2010—2011年冬季渤海海冰数值预报

简要介绍了2010—2011年冬季渤海的天气与冰情,总结了该年度海冰数值预报情况,客观检验结果表明数值预报保证率满足业务预报精度要求。     

渤海冬季海冰反照率变化

渤海海冰对于大尺度气候变化比较敏感,基于CLARA-A1-SAL数据分析了1992~2008年冬季（12、1、2月）渤海海冰区域反照率的时空变化,同时分析了海冰密集度、海冰外延线面积和海水表面温度的变化与海冰反照率的相互关系。渤海海冰区域反照率随时间波动变化且变化趋势不明显,趋势线斜率仅为0.0388%。年际变化在9.93%~14.5%之间,平均值为11.79%。海冰反照率在1999,2000和2005等重冰年的值明显高于其他年份,在1994,1998,2001和2006等轻冰年的值较低。从单个月份反照率来看,12月海冰反照率的增加趋势（趋势线斜率0.0988%）明显高于1月和2月,1月的海冰反照率平均值（12.9%）高于另外两个月份。海冰反照率和海冰密集度呈明显的正相关关系;和海表面温度呈负相关关系（显著性水平90%）。     

2005～2006年冬季渤海海冰数值预报

本文概述2005-2006年冬季渤海冰情。介绍该冬季业务化海冰数值预报工作和应用PIC模式开展海冰数值后报试验,其业务化海冰数值预报的客观检验结果满足业务预报精度指标。     

海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。     

渤海及黄海北部冰情长期变化趋势分析

统计分析上世纪50年代—2010年渤海及黄海北部海冰资料,对其年代际变化特征进行分析。上世纪50年代—90年代冰情总体呈缓解的趋势,2000年以来冰情略有加重。研究发现太阳活动与渤海及黄海北部冰情变化关系密切,太阳活动可能是渤海及黄海北部冰情长期变化重要影响因素。如果太阳黑子的周期长度比上一个周期长,那么周期内冰情较上一个周期严重。反之亦然。     

南极普里兹湾海冰数值模拟试验

海冰在全球气候的变化过程中,具有举足轻重的作用。在气候模拟中,海冰预报的准确性直接影响到对气候的中、长期预测。海冰的成长和消融受诸多物理过程控制,其中海冰的热力过程是最重要因素之一。     

渤海海冰淡化利用研究进展与问题

海冰是低温条件下的海水冻结物,在我国渤海,每年冬季有4个月左右的结冰期,形成大范围的海冰。海冰具有灾害性,常对冬季海上运输及海洋生产构成危害,但因其含盐量较低,海冰还具有资源性,有可能以较低成本转化为淡水。自1995年以来,我国学者开展了渤海海冰淡化利用研究,在国家有关项目的大力支持下,已在海冰资源特性、资源量估算、海冰淡化技术和海冰水农业利用等方面均取得了一系列重要的研究进展。本文是对这些研究进展及尚需解决问题的综述。     

The estimate of sea ice resources quantity in the Bohai Sea based on NOAA/AVHRR data

The research on sea ice resources is the academic base of sea ice exploitation in the Bohai Sea. According to the ice-water spectrum differences and the correlation between ice thickness and albedo, this paper comes up with a sea ice thickness inversion model based on the NOAA/AVHRR data. And then a sea ice resources quantity (SIQ) time series of Bohai Sea is established from 1987 to 2009. The results indicate that the average error of inversion sea ice thickness is below 30%. The maximum sea ice resources quantity is about 6 × 10 9 m 3 and the minimum is 1.3 × 10 9 m 3 . And a preliminary analysis has been made on the errors of the estimate of sea ice resources quantity (SIQ).     

Influence of dynamic factors on ice rafting

Theoretical analysis and numerical simulation have been applied to researching the effect of wave, current and wind on the ice rafting. The analytical results show that wave is the key factor for ice fracture. The process of ice rafting is simulated using the discrete element method. The simulated results show that the distortion or flexure breakage happens firstly, then followed by ice rafting. The comprehensively analysed results show that the ice is easily rafted on the simultaneity action of wave, current and wind, and the action of wave can't be ignored. Moreover, the rafted ice length increases with the enhancive force of ocean current and wind.     

