气候系统模式对于北极海冰模拟分析

利用全球耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)模拟试验的结果,并与观测资料对比分析,评估了CMIP5模式对北极海冰的模拟效果。结果表明:多数模式可以较好地模拟出北极海冰的空间分布以及季节变化特征。1979—2005年北极海冰迅速减少,所有模式均模拟出北极海冰减少的趋势,但减少趋势大小与观测差别较大。在全球变化的背景下,全球地表气温升高1℃,北极海冰的面积减少1.02×106km2,而在模式中减少的北极海冰面积在0.62×106—1.68×106km2之间,说明模式对于北极海冰的模拟仍然存在很多不确定性。     

南极海冰快速下降历史事件的时空特征分析

卫星记录以来,南极海冰范围发生5次快速下降事件,研究这5次事件的时空特征,对进一步认识海冰快速下降事件的物理机制具有重要意义。基于海冰范围和海冰密集度的卫星数据,从时间和空间两个维度总结5次南极海冰快速下降事件的特征,再结合大气和海洋各项环境因素的再分析数据,探讨海冰快速下降的影响因素及其驱动过程。结果显示:南极海冰快速下降的空间分布存在季节性差异, 2021年8～12月以及2016年8～12月的春季南极海冰快速下降由别林斯高晋海、威德尔海、印度洋和西太平洋区域的海冰减少所主导; 2010年12月至2011年4月以及1985年12月至1986年4月的夏季南极海冰快速下降由威德尔海、罗斯海沿岸和西太平洋区域的海冰减少所主导;2008年4～8月的冬季南极海冰快速下降则由别林斯高晋海和西太平洋的部分区域的海冰减少所主导。探究影响海冰的环境因素发现,海表面温度和海表面净热通量对海冰减少的热力效应影响具有区域性差异。此外,南极海冰快速下降受阿蒙森低压的影响,相应的海表面风异常既通过经向热输运的热力效应导致海冰减少,也通过风的动力效应驱动海冰漂移使得海冰密集度降低。     

CICE5.0与BCC_CSM2.0模式的耦合及对北极海冰的模拟评估

本文将美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式CICE5.0引入国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0,替代原有的海冰模式SIS,形成一个新的耦合模式。在此基础上,评估新耦合模式对1985-2009年北极海冰的模拟性能,检验引入CICE5.0后对耦合模式中北极海冰、海洋和大气模拟结果的改进。结果表明,引入CICE5.0后,模式能较好地模拟出北极海冰的空间分布、季节以及年际变化特征。相比于旧版本耦合模式,新耦合模式模拟的北极多年冰增多、一年冰减少,同时,海冰增厚、海冰流速减慢,模拟效果得到显著改进,对波弗特涡流模拟的改善尤为明显。进一步分析发现,相比于SIS,CICE5.0对北极海冰特别是海冰厚度模拟性能的提升,在耦合进入BCC_CSM2.0后,会触发冰-温的正反馈机制,改进了模式对海平面气压场、表层气温和海表温度的模拟,由此进一步提高了模式对北极海冰的模拟能力。     

溢油污染的渤海海冰反射光谱特征实测研究

Oil spilled on the sea ice surface in the Bohai Sea of China is studied through the field measurements of the reflectance of a simulated sea ice-oil film mixed pixel. The reflection characteristics of sea ice and oil film are also analyzed. It is found that the mixed pixel of sea ice and oil film is a linear mixed pixel. The means of extracting sea ice pixels containing oil film is presented using a double-band ratio oil-film sea-ice index(DROSI) and a normalized difference oil-film sea-ice index(NDOSI) through the analysis of the reflectance curves of the sea iceoil film pixel for different ratios of oil film. The area proportion of the oil film in the sea ice-oil film pixel can be accurately estimated by the average reflectance of the band of 1 610–1 630 nm, and the volume of the spilled oil can be further estimated. The method of the sea ice-oil film pixel extraction and the models to estimate the proportion of oil film area in the sea ice-oil film pixel can be applied to the oil spill monitoring of the ice-covered area in the Bohai Sea using multispectral or hyperspectral remote sensing images in the shortwave infrared band(1 500–1 780 nm).     

