2021年 第43卷 第7期
2021, 43(7): 1-10.
doi: 10.12284/hyxb2021119
摘要:
近几十年来，在全球变暖背景下，北极海冰不断减少，但南极海冰却在小幅增加。正当人们试图解释南极海冰这一“变暖悖论”时，2016年末南极海冰范围却突然跌破纪录，达到历史最低。其中，12月海冰减少范围最大，达到2.13\begin{document}$ \times $\end{document} ![]()
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近几十年来，在全球变暖背景下，北极海冰不断减少，但南极海冰却在小幅增加。正当人们试图解释南极海冰这一“变暖悖论”时，2016年末南极海冰范围却突然跌破纪录，达到历史最低。其中，12月海冰减少范围最大，达到2.13
2021, 43(7): 11-22.
doi: 10.12284/hyxb2021151
摘要:
南极海冰是全球气候系统的重要组成部分。不同于北极海冰的快速减少，近40年来，南极海冰范围在2014年前是缓慢增加、后是突变减少。单一的大尺度大气环流因素无法解释南极海冰的长期变化趋势，海洋−大气相互作用对海冰的耦合影响还未得到充分研究。受南极海冰厚度遥感观测和数值模拟能力所限，现有数据仍无法准确量化全球变化背景下南极海冰的厚度和体积变化；目前南极海冰变化的气候效应还未充分明确。当前国内外对南极海冰研究的不足迫切要求发展长期可靠的南极海冰厚度数据，以突破南极海冰体积变化研究的难题，同时应综合考虑多气候模态和海气系统耦合的作用，研究南极海冰变化的机制及其气候效应。
南极海冰是全球气候系统的重要组成部分。不同于北极海冰的快速减少，近40年来，南极海冰范围在2014年前是缓慢增加、后是突变减少。单一的大尺度大气环流因素无法解释南极海冰的长期变化趋势，海洋−大气相互作用对海冰的耦合影响还未得到充分研究。受南极海冰厚度遥感观测和数值模拟能力所限，现有数据仍无法准确量化全球变化背景下南极海冰的厚度和体积变化；目前南极海冰变化的气候效应还未充分明确。当前国内外对南极海冰研究的不足迫切要求发展长期可靠的南极海冰厚度数据，以突破南极海冰体积变化研究的难题，同时应综合考虑多气候模态和海气系统耦合的作用，研究南极海冰变化的机制及其气候效应。
2021, 43(7): 23-34.
doi: 10.12284/hyxb2021111
摘要:
南极印度洋扇区分布了许多南极底层水的生成区，此海域海水盐度变化对全球的气候变化有着深远影响。本文采用EN4再分析数据、实测海豹资料和WOD18数据，结合大气再分析和海冰密集度数据，对南极印度洋扇区表面盐度长期变化及其对大尺度环流异常的响应进行探究。2008年以来，南极沿岸出现显著的海表面持续性高盐异常，其中印度洋扇区变化最为显著，表层高盐水主要集中在达恩利冰间湖附近与沙克尔顿冰架以北的海域。沿岸海域的高盐陆架水向北扩张且影响深度不断加深，高盐的绕极深层水上涌也更加明显。此高盐异常与南极涛动(Antarctic Oscillation，AAO)、印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole，IOD)两种大尺度环流密切相关。AAO与IOD正位相下，西风显著增强，促进海冰大量生成，为海表面提供了大量的盐通量。同时，海表面出现更显著的风场旋度负异常与低压异常，促进高盐深层水上涌，对高盐异常有重要维持作用。此外，纬向风剪切与蒸发增强也是影响该高盐异常的重要局地过程。
南极印度洋扇区分布了许多南极底层水的生成区，此海域海水盐度变化对全球的气候变化有着深远影响。本文采用EN4再分析数据、实测海豹资料和WOD18数据，结合大气再分析和海冰密集度数据，对南极印度洋扇区表面盐度长期变化及其对大尺度环流异常的响应进行探究。2008年以来，南极沿岸出现显著的海表面持续性高盐异常，其中印度洋扇区变化最为显著，表层高盐水主要集中在达恩利冰间湖附近与沙克尔顿冰架以北的海域。沿岸海域的高盐陆架水向北扩张且影响深度不断加深，高盐的绕极深层水上涌也更加明显。此高盐异常与南极涛动(Antarctic Oscillation，AAO)、印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole，IOD)两种大尺度环流密切相关。AAO与IOD正位相下，西风显著增强，促进海冰大量生成，为海表面提供了大量的盐通量。同时，海表面出现更显著的风场旋度负异常与低压异常，促进高盐深层水上涌，对高盐异常有重要维持作用。此外，纬向风剪切与蒸发增强也是影响该高盐异常的重要局地过程。
2021, 43(7): 35-51.
