全球冰—海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量,与大气和海洋的相互作用,直接影响大气环流和海洋环流,对气假及其变化及具有重要影响,文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用,改进冰－海洋热力耦合方案,利用由中国科学院大气物理研究所的３０层海洋模式和基于Ｆｌａｔｏ空化流体流变学的海冰动力模式和Ｈｉｂｌｅｒ表面热收支平衡的零层少冰热力模式,建立全球冰－海洋耦合模式,利用大月平均气候资料,模拟的南半球少冰分布及海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析,模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近,比２０层冰－海洋耦合模式的结果有显著改进,北半球海冰范围偏小,但季节变化的量值与实际相当一致,模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等,对海冰密集度的分析表明,模拟结果得以     

全球冰-海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量 ,与大气和海洋的相互作用 ,直接影响大气环流和海洋环流 ,对气候及其变化具有重要影响。文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用 ,改进冰海洋热力耦合方案 ,利用由中国科学院大气物理研究所的 30层海洋模式和基于Flato空化流体流变学的海冰动力模式和Hibler表面热收支平衡的零层海冰热力模式 ,建立全球冰海洋耦合模式。利用大气月平均气候资料 ,利用冰海洋耦合模式对全球海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析。模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近 ,比 2 0层冰海洋耦合模式的结果有显著改进。北半球海冰范围偏小 ,但季节变化的量值与实际相当一致。模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征 ,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等。对海冰密集度的分析表明 ,模拟结果得以改进原因在于改进的冰海洋热力耦合方案增强了融冰期冰海洋耦合系统海洋热通量增加—密集度减小—能量收支增加的正反馈机制。     

白令海冰间湖的数值模拟及影响模拟准确度的关键因素

冬季在北白令海陆架区域频繁地出现潜热冰间湖,对当地的生态系统和北极盐跃层贡献很大.将CICE海冰模式应用到该区域,采用高分辨率(6.37 km)网格,模拟2002年11月至2003年4月的海冰变化过程,模拟的海冰总面积和海冰密集度与AMSR-E/Aqua卫星遥感结果吻合很好,其中两者日平均海冰总面积在模拟期间的相关系数达到0.97.模拟结果表明,东北风将海冰向南输运在东西走向的海岸南部形成冰间湖,反映了潜热冰间湖形成和演化的动力过程.对卫星观测数据,将海冰密集度<75%作为冰间湖的判据;而对数值模拟结果,确定海冰密集度<70%为冰间湖的判据.据此讨论白令海4个区域的冰间湖形成过程,与卫星数据进行比较,大部分冰间湖得到很好的模拟.深入讨论了影响冰间湖模拟准确度的主要因素,认为选用恰当的阈值、提高气象强迫场的空间和时间分辨率有助于提高模拟效果.对部分海域的冰间湖模拟效果不佳,需要发展冰海耦合模式才能最终解决.     

南极海冰与气候

在极区,海冰的形成在海洋上部和大气下部之间构成了新的交界面,改变了大洋表面的辐射平衡和能量平衡,隔离了海洋与大气之间的热交换和水汽交换;海冰冻融过程影响着大洋温、盐流的形成和强度;海冰对南大洋和南极大陆气象、气候有重要的影响,在气候环境系统中起着重要的作用。南极海冰作用区约占南半球雪冰作用区面积的58%,约占地球表面积的3.58%。其中,一年生海冰约占南极海冰区分布面积的83%;其分布面积从夏末2月份最小时的3×106 km2左右,到9月份冬末最大时的18×106 km2左右,一年中季节变化幅度可达15×106 km2,季节变化率>500%。海冰分布区域的年际变化较大。南极海冰区是影响季节和年际全球气候环境变化的重要区域。当前,国际南极海冰与气候研究的核心问题是海冰物理过程和在海冰区的海洋—大气相互作用。结合目前承担的研究课题,对国际南极海冰与气候研究的前沿动态和相关的国际计划进行了综述。     

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。     

基于光滑质点流体动力学的海冰热力-动力数值模式

考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素的不足,具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动力学的基本原理,并对海冰生消的热力因素进行了分析,将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动力学的海冰动力模式中,得到该热力-动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了48 h数值模拟,得到了海冰厚度和速度矢量的分布规律;对JZ20-2海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行了讨论。数值模拟结果表明,该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟,是一种有效的海冰数值模拟方法。     

