MOSAiC现场观测期间海冰厚度季节变化模拟误差分析

北极气候研究多学科漂流观测计划(Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate, MOSAiC)于2019年10月至2020年9月开展,期间获得了变量完整的大气、海洋、海冰厚度及积雪厚度观测,为海冰模式的发展提供了新的契机。本研究利用两个完整观测时段(2019年11月1日至2020年5月7日、2020年6月26日至7月27日)的大气和海洋强迫场,驱动一维海冰柱模式ICEPACK,模拟了MOSAiC期间海冰厚度的季节演变,同海冰厚度观测进行了对比,并诊断分析了海冰厚度模拟误差的原因。结果表明,在冬春季节,模式可以再现海冰厚度增长过程,但由于模式在春季高估了积雪向海冰的转化及对海冰物质平衡的贡献,模拟的春季海冰厚度偏厚。在夏季期间,2种热力学方案及3种融池方案的组合都表明模式高估了海冰表层的消融过程,导致模拟结束阶段的海冰厚度偏薄。我们的研究表明,使用变量完整的MOSAiC大气和海洋强迫场可以诊断目前海冰模式中的问题,为海冰模式的改进奠定基础。

定点冰厚观测新技术研究

冰厚是冰科学和冰工程研究中最关键的物理指标之一,为满足定点冰厚观测不同需要,发展了3种定点冰厚观测新技术。结合它们的测量原理及其现场或实验室的应用结果,论述了它们的适用性和各自的优点。基于磁致伸缩原理的冰厚测量仪现场测量精度达±2 mm,解决了制约海冰热力学模式向精细发展的"瓶颈"问题;电阻式冰厚测量仪比利用温度廓线推求冰厚的技术更加可靠,且具有自动测量冰川表面物质平衡,进行河道、湖泊以及水库冰厚观测时同时监测其冰下水位的潜力;热电阻丝冰厚测量装置制作简单廉价、使用方便、数据可靠,在中国北方小型水文站广泛推广是适合的。

南极中山站附近海域固定冰的夏季变化

利用中国第21、22次南极科学考察(2004/2005、2005/2006)对中山站附近海域固定冰物理特性系统观测的结果,特别是依据其中2005年11月下旬至2006年1月下旬的现场实测数据详细分析了中山站附近海域固定冰消融过程物理性质的变化特征。结果表明:此区域固定冰从11月下旬开始消融,融冰期为62 d;同时,融冰期冰下水体温度迅速升高;在不断增强的太阳短波辐射和海洋热通量作用下,海冰温度也逐渐上升,并出现"相对冷中间层";热力和动力外强迫作用下,2005年12月18日—2006年1月14日期间此区域固定冰边缘线后退了20.9 km;另外,2005年12月18日固定冰边缘区走航冰厚监测结果还表明,边缘区海冰厚度在向岸方向有明显的增加趋势,并且随着接近海岸海冰厚度的离散程度逐渐减小。

南极中山站附近固定冰生消过程观测

2005～2006年对南极中山站附近固定冰区海冰生消过程进行了系统观测。基于观测数据比较了2005年和2006年冰季固定冰生消过程的差异,分析了冰厚增长速率的日内变化和季节变化,讨论了积雪对固定冰生消的影响。2005年尽管冰生长期的负积温较大,但由于雪厚较大,其冰厚增长速率和最大冰厚都小于2006年的观测值;极夜期间冰厚增长速率的日内变化不明显,但极夜前和极夜后都存在明显的日内变化;中山站以北16km范围内的冰/雪厚度随离岸距离没有明显的变化趋势,但冰脊形成和冰山存在都会对局部的冰/雪厚度分布产生较大影响。

夏季北冰洋浮冰-水道热力学特征现场观测研究

中国第3次北极科学考察期间于2008年8月20-28日首次开展了浮冰-水道系统热力学特征的现场观测。观测结果表明,观测期间气温低于0℃,调查区域正从消融期向生长期过渡,至8月23日水道逐渐封冻。之后表层薄冰对应320—950nm区间的总反照率为0.46(±0.03),水道内水温垂向梯度逐渐减小,水道内和冰底的水温逐渐下降。至8月底,浮冰底部进入融冰末期;侧部仍处于融冰期,平均融冰速率对应的平均融解潜热通量为21(±6)W/m2;对观测区的海冰而言,至8月下旬,相对于底部和表面的生消,侧部融化对其物质平衡贡献较大。