doi: 10.12284/hyxb2021147
摘要:
本文利用PHC、ECCO2、SODA、GECCO3和CMIP6资料，分析了北冰洋热含量的水平分布特征、季节变化和长期变化趋势等，评估了CMIP6模式对北冰洋海洋热含量的模拟能力。研究发现，北冰洋海洋热含量表现出明显的季节变化：热含量在4月份最低，9月份最高；在历史情形下(1850−2014年)，相较观测和再分析资料，CMIP6多模式集合平均(MME)的上层500 m热含量在格陵兰海偏暖，在挪威海、巴伦支海和欧亚海盆偏冷，MME的全水深热含量在北冰洋几乎所有区域均偏暖，在格陵兰海偏差最大；CMIP6模式对北冰洋温度剖面模拟偏差较大，MME平均温度在1 000 m以深均高于观测和再分析资料。在未来情形下(2015−2100年)，MME表现出明显的北冰洋增暖情形，但绝大多数中国模式没有表现出明显的增暖情形。中国模式中，BCC-CSM2-MR和BCC-ESM1对北冰洋年平均热含量的模拟较差，CIESM对热含量季节和年代际变化模拟较差，FIO-ESM-2-0对北冰洋上层500 m年平均热含量及热含量季节和年代际变化的模拟都比较好。
本文利用PHC、ECCO2、SODA、GECCO3和CMIP6资料，分析了北冰洋热含量的水平分布特征、季节变化和长期变化趋势等，评估了CMIP6模式对北冰洋海洋热含量的模拟能力。研究发现，北冰洋海洋热含量表现出明显的季节变化：热含量在4月份最低，9月份最高；在历史情形下(1850−2014年)，相较观测和再分析资料，CMIP6多模式集合平均(MME)的上层500 m热含量在格陵兰海偏暖，在挪威海、巴伦支海和欧亚海盆偏冷，MME的全水深热含量在北冰洋几乎所有区域均偏暖，在格陵兰海偏差最大；CMIP6模式对北冰洋温度剖面模拟偏差较大，MME平均温度在1 000 m以深均高于观测和再分析资料。在未来情形下(2015−2100年)，MME表现出明显的北冰洋增暖情形，但绝大多数中国模式没有表现出明显的增暖情形。中国模式中，BCC-CSM2-MR和BCC-ESM1对北冰洋年平均热含量的模拟较差，CIESM对热含量季节和年代际变化模拟较差，FIO-ESM-2-0对北冰洋上层500 m年平均热含量及热含量季节和年代际变化的模拟都比较好。
2021, 43(7): 52-62.
doi: 10.12284/hyxb2021149
摘要:
利用我国第6～9次北极科学考察期间获取的大气探空资料，分析了北极季节冰区边界层逆温的时空变化特征及其成因。分析发现：(1)边界层逆温具有较强的年际变化和空间变化，高纬度密集冰区观测到更多的强逆温现象，逆温厚度与逆温层温差呈显著的对数关系；(2)不同年份边界层逆温的主要成因有所差别：海冰分布的差异导致不同年份的边界层逆温特征不同；表面融化、辐射冷却、多层云的结构和暖平流对不同冰情年份边界层逆温的贡献程度不同；(3)开阔水域和冰区边界层逆温的成因不同。表面融化和空气平流对冰区边界层逆温的形成起着非常重要的作用，而辐射冷却是开阔水域边界层逆温的主要成因之一。
利用我国第6～9次北极科学考察期间获取的大气探空资料，分析了北极季节冰区边界层逆温的时空变化特征及其成因。分析发现：(1)边界层逆温具有较强的年际变化和空间变化，高纬度密集冰区观测到更多的强逆温现象，逆温厚度与逆温层温差呈显著的对数关系；(2)不同年份边界层逆温的主要成因有所差别：海冰分布的差异导致不同年份的边界层逆温特征不同；表面融化、辐射冷却、多层云的结构和暖平流对不同冰情年份边界层逆温的贡献程度不同；(3)开阔水域和冰区边界层逆温的成因不同。表面融化和空气平流对冰区边界层逆温的形成起着非常重要的作用，而辐射冷却是开阔水域边界层逆温的主要成因之一。
2021, 43(7): 63-74.