2008年夏季西北冰洋表层水浮游植物群落结构的色素表征及其对不同水团的响应

本文依托2008年夏季中国第三次北极科学考察航次,对西北冰洋海盆区和楚科奇海陆架营养盐及光合色素进行了测定和分析。根据海水理化性质将研究海区分为5个区,并使用CHEMTAX软件（Mackery et al.,1996）讨论了西北冰洋不同海区浮游植物群落组成结构及其与环境因子之间的关系。结果显示在楚科奇海陆架区,太平洋入流显著影响浮游植物生物量和群落结构。高营养盐Anadyr水团以及白令陆架水控制海域,表现出高Chl a且浮游植物以硅藻为主,相反,低营养盐如阿拉斯加沿岸流控制海域,Chl a生物量低且以微型,微微型浮游植物为主。在外陆架海区,海冰覆盖情况影响着水团的物理特征及营养盐浓度水平,相应地显著影响浮游植物群落结构。在海冰覆盖区域,硅藻生物量站到总Chl a生物量的75%以上;在靠近门捷列夫深海平原海区,受相对高盐的冰融水影响（MW-HS）,营养盐浓度和Chl a浓度相对海冰覆盖区略高,浮游植物结构中微型、微微型藻类比重增加,硅藻比例则降至33%;南加拿大海盆无冰海区（IfB）,表层水盐度最淡,营养盐浓度最低,相应地显示出低Chl a生物量,表明海冰消退,开阔大洋持续时间延长,将导致低生物量及激发更小型浮游植物的生长,并不有利于有机碳向深海的有效输出。     

辽河口海冰压缩强度基本特性分析

海冰的压缩强度是海冰最主要的力学特性.针对辽河口附近海域海冰的压缩强度指标,2014~2015年冬季于辽河口附近采样并进行室内测试.内容包括单轴压缩强度实验、侧限压缩强度实验、变尺寸压缩强度测试.实验表明辽河口海冰压缩强度受应变速率、卤水体积影响显著.侧限压缩实验要比单轴压缩实验所得结果略大.不同高宽比的试样在相同应变速率的前提下压缩强度变化不明显,尺寸影响不显著.     

基于CryoSat-2数据的海冰厚度估算算法比较

以北极为研究区,使用CryoSat-2数据,利用现有海冰厚度卫星测高研究中4种主流算法(Laxon03算法、Kurtz09算法、Yi11算法和Laxon13算法)分别对北冰洋海冰厚度进行估算,并将估算结果与研究区IceBridge机载激光测高冰厚数据进行了比较,探索各算法海冰厚度估算的差异,寻找最优的估算算法,为估算长时序海冰厚度提供基础和参考。结果表明,4种算法估算的海冰厚度空间分布较为一致,但不同算法估算的结果差异较大,可达0.476 m;4种算法估算结果大小依次为Laxon03算法、Yi11算法、Laxon13算法、Kurtz09算法;4种算法估算的平均海冰厚度差异,在北极波弗特海海域最大,其次是北极中心海域、格陵兰和挪威海;Laxon13算法估算结果相对于IceBridge观测结果与其他算法相比,具有最小的平均偏差和均方根误差,是卫星测高估算海冰厚度的最优算法。     

南极海冰密集度多源数据的交叉检验

通过研究交叉检验船测样点上的7种不同尺度的海冰密集度数据,发现相同时间和相同空间尺度的海冰密集度值吻合度最高,不同时间不同尺度的海冰密集度值的相关性较弱。由数据获取时间不同引起的密集度差异在高分辨率数据上体现明显。真实船测点与伪船测点之间的吻合度不高,受观测者主观因素、天气条件、影像处理质量和伪船测点提取方法的影响。虽然伪船测点方法在海冰边界研究中具有快速、大面积提取边界点的优势,但需要控制提取算法中的误差传播。     

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。     

北极海冰的气候变化与20世纪90年代的突变

应用英国Had ley气候研究中心1968~2000年的1°×1°的北半球逐月海冰密集度资料,使用EOF分解等统计方法,探讨北极海冰的气候变化趋势、海冰的突变、海冰的季节持续性和各季的特色。结果表明:(1)自1968年以来,北极海冰的减小是北半球海冰变化的总趋势;海冰的趋势变化在海冰的年际总变化中占有相当重要的地位,可达50%左右。冬春季主要减少区域在格陵兰海、巴伦支海和白令海;夏秋季海冰减少是唯一趋势,中心在北冰洋边缘的喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海、波弗特海。(2)20世纪80年代中后期北极海冰已出现减小趋势,在20世纪90年代,海冰又出现范围和面积的突然减少,中心在格陵兰海和巴伦支海;即海冰减少是加速的,其变化程度已远远超过一般的自然变化。(3)海冰有很好的季节持续性,有很强的隔季相关,也有较好的隔年相关;各季节海冰分布型之间有很好的联系,表现为海冰分布型的总体变化趋势是一致的,在海冰的减少中也体现了分布型的特征。