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%。     

基于FY-3C微波辐射计数据的极区海冰密集度反演方法研究

极区海冰影响大气和海洋环流,对全球气候变化起着重要的作用。海冰密集度是表征海冰时空变化特征的重要参数之一。本文研究了利用FY-3C微波扫描辐射计亮温数据反演极区海冰密集度的方法。经过时空匹配、线性回归,修正了FY-3C微波辐射计亮温数据。使用两种天气滤波器和海冰掩模滤除了大气影响所造成的开阔海域虚假海冰;使用最小密集度模板去除陆地污染效应。通过计算2016年、2017年极区海冰面积及范围两个参数,对得到的海冰密集度产品进行了验证,两年的海冰范围和面积趋势基本与NSIDC产品一致,平均差异小于3%。本研究结果为发布我国自主卫星的极区海冰密集度业务化产品奠定了基础,制作的产品可保障面临中断的40多年极区海冰记录的连续性。     

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。     

基于多策略的极地遥感反演模型集成研究

极地遥感反演模型是极地研究的一种非常重要的工具.遥感反演模型对极地研究具有重要性,分析遥感反演模型的特点,以持续性、业务化、统一调用为目标,提出极地遥感反演模型集成应用架构.基于该集成方案,提出基于多策略的模型改造方法,并从三个方面详细论述模型的集成模式.基于可执行程序的模型改造方法对模型进行改造,采用应用端的模型集成...     

基于海冰密集度遥感数据的波弗特海海冰时空变化研究

采用美国冰雪数据中心(NSIDC)的日尺度与月尺度海冰密集度数据,将海冰密集度为15%作为阈值确定海冰外缘线位置,提取波弗特海海域的海冰外缘线,计算波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积,然后通过海冰范围与海冰外缘线的年际变化与季节变化来分析波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征与趋势。实验结果表明,1978—2015年波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积整体变化趋势一致,减少趋势显著。37年来,海冰密集度平均每年减少约0.3%,海冰范围平均每年减少3 235 km2,海冰面积平均每年减少5 084 km2。海冰密集度在1979—1996年无明显减少趋势,1996—2015年减少趋势明显。波弗特海海冰范围一般在9月达到最小值,在11月至次年5月维持在最大值(全冰覆盖状态);海冰面积一般在9月达到最小值,在12月或者1月达到最大值。海冰范围最小值出现时间有延迟的趋势,全冰覆盖状态具有起始时间越来越晚、终止时间越来越早、持续时间越来越短的趋势,平均持续天数为212 d。     

2009年春夏季北极海冰运动及其变化监测

极地海冰对全球气候变化具有指示作用,北极海冰监测对全球气候环境变化研究意义重大。利用中国第3次北极科学考察（CHINARE-2008）长期冰站获取的海冰物质平衡浮标数据和MODIS影像对北极海冰运动及其变化进行监测。结果表明MODIS影像分类得到的海冰密集度效果较好,海冰与海水之间界线清晰。4月16日至30日长期冰站在自西北向东南的漂移过程中,海冰逐渐分裂,密集度下降,速度总体上不断减小。4月30日至5月19日期间海冰密集度变化比较大,尤其是5月8日,海冰密集度突然升高。结合对漂移轨迹的分析发现,这可能是受大风、洋流等因素影响,海冰产生回旋运动导致的。5月19日至7月6日海冰密集度上升,在格陵兰岛附近海冰运动受地形影响产生聚集现象,因此在该区域海冰密集度呈现上升趋势。     