doi: 10.12284/hyxb2021101
摘要:
基于Icepack一维海冰柱模式，以2014年中国第6次北极科学考察长期冰站ICE06的3个融池的辐射参量和气象参量的连续观测作为大气强迫数据，对融池反照率及相关参量进行了模拟。本文引入观测的融池深度及海冰厚度作为初始条件，通过考虑融池覆盖率的作用，改进了平整冰融池参数化方案中海冰干舷的计算，修正了冰上可允许的最大融池深度，成功实现了对融池参数变化的模拟；同时，还修正了入射辐射分量比例系数与对应反照率分量权重系数不一致的问题。标准试验中，模拟的3个融池的反照率与观测结果之间的平均误差分别为0.01、0.05和0.13；入射辐射比例的敏感性试验结果表明，当可见光辐射比例增大8%时，融池反照率的模拟结果增大了6%～8%；融池表面再冻结试验的结果显示，当再冻结冰层厚度小于2 cm时，模拟冰面反照率的增加不足0.006，由此引起的表面能量收支减少了约1.1 W/m2。本文研究指出，准确的入射辐射比例对于改善北极海冰反照率模拟是必要的；并指出目前模式仍存在融池表面再冻结参数化、热收支计算、表面吹雪效应等有待解决的问题。
基于Icepack一维海冰柱模式，以2014年中国第6次北极科学考察长期冰站ICE06的3个融池的辐射参量和气象参量的连续观测作为大气强迫数据，对融池反照率及相关参量进行了模拟。本文引入观测的融池深度及海冰厚度作为初始条件，通过考虑融池覆盖率的作用，改进了平整冰融池参数化方案中海冰干舷的计算，修正了冰上可允许的最大融池深度，成功实现了对融池参数变化的模拟；同时，还修正了入射辐射分量比例系数与对应反照率分量权重系数不一致的问题。标准试验中，模拟的3个融池的反照率与观测结果之间的平均误差分别为0.01、0.05和0.13；入射辐射比例的敏感性试验结果表明，当可见光辐射比例增大8%时，融池反照率的模拟结果增大了6%～8%；融池表面再冻结试验的结果显示，当再冻结冰层厚度小于2 cm时，模拟冰面反照率的增加不足0.006，由此引起的表面能量收支减少了约1.1 W/m2。本文研究指出，准确的入射辐射比例对于改善北极海冰反照率模拟是必要的；并指出目前模式仍存在融池表面再冻结参数化、热收支计算、表面吹雪效应等有待解决的问题。
2021, 43(7): 75-89.
doi: 10.12284/hyxb2021143
摘要:
积雪具有复杂的时空分布，在高纬度地区的气−冰−海耦合系统中扮演了重要的角色。准确的积雪质量平衡计算可以帮助我们更好地理解海冰演变过程以及极区冰雪与大气之间的相互作用。雪密度是影响积雪质量平衡众多因素中的重要因子。现有的一维高分辨率冰雪热力学模型（如HIGHTSI）中，使用常数块体雪密度均值将降雪雪水当量转化为积雪深度。本文参考拉格朗日冰上积雪模型（SnowModel-LG）模式对积雪分层压实的处理，简化为新、旧两个雪层，并在质量守恒条件下同时考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应，将该物理过程加入HIGHTSI模式中。利用ERA-Interim再分析数据作为大气强迫，针对北极15个冰质量平衡浮标沿其漂移轨迹模拟了降雪积累期海冰表面雪密度变化对积雪深度变化的影响，在原HIGHTSI设置下分别采用定常块体雪密度均值330 kg/m3（T1试验）、接近实际的常数新雪密度200 kg/m3（T2试验）以及改进后框架下新、旧雪层随时间压实增密的雪密度（T3试验）计算积雪深度，并将模拟结果与浮标观测进行对比。结果表明，本文改进的算法对雪密度变化的处理更为合理，且能较好地再现积雪深度的变化；考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应能较好地避免以较低的降雪密度持续过度积累，以浮标观测为标准，分层积雪密度压实计算得到的平均绝对误差相对T2减小了5 cm。
积雪具有复杂的时空分布，在高纬度地区的气−冰−海耦合系统中扮演了重要的角色。准确的积雪质量平衡计算可以帮助我们更好地理解海冰演变过程以及极区冰雪与大气之间的相互作用。雪密度是影响积雪质量平衡众多因素中的重要因子。现有的一维高分辨率冰雪热力学模型（如HIGHTSI）中，使用常数块体雪密度均值将降雪雪水当量转化为积雪深度。本文参考拉格朗日冰上积雪模型（SnowModel-LG）模式对积雪分层压实的处理，简化为新、旧两个雪层，并在质量守恒条件下同时考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应，将该物理过程加入HIGHTSI模式中。利用ERA-Interim再分析数据作为大气强迫，针对北极15个冰质量平衡浮标沿其漂移轨迹模拟了降雪积累期海冰表面雪密度变化对积雪深度变化的影响，在原HIGHTSI设置下分别采用定常块体雪密度均值330 kg/m3（T1试验）、接近实际的常数新雪密度200 kg/m3（T2试验）以及改进后框架下新、旧雪层随时间压实增密的雪密度（T3试验）计算积雪深度，并将模拟结果与浮标观测进行对比。结果表明，本文改进的算法对雪密度变化的处理更为合理，且能较好地再现积雪深度的变化；考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应能较好地避免以较低的降雪密度持续过度积累，以浮标观测为标准，分层积雪密度压实计算得到的平均绝对误差相对T2减小了5 cm。
2021, 43(7): 90-99.