东南极中山站附近湖冰与固定冰热力学过程比较

2006年对东南极中山站附近湖冰和固定冰的热力学过程进行了系统观测。基于观测数据比较湖冰和固定冰热力学生消过程;分析湖冰和固定冰温度对气温变化的响应规律;计算不同深度层湖冰和固定冰的垂向热传导通量。结果表明:观测的湖泊和海岸区均在2月底至3月初形成连续冰层;湖冰9月底至10月初达到最大冰厚,早于固定冰1—2个月,湖冰最大冰厚在156—177 cm之间,固定冰最大冰厚在167—174 cm之间;湖冰和固定冰温度相对气温变化均存在高频衰减和相对滞后,随着深度增大其高频衰减和相对滞后均有所增大,其中固定冰更为明显,这导致相同深度的海冰垂向热传导通量小于湖冰的相应值;融冰期,固定冰脱盐过程导致其融点温度有所升高,从而出现冰温高于当地海水冻结温度的现象。

磁致位移传感器冰雪厚度测量仪原理及其应用

基于磁致伸缩原理的位移传感器具有高精度、高稳定性、多位置测量的特点,据此研制了一种能同时测量冰/雪表面和冰底面变化的接触式冰雪厚度测量仪.该仪器被应用到低温实验室冰厚和南极固定冰区冰雪厚度的测量中.实验室历时540h,测量精度±0.13cm;现场应用持续6个月,测量精度±0.20cm.高精度的测量数据,特别是现场测量数据,为分析冰厚变化的细微过程提供了基础,为深入研究气-冰-海耦合过程,完善海冰热力学数值模型提供了支持.另外,该仪器还能为冰工程领域的研究提供技术支持.

利用CCD成像技术进行渤海海冰观测探讨

利用CCD成像技术进行走航海冰观测是国际南极科学委员会海冰过程与气候项目制定的南极海冰观测方法的一部分。本文介绍了利用CCD成像技术进行海冰观测及其图像信息提取的基本原理,分析了该项技术在南北极海冰走航观测应用实践中的成功经验及问题所在,讨论了南北极与渤海冰情和调查作业环境的差异,探讨了利用CCD成像技术进行渤海海冰观测的应用前景。

全球气候变化对我国海岸和近海工程的影响

全球气候变暖导致北半球中高纬度海冰冰情变化、海平面上升以及台风和风暴潮等自然灾害强度和频率加大等事件的发生。在全球气候变暖的大背景下,我国渤海和北黄海的冰情持续偏轻,2006年中国海域平均海平面上升速度高于全球水平。从我国海岸和近海工程安全与未来规划和建设的角度论述了全球气候变化及其伴生事件可能带来的各种影响,并提出了相应的应对措施。

我国参与MOSAiC气候多学科漂流冰站计划的概况

0前言与中低纬度相比,北极气候变暖呈现放大效应。在过去40年里,北极表面气温在各个季节都有不同程度的增温趋势,其中秋冬尤为突出。《巴黎协定》指出,各方将加强对气候变化威胁的全球应对,把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃之内而努力。北极地区的升温幅度已经超过了《巴黎协定》设定的全球尺度的阈值。正是因为北极近地面气温的升高,北极海冰呈现快速减少的趋势,北极的大气、海洋和陆地环境也随之发生诸多不可逆的变化,北极成为了全球气候变化的震中。

极地海冰浮标的现状与应用综述

海冰是气候系统的一个重要组成要素,原位观测是获取海冰特征参数以及开展海冰变化研究的重要手段。本文主要对以海冰为目标和平台的极地浮标的发展与应用进行综合阐述,简述了国际北极浮标计划和国际南极浮标计划的发展情况,以七种常用的浮标对极区海冰、大气和上层海洋等物理参数的监测为例归纳总结了海冰浮标的系统特性和技术特点,最后结合近年海冰浮标的应用情况,从技术发展和研究目标等方面讨论了极地海冰浮标未来发展的方向与趋势。

