率生长和消融曲线的模型研究.本文引入Logistic曲线模型,以半封闭型的喀拉海为研究区域,定量分析北极海冰覆盖率增长过程,旨在给出一种海冰空间分布生长的统计模型.结果 显示,拟合曲线与实测曲线相关性良好,不同时期的可决系数(R2...     

西北航道夏季气旋登陆期间海冰对波浪的影响

西北航道是指从北大西洋经加拿大北极群岛进入北冰洋,再进入太平洋的航道,是连接大西洋和太平洋的捷径。为了探讨西北航道通航期极端天气条件下强风及海冰对波浪场的影响机制,建立并验证了考虑海冰影响下的西北航道风浪演化模型,并以2012年8月北极气旋登陆期间为例探讨西北航道通航期波浪特性及波能流密度的时空演化及其对风和海冰的响应。研究结果表明,北极夏季海冰大多分布于西北航道以北海域,而风向大部分集中在SSW(南偏西22.5°)至SW(南偏西45°),西北航道海冰的存在并不会引起有效风区的明显减少,也不会引起无冰海域波能流的明显减小(不超过5%)。但是,当风向变为北向风时,无冰海域波能流减小幅度最多高达62%。最后,综合海冰和波浪要素的时空分布,提出了极端天气条件下西北航道通航期的最佳适航路线,为西北航道的夏季安全通航提供了科学依据。     

基于合成孔径雷达遥感的北极海冰总形变率分析

基于RADARSAT地球物理处理器系统(RGPS)的北极海冰运动散度、旋度和剪切产品,本文计算了北极海冰总形变率,给出了所有RGPS产品时空覆盖范围的总形变率空间分布和时间平均总形变率大于0.01d-1的概率分布。结果表明:对整个RGPS数据库而言(时间跨度从1996年11月至2008年4月),平均总形变率为0.020 4d-1,总形变率大于0.01d-1的数据样本为总样本的45.89%。总形变率高值主要分布在近岸海域,靠近北极点附近的总形变率相对较小。北极海冰总形变率随季节变化,夏季平均总形变率及总形变率大于0.01d-1发生概率要比冬季大,其中,夏季总形变率大于0.01d-1发生概率为59%,而冬季要比夏季低18%。其可能机制主要是,夏季北极地区温度升高,形成海冰融化-破碎-更易融化-更易破碎的放大效果,导致北极海冰总形变率变大。     

The implications of Arctic sea ice decline on shipping

Although a ‘blue’ Arctic Ocean is predicted in the summertime to occur from the middle of this century, current rates of warming indicate an earlier realization. Also, routes along the coast of Siberia will be navigable much earlier. However, before the Arctic routes can reliably be used on a large scale for transit by shipping along its passages, more investments are required on infrastructure and the provision of marine services to ensure the safe and secure transit of shipping with minimal environmental impact.     

On the future navigability of Arctic sea routes: High-resolution projections of the Arctic Ocean and sea ice

The rapid Arctic summer sea ice reduction in the last decade has lead to debates in the maritime industries on the possibility of an increase in cargo transportation in the region. Average sailing times on the North Sea Route along the Siberian Coast have fallen from 20 days in the 1990s to 11 days in 2012–2013, attributed to easing sea ice conditions along the Siberian coast. However, the economic risk of exploiting the Arctic shipping routes is substantial. Here a detailed high-resolution projection of ocean and sea ice to the end of the 21st century forced with the RCP8.5 IPCC emission scenario is used to examine navigability of the Arctic sea routes. In summer, opening of large areas of the Arctic Ocean previously covered by pack ice to the wind and surface waves leads to Arctic pack ice cover evolving into the Marginal Ice Zone. The emerging state of the Arctic Ocean features more fragmented thinner sea ice, stronger winds, ocean currents and waves. By the mid 21st century, summer season sailing times along the route via the North Pole are estimated to be 13–17 days, which could make this route as fast as the North Sea Route.     