doi: 10.12284/hyxb2021117
摘要:
基于2018年8月至2019年5月布放在北极随海冰漂流的自动气象站和温度链浮标获取的观测数据，分析了北极高纬度区域的大气特征和海冰生消过程。根据海冰的漂移轨迹分为两个阶段分析，第1阶段，海冰主要向东南漂移；第2阶段，海冰主要向东北漂移。第1阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–6.6℃和93%，第2阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–29.3℃和76%，第2阶段平均气压高于第1阶段。海冰的漂移轨迹主要受到波弗特高压外围气流的影响。利用自动气象站漂移轨迹计算得到海冰漂移速度，与美国国家冰雪数据中心海冰漂移速度比较显示，两者纬向速度更为接近。海冰在第1阶段以融化为主，海冰厚度略有减小，8月份海冰生长率为–0.11 cm/d；海冰的生长过程主要发生在第2阶段，1–3月生长率均超过0.9 cm/d，2019年3月海冰生长最快，平均生长率为1.3 cm/d，海冰的增长一直持续至观测结束。
基于2018年8月至2019年5月布放在北极随海冰漂流的自动气象站和温度链浮标获取的观测数据，分析了北极高纬度区域的大气特征和海冰生消过程。根据海冰的漂移轨迹分为两个阶段分析，第1阶段，海冰主要向东南漂移；第2阶段，海冰主要向东北漂移。第1阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–6.6℃和93%，第2阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–29.3℃和76%，第2阶段平均气压高于第1阶段。海冰的漂移轨迹主要受到波弗特高压外围气流的影响。利用自动气象站漂移轨迹计算得到海冰漂移速度，与美国国家冰雪数据中心海冰漂移速度比较显示，两者纬向速度更为接近。海冰在第1阶段以融化为主，海冰厚度略有减小，8月份海冰生长率为–0.11 cm/d；海冰的生长过程主要发生在第2阶段，1–3月生长率均超过0.9 cm/d，2019年3月海冰生长最快，平均生长率为1.3 cm/d，海冰的增长一直持续至观测结束。
2021, 43(7): 100-113.
doi: 10.12284/hyxb2021123
摘要:
随着北冰洋海冰快速减退，气–冰–海系统发生显著变化，波弗特流涡也发生显著变化。本文使用实测资料和海洋大气再分析数据，探讨北冰洋波弗特流涡的长期变化和大气动量输入对波弗特流涡变化的影响。波弗特流涡的长期变化可以分为3个典型时期(1980–1995年，1996–2007年，2008–2018年)。最近时期(2008–2018年)，波弗特流涡平均流涡强度达到4.39×10–7，相较于第1个时期(1980–1995年)，流涡强度增加近2倍，达到稳定的状态。波弗特流涡范围扩大，主体向西北移动；上层海洋斜压性增强。与此同时，上层海洋环流主模态已发生显著转变：1980–1995年，环流主模态为影响整个加拿大海盆的加拿大海盆模态；2008–2018年的主模态则转变为影响整个研究海域的太平洋扇区模态。最近时期，表征气–海之间动量输入的气–海应力显著增加，尤其是夏末秋初的8–10月，与冰–海应力几乎相当。增加的大气动量输入带来平均动能增加，埃克曼泵压效应增强，下盐跃层深度加深，增加的大气动量输入进而导致近年来波弗特流涡的显著增强。加拿大海盆南部是大气动量输入的关键区。
随着北冰洋海冰快速减退，气–冰–海系统发生显著变化，波弗特流涡也发生显著变化。本文使用实测资料和海洋大气再分析数据，探讨北冰洋波弗特流涡的长期变化和大气动量输入对波弗特流涡变化的影响。波弗特流涡的长期变化可以分为3个典型时期(1980–1995年，1996–2007年，2008–2018年)。最近时期(2008–2018年)，波弗特流涡平均流涡强度达到4.39×10–7，相较于第1个时期(1980–1995年)，流涡强度增加近2倍，达到稳定的状态。波弗特流涡范围扩大，主体向西北移动；上层海洋斜压性增强。与此同时，上层海洋环流主模态已发生显著转变：1980–1995年，环流主模态为影响整个加拿大海盆的加拿大海盆模态；2008–2018年的主模态则转变为影响整个研究海域的太平洋扇区模态。最近时期，表征气–海之间动量输入的气–海应力显著增加，尤其是夏末秋初的8–10月，与冰–海应力几乎相当。增加的大气动量输入带来平均动能增加，埃克曼泵压效应增强，下盐跃层深度加深，增加的大气动量输入进而导致近年来波弗特流涡的显著增强。加拿大海盆南部是大气动量输入的关键区。
2021, 43(7): 114-124.
