CMIP6计划中我国地球气候系统模式北极海冰空间分布的模拟评估

世界气候研究计划(WCRP)正在组织实施第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)。本文选取了参加CMIP6的9个中国大陆地球气候系统模式的北极海冰输出结果与同时段海冰遥感观测数据进行比较,评估了各个模式1980年至2014年北极海冰密集度和其长期趋势的空间分布。研究表明,所有的模式都可以较好地模拟出3月北极海盆海冰的分布情况,误差主要分布在海冰边缘地区,其中鄂霍茨克海的中部以及巴伦支海地区误差最大,最高值可达90%。与3月相比,模式对9月海冰空间分布的模拟效果不佳,在北极海盆地区以及海冰边缘地区均存在15%以上的误差。在海冰密集度长期趋势空间分布方面,3月,9个模式总体高估了海冰下降区的海域面积,在鄂霍茨克海、巴伦支海以及格陵兰海北部海域为模式误差大值区(大于50%)。模式在模拟9月海冰下降趋势的区域及量级上较3月都有更大的偏差。另外,9个模式对海冰密集度多年平均季节变化的模拟能力与其对长期趋势的模拟能力有一定关联,对海冰密集度季节变化模拟准确的模式,其海冰长期趋势的模拟也较接近观测。海冰分量模式中参数化方案的改进可以明显提高模式的模拟能力。

北极夏季海冰表面积雪层内水分含量的时空分布

根据中国第二次北极科学考察实测雪冰温度剖面数据,用一维热传导方程描述雪层温度场,优化辨识了雪层有效热扩散系数和热源。将零热源项作为积雪层中含水和不含水雪层的边界,确定出相应含水和不含水雪层的有效热扩散系数。结合干雪、水物理参数建立雪层内含水量的评估方法并给出北极夏季雪冰温度测试期间雪层内水分含量与温度的关系以及水分变化的时空分布。

华北地区夏季旱涝的时空分布特征及其与北极海冰的关系

采用了 1 951— 1 999年 6— 8月华北地区 1 7个站点的降水资料 ,利用 Z指数作为旱涝指标 ,确定出该区域的严重涝年为 1 954、1 956、1 96 3、1 96 4、1 971、1 973和1 996年 ;严重旱年为 1 96 8、1 972、1 983、1 986、1 989、1 992、1 997和 1 999年。分析了华北地区夏季旱涝的年代际变化特征 ,然后对该地区 4 9a的 Z指数场进行 EOF分析 ,讨论了华北地区夏季旱涝的空间分布特征。最后分析了华北夏季降水与春季北极海冰的关系 ,结果表明华北夏季降水与春季北极海冰呈正相关关系。春季北极海冰面积偏大 (小 ) ,当年夏季华北大部分地区偏涝 (旱 )。

北极楚科奇海海冰特征研究——以1999年夏季为例

对北冰洋楚科奇海海冰分布、厚度、气 /冰 /海界面温度场观测 ,钻取海冰冰芯 ,观测冰结构的变化 ,发现 3种海冰组合结构 :1)表面融化型 ;2 )表面和底部融化型 ;3)整体融化型 .海冰结构形成的热力学过程为 :在气 /冰界面上 ,海冰上表面吸收辐射能使冰体升温 ,出现表面融化 ;在冰 /海水界面上 ,海冰盘与开阔水域的相间分布、相对运动 ,将周围温度较高的水体输送到海冰的底部 ,加热、融化海冰底部 ;冰体升温 ,冰晶间盐水膜首先融化 ,分离冰晶 ,破坏海冰整体结构 .冰的相变吸热 ,使其温度维持在融点 。

基于船基图像的北极冰面融池形态研究

基于中国第12次北极科学考察期间获取的船侧倾斜拍摄海冰图像,研究了北极冰面融池大小和形态参数的空间分布及统计特征。应用自动检测算法将图像划分为水、冰、融池三种表面类别,经倾斜校正后计算每种类别的面积分数及单个融池的大小和形态。结果显示,融池的面积分数随纬度升高先增大后减小,较短的融化时间和较早的再冻结导致高纬度地区融池面积分数一直较低。融池的面积、周长和平均钳测直径随纬度升高具有相似变化规律,均为先增大后减小。不同大小融池面积的频率分布与幂律函数相吻合,对应指数均在1.4~1.8范围内,具有一定相似性。融池的分形维数随纬度升高分布较均匀,而周长与面积比值随纬度变化较大。不同纬度融池边缘凸度与圆形的对应值π相差较大,而各纬度融池圆度平均值为2.39±0.23;融池圆度和凸度与其面积成正比,周长与面积比值则与融池面积成反比,表明融池边缘随着融池面积增加而变得更长更曲折。冰面融池变化引起的平均海表反照率空间差异较大,随着纬度升高在0.24~0.67之间变化,变化率为0.10(°N)^(-1)。本文研究的融池大小和形态参数可为融池演变模拟及遥感反演算法改进提供重要观测依据和地面验证。

不同敏感性参数下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应

基于我国第七次北极科学考察获得的夏季北极海冰空间分布情况,模拟真实碎冰分布,采用LS-DYNA软件中的流固耦合方法,研究在船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度等因素影响下船舶-碎冰碰撞的船体结构响应。结合试验数据得到船体结构的应力、吸能和碰撞力。结果表明:船舶-碎冰的主要碰撞区域为艏部及舷侧的水线附近;在船舶航行于碎冰域时,船体结构的应力、吸能和碰撞力的峰值随碎冰域的船舶航速、碎冰尺度、碎冰厚度及碎冰密集度的增加而增加,但分布情况不同。研究结果为船舶在极地冰区航行提供一定的安全性参考。