2010年春季南极固定冰反照率变化特征及其影响因子

2010年春季至夏季在中山站附近的固定冰面开展了固定冰反照率观测.在春夏过渡期,观测期间的表面反照率呈下降趋势,平均反照率从9月的0.80下降到12月的0.62,整个观测期间的平均值为0.70.雪厚是影响反照率变化的重要因子,融化前期的反照率受表面温度影响较大,干雪期反照率对表面温度并不敏感.降雪可通过增加表面雪厚和减小表面积雪粒径显著增加反照率,云层则可通过吸收入射太阳光中的近红外波段增加反照率,降雪和阴天反照率可比晴天观测平均增加0.18和0.06;吹雪则可通过改变积雪光学厚度导致反照率发生显著变化.受太阳天顶角变化和积雪变性的共同影响,晴天或少云时的反照率在上午随太阳天顶角呈准线性递减,下午则几乎不发生变化;最高值、最低值分别出现在凌晨和下午.本文提出了一组分别表述厚干雪、薄干雪和湿雪反照率日变化的参数化方案,通过太阳天顶角的线性函数隐式考虑进了积雪变性的影响.相比常数反照率方案,该参数化方案能有效提高对反照率日变化的估算能力.

“雪龙”号科考船在冰区航行的船体振动测量研究

船舶在冰区航行时,船体会受到多种类型激振力的作用而产生不同程度的结构振动。船体振动会对船体结构安全以及船上人员的正常工作产生不利影响。船体结构振动的现场测量可较为准确地分析船体振动的基本特性,确定船体振动与外界荷载因素的对应关系。在2015—2016年中国第32次南极科学考察过程中,对"雪龙"号极地科学考察船的冰激振动开展了现场测量。本研究对比了船体在无冰区和冰区航行过程中的船体振动变化,分析了船体在不同航速、冰厚以及不同破冰航行方式下的振动规律。测量结果表明:船体冰激振动随着航速和冰厚的增加而显著增大;在船体采用冲撞式破冰时横向振动最为明显,而在连续式破冰时,垂向振动最为明显。以上研究可为冰区航行中船体振动的现场监测技术提供有益参考,并有助于分析海冰对船体振动规律的影响。

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)期间布放的海冰物质平衡浮标所获取的数据和MODIS影像,对北极海冰运动及其变化进行监测。结果表明利用MODIS影像反演的海冰密集度图像效果较好,对海冰和海水的判别精度高。海冰密集度及其漂移速度总体都呈下降趋势,两者的变化存在相关关系。海冰自西北向东南方向的运动轨迹与2009年北极年平均海面风成流的环流模式基本一致,同时海冰表面的冰间水道主要呈西北—东南走向,说明海冰总体的运动变化受到风场和洋流的影响。通过对海冰密集度异常值和海冰运动轨迹细节的研究,得出海冰表面形态和密集度的变化也主要与风和洋流有关,此外,还有来自地形条件的直接和间接的影响。

北极海冰的光谱特征分析

北极海冰对全球气候变化有着举足轻重的作用,它的快速变化及其影响是国内外关注的焦点。采用ASD FieldSpec 3便携式地物光谱仪,在2010年中国第4次北极科学考察的长期冰站观测期间对不同类型的海冰进行了野外光谱测量,系统分析了光谱特征。结果表明积雪覆盖海冰的光谱反射率最高,裸露海冰其次,表层消融的海冰(有融池)最低。厚雪、薄雪、湿雪、雪晶的光谱曲线峰谷特征明显,基本都随波长的增加反射率降低。天然海冰、白冰、蓝冰的反射率随波长的变化基本一致,反射率居于中等,灰冰的反射率远低于天然海冰、白冰和蓝冰。分析北极海冰的波谱特性,探索北极海冰的定量遥感研究,进而分析其对全球变暖的响应,具有重要的科学意义。