doi: 10.12284/hyxb2021141
摘要:
北极极端气旋过程能够反映北极气候变化特征并对北极水文气象要素的调节具有重要影响，其活动及大气环流形势特征值得关注。利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)与美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)提供的逐日再分析资料定义北极超强气旋(Arctic Super Cyclone, ASC)过程，结合美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)基于NCEP/NCAR再分析资料追踪识别的北半球气旋及特征资料，分析了ASC的活动特征及其大气环流特征。结果表明：判别ASC的北极最低气压5%阈值具有显著的冬季低夏季高的单峰型季节变化特征，冬季ASC的强度远强于夏季；ASC多从大西洋扇区经北欧海−巴伦支海−喀拉海输入到极区，也存在少部分极区原生或太平洋扇区输入；ASC多生成于两大洋急流轴或急流出口区北侧，极少数生成于大陆或中低纬度，且绝大多数在极区消亡难以回到中纬度。极区原生ASC频数占总数约1/3，整体没有显著增减趋势，但长生命史ASC频数以0.49次/(10 a)的趋势增多，表明其持续时间增长。ASC频数与北极涛动(Arctic Oscillation, AO)在冬季相关性很好，其大气环流形势回归场中极区海平面出现低压低温异常，高空极涡加深且两大洋急流偏北，中纬度急流主轴偏弱；ASC的生成发展不仅有利于AO向正位相转变，同时AO正位相下也有利于ASC活动的增强，ASC活动是AO位相变化的潜在指标。
北极极端气旋过程能够反映北极气候变化特征并对北极水文气象要素的调节具有重要影响，其活动及大气环流形势特征值得关注。利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)与美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)提供的逐日再分析资料定义北极超强气旋(Arctic Super Cyclone, ASC)过程，结合美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)基于NCEP/NCAR再分析资料追踪识别的北半球气旋及特征资料，分析了ASC的活动特征及其大气环流特征。结果表明：判别ASC的北极最低气压5%阈值具有显著的冬季低夏季高的单峰型季节变化特征，冬季ASC的强度远强于夏季；ASC多从大西洋扇区经北欧海−巴伦支海−喀拉海输入到极区，也存在少部分极区原生或太平洋扇区输入；ASC多生成于两大洋急流轴或急流出口区北侧，极少数生成于大陆或中低纬度，且绝大多数在极区消亡难以回到中纬度。极区原生ASC频数占总数约1/3，整体没有显著增减趋势，但长生命史ASC频数以0.49次/(10 a)的趋势增多，表明其持续时间增长。ASC频数与北极涛动(Arctic Oscillation, AO)在冬季相关性很好，其大气环流形势回归场中极区海平面出现低压低温异常，高空极涡加深且两大洋急流偏北，中纬度急流主轴偏弱；ASC的生成发展不仅有利于AO向正位相转变，同时AO正位相下也有利于ASC活动的增强，ASC活动是AO位相变化的潜在指标。
2021, 43(7): 125-137.
doi: 10.12284/hyxb2021079
摘要:
本文利用我国极地数值天气预报系统和美国南极中尺度预报系统的存档数据，分析了Dome A至普里兹湾沿岸地区下降风风场的时空分布和大气质量通量，给出了该地区下降风的基本特点。该地区下降风受南极冰盖地形影响强烈，艾默里冰架西侧等陡峭地区风速总体较大；下降风随季节变化较大，冬季的下降风较强。强下降风在前进过程中有绝热增温现象，并给艾默里冰架西部带来近表层升温。下降风风速最大处位于地面以上约100～200 m高度，风速较大地区的下降风在垂直方向上分布较为深厚。下降风在普里兹湾沿岸的表层大气质量通量在时空分布上极不均匀，艾默里冰架西侧的下降风气流较强时，普里兹湾海域有较多的中尺度气旋活动。下降风引发普里兹湾中尺度气旋旋生的过程值得关注，需进一步研究下降风引发中尺度气旋的机理。
本文利用我国极地数值天气预报系统和美国南极中尺度预报系统的存档数据，分析了Dome A至普里兹湾沿岸地区下降风风场的时空分布和大气质量通量，给出了该地区下降风的基本特点。该地区下降风受南极冰盖地形影响强烈，艾默里冰架西侧等陡峭地区风速总体较大；下降风随季节变化较大，冬季的下降风较强。强下降风在前进过程中有绝热增温现象，并给艾默里冰架西部带来近表层升温。下降风风速最大处位于地面以上约100～200 m高度，风速较大地区的下降风在垂直方向上分布较为深厚。下降风在普里兹湾沿岸的表层大气质量通量在时空分布上极不均匀，艾默里冰架西侧的下降风气流较强时，普里兹湾海域有较多的中尺度气旋活动。下降风引发普里兹湾中尺度气旋旋生的过程值得关注，需进一步研究下降风引发中尺度气旋的机理。
2021, 43(7): 138-151.