北极海冰输出研究综述

北极海冰对全球气候变化起重要的指示作用。除了海水冻结和融化过程以外,通过弗拉姆海峡(Fram Strait)的海冰输出也是影响北极海冰质量变化的重要动力机制。观测数据中的多源卫星遥感数据(尤其是辐射计观测数据)在获取大尺度连续观测方面具有独特的优势,在研究北极海冰输出面积通量变化方面有着广泛应用。本文总结了北极弗拉姆海峡、其他通道(S-FJL、FJL-SZ、加拿大群岛、Nares海峡通道)海冰输出面积或体积通量,着重介绍了弗拉姆海峡不同年龄海冰输出情况,并总结和分析了影响北极海冰输运的大尺度大气活动模态。最后,本文阐明北极海冰输出方面现有研究的不足之处以及未来的突破方向。     

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.     

1979-2012年北极海冰运动学特征初步分析

利用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰速度和范围数据,本文分析了1979—2012年间北极海冰的运动学特征,以及北极海冰运动与分布范围演变之间的关系。结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的2007和2012年高分辨率的气压场、风场数据,探讨了北极风场和气压场与海冰运动、辐散辐合和海冰面积的关系。结果表明,在1979-2012年间北极海冰平均运动速度呈显著增强的趋势,冬季海冰平均运动速度增加趋势明显强于夏季;北极、波弗特-楚科奇海域和弗拉姆海峡的冬、夏季海冰平均运动速度的增加率分别为2.1%/a和1.7%/a、2.0%/a和1.6%/a以及4.9%/a和2.2%/a。1979-2012年北极海冰平均运动速度和范围的相关性为-0.77,二者存在显著的负相关关系。北极冬季和夏季风场的长期变化趋势与海冰平均运动速度的变化趋势一致,冬季和夏季的相关系数分别为0.50和0.48。风场和气压场对海冰的运动、辐散及重新分布发挥着重要作用。2007年夏季,第234~273天波弗特海域一直被高压系统控制,波弗特涡旋加强,使得波弗特海域海冰聚集在北极中央区;顺时针的风场促使海冰向格陵兰岛和加拿大北极群岛以北聚合。2012年,白令海峡和楚科奇海域处于低压和高压系统的交界处,盛行偏北风,海冰从北极东部往西部输运,加拿大海盆的多年海冰因离岸运动而辐散,向楚科奇海域的海冰输运增加,受太平洋入流暖水影响,移入此区域的海冰加速融化,从而加剧海冰的减少。     

北极中央区海冰低密集度现象研究

近年,北极中央密集冰区出现海冰低密集度的异常现象。为了探讨这一现象的成因,本文使用ERA-Interim再分析资料,定义了北极中央区海冰低密集度（LCCA）指数,研究了2009-2016年的6-9月北极中央区发生的海冰低密集度现象。分析表明,研究时段内在北极中央区发生了6次明显的海冰低密集度（LCCA峰值）过程。在这些过程中,局地气温异常并不是导致海冰低密集度现象发生最主要的因素;海冰低密集度区域的形态及冰速场分布均与大气环流场相对应;在LCCA指数峰值发生前均有气旋中心出现在北冰洋70°N以北并伴随向北移动,气旋引起海冰辐散,同时所携带的较低纬度的热量导致海冰迅速融化。在6次过程中,有3次为气旋影响配合北极偶极子（DA）型环流。LCCA指数与84°N平均向北温度平流和北极中央区海冰速度散度呈正相关。在LCCA指数峰值前,温度平流对海冰低密集度区域形成的影响大于海冰辐散的影响。     