海水物质平衡浮标对北冰洋中心区海冰温度与物质平衡的观测

利用中国第3次北极科学考察所布放海冰物质平衡浮标(Ice Mass-Balance buoy,IMB)的观测数据,分析了北冰洋中心区多年冰2008年8月—2009年7月温度与物质平衡的变化特征。结果表明,冰温廓线呈现明显的季节变化,秋季降温过程从海冰表面开始向冰体内部传播。海冰底部的生长/消融率受海水温度控制,随水温的降低,在2月初达到的最大值为1.7 cm/d;在2008年10月中旬至2009年6月下旬为海冰的生长期内,海冰底部平均生长率为0.6 cm/d,海冰底部厚度增长量为160.3 cm;海冰底部的消融较海冰表面约有1个月的滞后。分析海面风场对海冰漂移的影响显示,海冰漂移速率约为风速的2.13%。

北极夏季海冰反照率的观测和数值模拟试验

在中国第3次北极科学考察浮冰站开展了积雪/海冰反照率观测。本文对观测结果进行了分析,并结合一维高分辨雪/冰模式（HIGHTSI）对3个常用的反照率参数化方案在天气尺度的表现进行了评估。观测期间测站反照率变化范围0.75~0.85,其天气尺度变化同天气和表面冰、雪状况紧密相关,降雪和吹雪过程可改变表面积雪厚度及水平分布,进而显著影响反照率。考虑雪、冰厚度变化时,模式能很好的再现反照率的变化趋势,但难以准确模拟出反照率的日变化。

辽东湾近岸堆积冰表面形态特征分析

2005年1月在辽东湾盘锦市附近的海滨进行了堆积冰表面形态的现场调查。使用全站仪测量了5条不同起伏程度的堆积冰表面轮廓剖面,利用表面起伏高度数据和表面轮廓线在平均高度处的切角数据分析了堆积冰表面形态特征。对堆积冰区内的3个冰脊进行了内部层状结构观测,外部破碎冰块尺寸测量和1个冰脊涨、落潮时表面高度变化测量。利用这些数据,描述了冰脊内的分层结构;统计分析了冰脊外表层的破碎冰块尺寸并得到描述它们的主要参数值。此外,对冰脊涨、落潮时的表面形态进行了三维仿真绘图并计算了其表面形态参数。

融冰期北极海冰单轴压缩强度的试验研究

为了评估融冰期北极海冰的单轴压缩强度,其中在中国第七次北极科学考察期间,现场钻取冰芯,测量冰层温度、盐度、密度和晶体结构;在低温实验室内将冰芯加工成标准试样并测量单轴压缩强度,其中试验应变速率为10^(-7)～10^(-2)s^(-1),温度分别为-3℃、-6℃和-9℃,加载方向为垂直冰面加载。试验结果表明:融冰期北极海冰表现出高温、低盐、低密度的物理性质;随应变速率增加,单轴压缩强度先增加再降低最后稳定,试样破坏形态由主裂缝贯穿转变为产生较多微裂缝;随孔隙率增加,单轴压缩强度降低。试验建立了以应变速率和孔隙率评估海冰单轴压缩强度的计算模型,通过冰层物理参数计算孔隙率,给出了融冰期北极冰层垂直方向的极限单轴压缩强度参考值。

夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究

2012年11月—2013年4月中国第29次南极科学考察期间,针对南极夏季固定冰单轴压缩性质开展了研究。使用冰芯钻直接在平整冰层钻取力学试样,取样冰厚为149 cm,其中颗粒冰、柱状冰和片状冰分别占采样冰芯总长度的15.4%、72.5%和12.1%;单轴压缩试样只采用柱状冰部分,加工好的力学冰样尺寸为直径9 cm,长度为18 cm;共设置5个试验温度(-2、-4、-6、-8和-10℃),加载应变速率在10-6—10-2s-1。利用统计方法分析试验结果,建立了南极夏季海冰单轴压缩强度与孔隙率和应变速率的关系式,以及综合考虑应变速率和温度影响下的单轴压缩强度定量表达式;同时,基于分形理论对单轴压缩试样破碎块分布规律进行了分析,结果显示碎块长度分形维数随着温度和应变速率的降低有增大趋势。在特别低应变速率下海冰试样整体发生蠕变时,无法采用分形方法讨论海冰内部破碎程度。