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。     

极地海冰的研究及其在气候变化中的作用

极地海冰作为全球气候系统的一个重要组成部分,通过影响大洋表面的辐射平衡、物质平衡、能量平衡以及大洋温、盐流的形成和循环而影响全球气候变化.从最初研究极地海冰的强度和承载力到目前海/冰/气相互作用全球气候耦合模型的建立,使海冰变化和全球气候变化紧密结合起来.这些研究领域主要有:海冰及其表层雪的物理特性和过程、海冰区域生态特征、海冰区与气候相关的反照率和物质平衡研究以及海冰气候耦合模型等大的领域.模拟显示,21世纪因为全球变暖,南北极海冰都将减少.海冰和全球气候系统其它要素之间的相互作用问题、极地海冰的厚度季节性区域性分布问题、极地海冰边界及范围变化趋势问题、生消关键过程及其影响因素问题、冰间湖的作用以及海气相互作用等将是未来重要的研究方向.     

1997-2005年北极东西伯利亚海海冰变化特征研究

近年来北冰洋气候系统发生了显著变化,海冰面积减小和厚度变薄是最主要的特征.利用美国国家冰中心的1997—2005年东西伯利亚海海冰密集度数据,研究了该海域海冰覆盖率的多年变化特征.结果表明:1997—2001年海冰冰情偏重,2002—2005年海冰冰情明显减轻,尤其是2005年,海冰面积覆盖率创密集度为近几年最低值.海冰融冰期长度和海冰面积覆盖率最小值与海冰面积指数的相关系数在置信水平为0.95时分别达到-0.90236和0.9098,海表负积温与海冰面积指数的相关系数达到-0.7424.近年来东西伯利亚海海面风场的偏南风有加强趋势,有利于海冰的北向运移和暖空气北上,造成海冰面积持续减小.河流径流量在9a中整体呈现增长趋势,与海冰具有很好的负相关性.     

白令海楚科奇海的海冰范围变化特征

白令海和楚科奇海位于北极太平洋一侧的海冰外缘线附近,具有较强烈的气冰海相互作用.采用滑动t检验和小波分析方法对白令海和楚科奇海1953—2004年海冰范围的年际变化、年代际变化和总体趋势变化进行分析.结果表明:20世纪70年代后期,海冰范围在白令海存在显著的均值突变现象,而楚科奇海在对应阶段则表现为更明显的变频现象;在突变点前后两个时段里,阿留申低压中心低压加强、核心位置偏移以及对应风场分布的变化是导致白令海海冰范围明显缩小的主要动力原因.楚科奇海海冰范围的年际变化中存在由低频向高频变化的现象,该现象除了在局地气温变化中存在之外,在北冰洋区域风涡度、波弗特海纬向风、东西伯利亚海经向风等动力因素中也有所体现.因此,除热力因素外,动力因素引起的海冰的平流与该变频现象也存在一定的联系.     

格陵兰海海冰外缘线变化特征分析

格陵兰海作为北冰洋的边缘海之一,容纳了北极输出的海冰,其海冰外缘线的变化既受北极海冰输出量的影响,也受局地海冰融化和冻结过程的影响。利用2003年1月到2011年6月AMSR-E卫星亮温数据反演的海冰密集度产品,对格陵兰海海冰外缘线的变化特征进行了分析。结果表明,格陵兰海海冰外缘线不仅存在一年的变化周期,还存在比较显著的半年变化周期,与海冰在春秋两季向岸收缩有关。格陵兰海冬季的海冰外缘线极大值呈逐年下降的趋势,体现了北极增暖导致的冬季海冰范围减小;而夏季海冰外缘线离岸距离的极小值呈上升趋势,表明夏季来自北冰洋的海冰输出量增大。2003—2004年是格陵兰海夏季海冰融化最严重的2年。2007年北冰洋夏季海冰覆盖范围达到历史最小;而格陵兰海夏季的最小海冰范围最大,表明2007年北冰洋海冰的输出量大于其他年份。此外,夏季格陵兰岛冰雪融化形成的地表径流对海冰外缘线有一定的影响。对海冰外缘线影响最大的不是格陵兰海的局地风场,而是弗拉姆海峡(Fram Strait)区域的经向风,它直接驱动了北冰洋海冰向格陵兰海的输运,进而对格陵兰海海冰外缘线的分布产生滞后的影响。     