doi: 10.12284/hyxb2021153
摘要:
利用加拿大环极冰间水道系统研究项目，作者对2007年11月24日至2008年1月26日北极群岛阿蒙森湾海域秋冬季节一年冰的物理和光学性质进行了观测研究。结果显示，观测期间的海冰厚度整体在27～108 cm范围内变化，积雪厚度仅为0～6 cm。海冰温度、盐度和密度在冰内的分布特征为：海冰表层最低温度为–22.4℃，底层最高温度为–2.2℃，冰内温度随深度单调增大；盐度变化范围为3.30～11.70，冰内盐度剖面呈现“C”形，即表层和底层盐度较大，而中间层盐度较小；海冰的平均密度略大，为（0.91±0.03）g/cm3。通过观测人造光源在海冰中的透射辐射谱分布，发现一年冰的光谱透射辐射在490 nm和589 nm处呈明显的双峰结构，但随着海冰厚度的增加，双峰结构逐渐减弱，体现了海冰对于不同谱段辐射能衰减作用的差异。在可见光范围内，裸冰和雪覆冰的吸收率最小值出现在490 nm，在443～490 nm范围内二者的吸收率随波长增大而降低，在490～683 nm范围内二者的吸收率随波长增大而升高，但雪覆冰的吸收率在可见光范围内基本保持不变，体现了雪覆冰吸收率的光谱独立性。一年冰的谱衰减系数随波长呈“U”字形分布，紫光和红光谱段的衰减系数较大，中间谱段的衰减系数较小，589 nm波长的衰减系数最小，为1.7 m–1。将谱衰减系数在可见光范围内积分，得到一年冰的积分漫射衰减系数约为2.3 m–1，略高于多年浮冰的漫射衰减系数1.5 m–1。阿蒙森湾一年冰与加拿大海盆北部多年浮冰辐射光学性质的差异，主要源于陆源物质输入引起的海冰内含物组分的改变，而不同组分对光谱的吸收和散射性质不同，进一步导致了光学性质的整体变化。
利用加拿大环极冰间水道系统研究项目，作者对2007年11月24日至2008年1月26日北极群岛阿蒙森湾海域秋冬季节一年冰的物理和光学性质进行了观测研究。结果显示，观测期间的海冰厚度整体在27～108 cm范围内变化，积雪厚度仅为0～6 cm。海冰温度、盐度和密度在冰内的分布特征为：海冰表层最低温度为–22.4℃，底层最高温度为–2.2℃，冰内温度随深度单调增大；盐度变化范围为3.30～11.70，冰内盐度剖面呈现“C”形，即表层和底层盐度较大，而中间层盐度较小；海冰的平均密度略大，为（0.91±0.03）g/cm3。通过观测人造光源在海冰中的透射辐射谱分布，发现一年冰的光谱透射辐射在490 nm和589 nm处呈明显的双峰结构，但随着海冰厚度的增加，双峰结构逐渐减弱，体现了海冰对于不同谱段辐射能衰减作用的差异。在可见光范围内，裸冰和雪覆冰的吸收率最小值出现在490 nm，在443～490 nm范围内二者的吸收率随波长增大而降低，在490～683 nm范围内二者的吸收率随波长增大而升高，但雪覆冰的吸收率在可见光范围内基本保持不变，体现了雪覆冰吸收率的光谱独立性。一年冰的谱衰减系数随波长呈“U”字形分布，紫光和红光谱段的衰减系数较大，中间谱段的衰减系数较小，589 nm波长的衰减系数最小，为1.7 m–1。将谱衰减系数在可见光范围内积分，得到一年冰的积分漫射衰减系数约为2.3 m–1，略高于多年浮冰的漫射衰减系数1.5 m–1。阿蒙森湾一年冰与加拿大海盆北部多年浮冰辐射光学性质的差异，主要源于陆源物质输入引起的海冰内含物组分的改变，而不同组分对光谱的吸收和散射性质不同，进一步导致了光学性质的整体变化。
2021, 43(7): 152-161.