Numerical simulation for dynamical processes of sea ice

ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｄｙｎａｍｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｅａｉｃｅＷｕＨｕｉｄｉｎｇ，ＢａｉＳｈａｎ，ＺｈａｎｇＺｈａｎｈａｉａｎｄＬｉＧｕｏｑｉｎｇ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＭａｙ１６，１９９６；ａｃｃｅｐｔｅｄＪａｎｕａｒｙ...     

基于MODIS 影像渤海2012 年海冰变化分析

海冰是影响渤海冬季海运的严重灾害,研究年度周期内海冰时空变化具有重要意义。依据研究内容选择11期具有代表性的中分辨率成像光谱仪(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)影像数据,采用ENVI(The Environment for Visualizing Images)软件进行预处理,利用目视解译方法提取海冰面积与空间位置信息,采用ArcGIS软件制作了海冰时空变化图、海冰结冻与融化过程变化图。最后,对海冰面积变化、海冰结冻与融化过程进行了详细分析。研究结果表明,利用MODIS影像进行年度周期内海冰变化分析技术方法是可行的。     

渤海和北极海冰组构及晶体结构特征分析

渤海一年冰的组构和晶体结构表现出的冰的非连续生长速率使得冰层底部具有气泡含量不同的许多分层;静水生长的灰冰具有典型的粒状冰和柱状冰;融化-重冻结冰和重叠冰具有特定的晶体结构.位于北冰洋72°24.037'N,153°33.994'W,长2.2m的冰心样为三年冰,并且发现其内有一种新的晶体类型,定义为碎屑凝聚冰.由位于北冰洋74°58.614'N,160°31.830'W,长4.86m的冰心样的晶体结构分析发现它过去为冰脊,后经融化-冻结改造形成冰丘的证据.     

基于高光谱遥感的渤海海冰厚度半经验模型

Sea ice thickness is one of the most important input parameters for the prevention and mitigation of sea ice disasters and the prediction of local sea environments and climates. Estimating the sea ice thickness is currently the most important issue in the study of sea ice remote sensing. With the Bohai Sea as the study area, a semiempirical model of the sea ice thickness(SEMSIT) that can be used to estimate the thickness of first-year ice based on existing water depth estimation models and hyperspectral remote sensing data according to an optical radiative transfer process in sea ice is proposed. In the model, the absorption and scattering properties of sea ice in different bands(spectral dimension information) are utilized. An integrated attenuation coefficient at the pixel level is estimated using the height of the reflectance peak at 1 088 nm. In addition, the surface reflectance of sea ice at the pixel level is estimated using the 1 550–1 750 nm band reflectance. The model is used to estimate the sea ice thickness with Hyperion images. The first validation results suggest that the proposed model and parameterization scheme can effectively reduce the estimation error associated with the sea ice thickness that is caused by temporal and spatial heterogeneities in the integrated attenuation coefficient and sea ice surface. A practical semi-empirical model and parameterization scheme that may be feasible for the sea ice thickness estimation using hyperspectral remote sensing data are potentially provided.     

渤海海冰的年际和年代际变化特征与机理

根据1951-2013年间的渤海冰情等级资料,利用最大熵谱分析、相关分析和合成分析等方法,研究了渤海冰情等级的年际和年代际变化特征,探讨了局地气候、大气环流、ENSO(El Nio-Southern Oscillation)和太平洋年代际振荡(PDO)对海冰的影响。结果表明,渤海海冰具有明显的年际和年代际变化特征,并在1972年前后发生了一次由重到轻的气候跃变,在跃变后冰情较跃变前平均降低了0.7级。相关分析与合成分析结果显示,渤海冰情的年际变化除受局地气候的影响外,还受西太平洋副热带高压(副高)、极涡和欧亚环流的共同调控,特别在1972年以后,秋季副高、冬季欧亚和亚洲纬向环流对渤海冰情的年际变化均有重要影响,可作为渤海海冰预报的重要因子,而春季PDO、ENSO、冬季副高及欧亚和亚洲经向环流则是渤海冰情年代际变化的影响因素。     