Arctic summer sea ice phenology including ponding from 1982 to 2017

Information on the Arctic sea ice climate indicators is crucial to business strategic planning and climate monitoring. Data on the evolvement of the Arctic sea ice and decadal trends of phenology factors during melt season are necessary for climate prediction under global warming. Previous studies on Arctic sea ice phenology did not involve melt ponds that dramatically lower the ice surface albedo and tremendously affect the process of sea ice surface melt. Temporal means and trends of the Arctic sea ice phenology from 1982 to 2017 were examined based on satellite-derived sea ice concentration and albedo measurements. Moreover, the timing of ice ponding and two periods corresponding to it were newly proposed as key stages in the melt season. Therefore, four timings, i.e., date of snow and ice surface melt onset (MO), date of pond onset (PO), date of sea ice opening (DOO), and date of sea ice retreat (DOR); and three durations, i.e., melt pond formation period (MPFP, i.e., MO–PO), melt pond extension period (MPEP, i.e., PO–DOR), and seasonal loss of ice period (SLIP, i.e., DOO–DOR), were used. PO ranged from late April in the peripheral seas to late June in the central Arctic Ocean in Bootstrap results, whereas the pan-Arctic was observed nearly 4 days later in NASA Team results. Significant negative trends were presented in the MPEP in the Hudson Bay, the Baffin Bay, the Greenland Sea, the Kara and Barents seas in both results, indicating that the Arctic sea ice undergoes a quick transition from ice to open water, thereby extending the melt season year to year. The high correlation coefficient between MO and PO, MPFP illustrated that MO predominates the process of pond formation.     

北极海冰密集度数值预报及验证评估研究

本文系统地评估了国家海洋环境预报中心于我国第七次北极科学考察期间开展的北极海冰密集度数值预报结果。该预报系统基于麻省理工大学通用环流模式,并采用牛顿松弛逼近（Nudging）资料同化方法,计算输出未来1~5 d的北极海冰密集度预报产品。本文将数值预报结果同卫星观测的海冰密集度、再分析资料和"雪龙"号第七次北极考察期间观测的海冰密集度数据进行了对比分析。结果表明,预报的北极海冰密集度小于卫星观测值,24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为-2.7%、-3.1%和-3.2%;数值产品的预报技巧好于气候态结果和惯性预报,但是在海冰出现快速融化或冻结时,基于Nudging同化的数值预报技巧仍有不足。另外,相比船测数据,数值预报结果在海冰边缘区的偏差相对较大,24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为8.8%、12.0%和14.5%。     

北极冬季季节性海冰双模态特征分析

近年来北极海冰快速变化,北极中央区边缘正由以多年冰为主转为季节性海冰为主。通过对北极冬季季节性海冰的EOF分解发现,2002-2012年期间北极季节性海冰变化的前两模态主要体现为2005年和2007年的季节性海冰距平。其中第二模态主要体现了北极海冰在2005年的一种极端变化,而第一模态不仅体现了北极海冰在2007年的变化,还体现了北极季节性海冰的从负位相到正位相的转变。通过比较发现,在研究时段北极季节性海冰最主要的变化发生在北极太平洋扇区,在2007年,冬季季节性海冰距平发生位相转变,2007-2010年一直维持正位相,北极太平洋扇区冬季季节性海冰保持显著正距平。太平洋扇区表面温度最大异常也发生在2007年,从大气环流来看,2007年之后波弗特海区异常高压有利于夏季太平洋扇区海冰的减少,而西风急流的减弱有利于夏季波弗特海区异常高压的维持,结合夏季海冰速度,顺时针的冰速分布有利于海冰离开太平洋扇区,因而会导致冬季太平洋扇区季节性海冰转为正距平并且从2007年一直维持到2010年。     

北极海冰密集度预报对大气强迫敏感性的个例研究

A regional Arctic configuration of the Massachusetts Institute of Technology general circulation model （MIT-gcm） is used as the coupled ice-ocean model for forecasting sea ice conditions in the Arctic Ocean at the Na-tional Marine Environmental Forecasting Center of China （NMEFC）, and the numerical weather prediction from the National Center for Environmental Prediction Global Forecast System （NCEP GFS） is used as the atmospheric forcing. To improve the sea ice forecasting, a recently developed Polar Weather Research and Forecasting model （Polar WRF） model prediction is also tested as the atmospheric forcing. Their forecasting performances are evaluated with two different satellite-derived sea ice concentration products as initializa-tions： （1） the Special Sensor Microwave Imager/Sounder （SSMIS） and （2） the Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS （AMSR-E）. Three synoptic cases, which represent the typical atmospheric circulations over the Arctic Ocean in summer 2010, are selected to carry out the Arctic sea ice numerical forecasting experiments. The evaluations suggest that the forecasts of sea ice concentrations using the Polar WRF atmo-spheric forcing show some improvements as compared with that of the NCEP GFS.