doi: 10.12284/hyxb2021145
摘要:
海冰融化过程以正反馈的形式影响着海洋的热量吸收，对北极生态环境的变化和经济活动的开展起着重要作用。基于1979–2018年北冰洋逐日海冰密集度数据，本文综合考虑不同海域海冰冰况等因素，对北冰洋边缘海海冰消退起始时间的判别方法进行了改进。通过不同的方案对比分析表明，改进后的方法能够反映不同海域、不同年份冰情的变化；并且可消除一些天气扰动现象的干扰，避免过早地判别消退起始时间。应用本方法分析发现北冰洋各边缘海消退起始时间存在提前的趋势，与融化起始时间的提前趋势较为一致。但是不同海域提前程度存在明显差异，喀拉海和楚科奇海提前消退的趋势最强，达到了9 d/(10 a)，而东西伯利亚海消退提前趋势最弱，只有4 d/(10 a)，区域间的差异逐渐增大。海冰消退起始时间存在显著的年际差异，各边缘海的标准差均在15 d左右，近10年中消退最早与最晚之间的差值最大可达50 d，出现在波弗特海。
海冰融化过程以正反馈的形式影响着海洋的热量吸收，对北极生态环境的变化和经济活动的开展起着重要作用。基于1979–2018年北冰洋逐日海冰密集度数据，本文综合考虑不同海域海冰冰况等因素，对北冰洋边缘海海冰消退起始时间的判别方法进行了改进。通过不同的方案对比分析表明，改进后的方法能够反映不同海域、不同年份冰情的变化；并且可消除一些天气扰动现象的干扰，避免过早地判别消退起始时间。应用本方法分析发现北冰洋各边缘海消退起始时间存在提前的趋势，与融化起始时间的提前趋势较为一致。但是不同海域提前程度存在明显差异，喀拉海和楚科奇海提前消退的趋势最强，达到了9 d/(10 a)，而东西伯利亚海消退提前趋势最弱，只有4 d/(10 a)，区域间的差异逐渐增大。海冰消退起始时间存在显著的年际差异，各边缘海的标准差均在15 d左右，近10年中消退最早与最晚之间的差值最大可达50 d，出现在波弗特海。
2021, 43(7): 162-172.
doi: 10.12284/hyxb2021115
摘要:
融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存，三者融化速率是底面大于侧向，侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小，侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案，在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样，开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验，获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据，构建试样直径厚度比这一新指标，通过物理分析和数学统计手段，建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度，侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案，期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。
融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存，三者融化速率是底面大于侧向，侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小，侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案，在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样，开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验，获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据，构建试样直径厚度比这一新指标，通过物理分析和数学统计手段，建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度，侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案，期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。
2021, 43(7): 173-182.
doi: 10.12284/hyxb2021107
摘要:
利用RADASAT-2的海冰SAR图像，分别采用Prewitt、Sobel和Canny边缘检测算子计算图像范围内的海冰周长，分析不同图像分辨率、不同边缘检测算子分别对周长计算结果产生的影响。结合冰层侧向融化速率参数化方案进行了海冰侧向融化温度敏感性模拟实验，分析了图像重构分辨率对海冰侧向融化结果的影响。结果表明：海冰破碎程度不同时，对应不同的最佳边缘检测算子和最佳分辨率；仅考虑侧向融化时，随着温度升高，3种算子模拟的海冰面积融化趋势基本一致，均呈指数型增加，Prewitt算子模拟效果最好，对应的最佳重构分辨率为30 m×30 m、65 m×65 m和155 m×155 m。
利用RADASAT-2的海冰SAR图像，分别采用Prewitt、Sobel和Canny边缘检测算子计算图像范围内的海冰周长，分析不同图像分辨率、不同边缘检测算子分别对周长计算结果产生的影响。结合冰层侧向融化速率参数化方案进行了海冰侧向融化温度敏感性模拟实验，分析了图像重构分辨率对海冰侧向融化结果的影响。结果表明：海冰破碎程度不同时，对应不同的最佳边缘检测算子和最佳分辨率；仅考虑侧向融化时，随着温度升高，3种算子模拟的海冰面积融化趋势基本一致，均呈指数型增加，Prewitt算子模拟效果最好，对应的最佳重构分辨率为30 m×30 m、65 m×65 m和155 m×155 m。
2021, 43(7): 183-193.