基于Radarsat-2 SAR图像分类与HY-2微波辐射计反演获取北极海冰密集度的比较研究

在北极东北航道东西伯利亚海和楚科奇海交汇的关键区域,利用四景2012年北极夏季Radarsat-2 SAR海冰图像,通过图像分类提取了海冰密集度;同时采用NASA TEAM算法,基于海洋二号(HY-2)卫星扫描微波辐射计亮温数据反演了对应区域的海冰密集度;并引入美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的SSMIS海冰密集度产品进行了对比研究。通过不同来源海冰密集度数据的分析发现HY-2、SAR和SSMIS的结果在4个研究区域上的分布趋势基本吻合;但在海冰边缘区,由SAR图像分类得到的海冰密集度高于HY-2和SSMIS的反演结果,说明了高分辨率的SAR图像在监测边缘区小尺寸浮冰上有优势。三种数据中,原始分辨率相同(25 km)的HY-2与SSMIS的结果最为相近,而HY-2同SAR的相关性与SAR同SSMIS的相关性一致。在冰边缘,HY-2的反演值偏低于SAR和SSMIS的结果,这是受该处较高水汽含量影响的结果,也是未来发展HY-2微波辐射计反演算法需要重点改进的地方。     

基于AMSR-E数据的多年冰密集度反演算法研究

In recent years, the rapid decline of Arctic sea ice area(SIA) and sea ice extent(SIE), especially for the multiyear(MY) ice, has led to significant effect on climate change. The accurate retrieval of MY ice concentration retrieval is very important and challenging to understand the ongoing changes. Three MY ice concentration retrieval algorithms were systematically evaluated. A similar total ice concentration was yielded by these algorithms, while the retrieved MY sea ice concentrations differs from each other. The MY SIA derived from NASA TEAM algorithm is relatively stable. Other two algorithms created seasonal fluctuations of MY SIA, particularly in autumn and winter. In this paper, we proposed an ice concentration retrieval algorithm, which developed the NASA TEAM algorithm by adding to use AMSR-E 6.9 GHz brightness temperature data and sea ice concentration using 89.0GHz data. Comparison with the reference MY SIA from reference MY ice, indicates that the mean difference and root mean square(rms) difference of MY SIA derived from the algorithm of this study are 0.65×106 km2 and0.69×106 km2 during January to March, –0.06×106 km2 and 0.14×106 km2 during September to December respectively. Comparison with MY SIE obtained from weekly ice age data provided by University of Colorado show that, the mean difference and rms difference are 0.69×106 km2 and 0.84×106 km2, respectively. The developed algorithm proposed in this study has smaller difference compared with the reference MY ice and MY SIE from ice age data than the Wang's, Lomax' and NASA TEAM algorithms.     

多源数据检验南极AMSR-E海冰密集度产品精度

根据船测方法在MODIS影像上提取模拟船测海冰密集度,并与船测数据联合验证AMSR-E海冰密集度产品。结果表明,AMSR-E海冰密集度与模拟船测海冰密集度的一致性高于其与船测海冰密集度,且相同时间、相同尺度下的海冰密集度之间一致性较高,不同时间、相同尺度下的海冰密集度之间存在不同程度的差异。     

近1000年来西格陵兰荷尔斯泰因斯堡港生物硅指示的海洋生产力变化

We analyzed the biogenic silica(BSi) content and produced a diatom-based summer sea-surface temperature(SST) reconstruction for sediment core GC4 from the Holsteinsborg Dyb, West Greenland. Our aim was to reconstruct marine productivity and climatic fluctuations during the last millennium. Increased BSi content and diatom abundance suggest relatively high marine productively during the interval of AD 1000–1400, corresponding in time to the Medieval Warm Period(MWP). The summer SST reconstruction indicates relatively warm conditions during AD 900–1100, followed by cooling after AD 1100. An extended cooling period during AD 1400–1900 is characterized by prolonged low in reconstructed SST and high sea-ice concentration. The BSi values fluctuated during this period, suggesting varying marine productivity during the Little Ice Age(LIA).There is no significant correlation between the BSi content and SST during the last millennium, suggesting that the summer SST has little influence on marine productively in the Holsteinsborg Dyb. A good correspondence between the BSi content and the element Ti counts in core GC4 suggests that silicate-rich meltwater from the Greenland ice sheet was likely responsible for changes in marine productively in the Holsteinsborg Dyb.