基于IceBridge数据的南极别林斯高晋海的海冰厚度研究

海冰变化与全球气候、 生态系统和人类活动密切相关, 海冰厚度是海冰变化研究的重要参数之一。全面立体高精度观测海冰厚度的最有效手段是航空遥感, 而冰桥计划（IceBridge）是当前南北极最大的航空遥感工程。基于2009 - 2014年冰桥计划的激光雷达高程数据和数字测图系统相机光学影像对南极别林斯高晋海的海冰厚度进行研究, 并结合降雪量等气象数据探讨该区域海冰厚度变化的原因。研究发现该海域的海冰厚度在2009 - 2014年间整体呈微弱增长趋势（0.07 m·a^-1）, 但是在95%置信水平下不具有显著性。2009 - 2011年呈现先增加后减少的大幅度变化, 其中2010年达到极大值2.42 m, 之后开始缓慢增加。海冰厚度的年际变化与降雪和近地表温度等气象要素相关, 二者相比较而言降雪为主要影响因素。     

A Study of Monitoring,Simulation and Climate Impact of Greenland Ice Sheet

Greenland Ice Sheet is one of the two largest ice sheets on the planet. Under the background of climate warming, the melting of the Greenland ice sheet and its contribution to sea level rise has become an international hot issue. The whole melting of the Greenland ice sheet can cause the global sea level to rise by about 7.3 meters. However, the dynamic mechanism that affects the mass balance of ice sheet is still unclear and is the greatest uncertainty source for predicting the rise in sea level in the future. The National Key Research and Development Program of China “A Study of the Monitoring, Simulation and Climate Impact of Greenland Ice Sheet” conducts monitoring and simulation studies on the key processes of instability of the “ice sheet-outlet glacier-sea ice” system, and establishes a satellite-airborne-ground integrated observation system, supporting the numerical simulation and impact research of the ice sheet and its surrounding sea ice, laying the foundation for long-term monitoring and international cooperation in Greenland. This program will work to reduce the uncertainty of sea level change projections by improving the ice sheet dynamic model forced by the ice core records, reveal the driving mechanism of sea ice changes around the ice sheet, focusing on the Northwest Passage, evaluate and forecast the navigation window period. The results of the project will deepen the understanding of the changes and impacts of the Arctic cryosphere, serve the safe navigation and operation of the Northwest Passage, and provide scientific support for the comprehensive risk prevention of coastal zones in China.     

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。     

基于CryoSat-2卫星测高数据分析南极海冰厚度的时空变化

利用卫星测高数据能够获取大尺度、长时序的海冰厚度信息。相较于北极,目前南极海冰厚度特别是近期变化信息仍很缺乏。基于2013-2018年的CryoSat-2卫星测高数据,采用最低点高程法和静力平衡方程模型反演了近6年逐月平均海冰厚度并分析其时空变化规律。结果表明：2013-2018年南极海冰厚度整体呈现先上升后下降的趋势,其中,2014-2017年年平均海冰厚度表现为快速变薄。南极较厚的海冰集中在威德尔海西南海域,最大值出现在该海域2014年的7月（6.27 m）。年平均海冰厚度在2017年达到最低值。南极海冰厚度的时空变化研究可为深入研究海冰变化与全球变化的关系提供参考。     

北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应

自20世纪70年代以来,全球气温持续增高,对北极产生了深刻的影响。21世纪以来,北极的气温变化是全球平均水平的2倍,被称为"北极放大"现象。北极海冰覆盖范围呈不断减小的趋势,2012年北极海冰已经不足原来的40%,如此大幅度的减退是过去1 450年以来独有的现象。科学家预测,不久的将来,将会出现夏季无冰的北冰洋。全球变暖背景下北极内部发生的正反馈过程是北极放大现象的关键,不仅使极区的气候发生显著变化,而且对全球气候产生非常显著的影响,导致很多极端天气气候现象的发生。北极科学的重要使命之一是揭示这些正反馈过程背后的机理。北极放大有关的重大科学问题主要与气—冰—海相互作用有关,海冰是北极放大中最活跃的因素,要明确海冰结构的变化,充分考虑融池、侧向融化、积雪和海冰漂移等因素,将海冰热力学特性的改变定量表达出来。海洋是北极变化获取能量的关键因素,是太阳能的转换器和储存器,要认识海洋热通量背后的能量分配问题,即能量储存与释放的联系机理,认识淡水和跃层结构变化对海气耦合的影响。全面认识北极气候系统的变化是研究北极放大的最终目的,要揭示气—冰—海相互作用过程、北极海洋与大气之间反馈的机理、北极变化过程中的气旋和阻塞过程、北极云雾对北极变化的影响。在对北极海冰、海洋和气候深入研究的基础上,重点研究极地涡旋罗斯贝波的核心作用,以及罗斯贝波变异的物理过程,深入研究北极变化对我国气候影响的主要渠道、关键过程和机理。     

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。