doi: 10.12284/hyxb2021109
摘要:
基于2017年4月、2018年4月和2019年4月的CryoSat-2 L1B数据，比较分析了UCL13、DTU10、DTU13、DTU15和DTU18 5种不同平均海表面高度(MSS)模型及其反演的北极海冰干舷的多时空尺度差异。以UCL13为基准，对比分析不同MSS模型的差异和所反演的海冰干舷的差异，实验结果表明，不同MSS模型之间的平均绝对偏差范围为0.19～0.26 m，标准差范围为0.55～0.57 m，其中DTU18与UCL13的差异最小。以UCL13为基准，其他4种MSS模型反演的海冰干舷的平均绝对偏差为0.50～0.79 cm，标准差范围为1.17～1.74 cm。通过与冰桥计划(Operation IceBridge，OIB)机载数据相比，5种MSS模型反演的海冰干舷的相关系数范围为0.70～0.71，均方根误差范围为7.7～7.8 cm。故不同MSS模型之间的偏差对整个北极地区的海冰干舷反演的影响较小，偏差以相同的方式影响冰间水道和浮冰高度测量，因此相互抵消，但在冰间水道分布稀疏的区域，如加拿大群岛北部和拉普捷夫海区域，不同MSS模型反演的海冰干舷差异较大。
基于2017年4月、2018年4月和2019年4月的CryoSat-2 L1B数据，比较分析了UCL13、DTU10、DTU13、DTU15和DTU18 5种不同平均海表面高度(MSS)模型及其反演的北极海冰干舷的多时空尺度差异。以UCL13为基准，对比分析不同MSS模型的差异和所反演的海冰干舷的差异，实验结果表明，不同MSS模型之间的平均绝对偏差范围为0.19～0.26 m，标准差范围为0.55～0.57 m，其中DTU18与UCL13的差异最小。以UCL13为基准，其他4种MSS模型反演的海冰干舷的平均绝对偏差为0.50～0.79 cm，标准差范围为1.17～1.74 cm。通过与冰桥计划(Operation IceBridge，OIB)机载数据相比，5种MSS模型反演的海冰干舷的相关系数范围为0.70～0.71，均方根误差范围为7.7～7.8 cm。故不同MSS模型之间的偏差对整个北极地区的海冰干舷反演的影响较小，偏差以相同的方式影响冰间水道和浮冰高度测量，因此相互抵消，但在冰间水道分布稀疏的区域，如加拿大群岛北部和拉普捷夫海区域，不同MSS模型反演的海冰干舷差异较大。
2021, 43(7): 194-204.
doi: 10.12284/hyxb2021113
摘要:
内尔斯海峡位于加拿大埃尔斯米尔岛与格陵兰岛之间，是北极海冰输出的重要通道之一，这些海冰融化后带来的表层淡水对巴芬湾、拉布拉多海的深层水形成具有重要影响。但由于该海峡较为狭窄，缺乏对此区域海冰运动情况的精细研究。本研究利用每日的哨兵1号影像提取了2016年9月至2017年8月的内尔斯海峡北部区域海冰运动信息，展示了海峡中浮冰的运动过程，并结合风速、海流速度等数据分析浮冰运动特征及影响因素。结果表明风和海流二者共同主导了海冰的运动过程，相关系数分别达到了0.767和0.709，由风速、海流速度、海冰密集度3个自变量与浮冰速度建立的多元线性回归模型复决定系数也达到了0.727。进一步分析发现，风和海流在速度相对稳定时对浮冰速度的影响都会减小。本研究关于风和海流等要素对海冰运动过程影响的研究结果，可以为海洋–大气动力学模型的研究提供参考。
内尔斯海峡位于加拿大埃尔斯米尔岛与格陵兰岛之间，是北极海冰输出的重要通道之一，这些海冰融化后带来的表层淡水对巴芬湾、拉布拉多海的深层水形成具有重要影响。但由于该海峡较为狭窄，缺乏对此区域海冰运动情况的精细研究。本研究利用每日的哨兵1号影像提取了2016年9月至2017年8月的内尔斯海峡北部区域海冰运动信息，展示了海峡中浮冰的运动过程，并结合风速、海流速度等数据分析浮冰运动特征及影响因素。结果表明风和海流二者共同主导了海冰的运动过程，相关系数分别达到了0.767和0.709，由风速、海流速度、海冰密集度3个自变量与浮冰速度建立的多元线性回归模型复决定系数也达到了0.727。进一步分析发现，风和海流在速度相对稳定时对浮冰速度的影响都会减小。本研究关于风和海流等要素对海冰运动过程影响的研究结果，可以为海洋–大气动力学模型的研究提供参考。
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