海冰动力学过程的数值模拟

讨论了海冰动力学性质并阐述决定海冰漂移的动量平衡,冰脊和水道形成及确定冰应力与形变、强度之间关系的海冰流变学.提出了模拟海冰动力学过程的数值模式,模式中冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰3种要素表示.在这3要素的预报方程中引入形变函数,采用一种参数化方法模拟冰脊和水道.为了表示冰内相互作用,将海冰作为一种非线性粘性可压缩物质,采用粘-塑性本构关系.本文还概述和讨论了模式中所采用的数值方法,应用此模式模拟了渤海、波罗的海的波的尼亚湾和拉布拉多海的冰漂移.渤海冰漂移模拟结果明显地显示出潮周期变化,还模拟了渤海的冰脊和水道,进行了海冰流变学参数的敏感性试验.并将此冰模式与大气模式和边界层模式联接,给出渤海海冰预报结果.     

渤海冰情与老虎滩水温的关系

本文对2000～2004年连续5年冬季老虎滩水温与渤海冰面积数据进行统计分析,得到渤海海冰面积与老虎滩水温的回归关系,对冬季海冰预报具有一定的参考意义。     

渤海海冰中太阳辐射的光谱特征观测研究

通过采用多光谱仪器,对渤海营口港一带的近岸固定冰进行了3个站位11个谱段的入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间变化过程的观测和研究。结果表明,发生在海冰中的反射辐射和透射辐射与入射太阳辐射的谱分布有明显差别,而且有显著的日变化。文章确立了入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间的变化与太阳高度角的正弦成精确的线性关系,海冰的积分反照率与太阳高度角的正弦满足二次函数关系,可将不同时刻的观测值归算到正午时刻的辐射值,使不同时刻的观测结果具有可比性。计算结果表明,海冰只衰减特定强度的辐射,衰减量与入射辐射光谱分布以及辐射的强度无关,导致绿光的透射辐射最强。该文是对渤海海冰透射辐射的初步尝试,所获得的结果对未来大范围海冰光学观测打下了基础。     

逐步回归分析在渤海海冰等级预报中的应用

根据1951—2013年渤海海冰等级资料,利用最大熵谱法分析了渤海海冰等级的周期,结果表明渤海海冰具有明显的年际和年代际变化特征,其主要周期为2—7年和11年。相关分析及逐步回归分析表明:渤海海冰的年际变化与西太平洋副高面积及北界指数、太平洋副高面积指数、亚洲区极涡面积指数以及南方涛动指数都有显著的相关关系。利用逐步回归分析方法建立的海冰预报模型经过拟合和试预报都得到了很好的结果,具有较高的可信度。     

海冰热力模式的辐射参数化方案在渤海和波罗的海应用的比较

研究了海冰热力模式中的各种辐射参数化方案,对比了模式计算的太阳短波辐射、大气长波辐射以及海冰热力变化,并利用渤海和波罗的海观测资料进行比较和误差分析.冬季大部分时间太阳短波辐射对海冰热力过程的作用有限.简单计算方案一般满足海冰模式要求.误差主要受云和冰雪表面与大气之间的多重反射影响.长波辐射对表面热平衡和海冰质量变化起重要作用.长波辐射参数化方案的计算结果受环境因素影响.云量参数化有待进一步改进.海冰模式计算结果的精度与长波辐射计算精度有一致性.     

Landsat-8 与GF-1 卫星渤海海冰探测能力对比研究

为更有效地利用Landsat-8和GF-1卫星进行渤海海冰监测,从海冰检测和海冰类型识别两方面,开展Landsat-8与GF-1卫星的渤海海冰探测能力对比分析研究。实验研究表明,在海冰检测方面,GF-1区分海冰与海水的能力强于Landsat-8;在海冰类型识别方面,Landsat-8识别海冰类型的能力要强于GF-1影像。初步讨论了综合利用Landsat-8与GF-1卫星监测渤海海冰的方案。