北极海冰输运以及冰场形变特性研究

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海冰运动是指在浮冰尺度或更大空间尺度下的海冰受大气、洋流等外力驱使而产生的漂移和相互作用,由海冰运动引起的海冰输运和海冰形变是造成海冰厚度、海冰面积等发生空间重分布的主要动力学原因。依靠浮标等现场观测手段获取海冰运动信息具有较大的时空局限性,全方位、全时相观测海冰运动得益于卫星遥感技术的发展。基于卫星遥感数据反演的海冰运动产品已广泛应用于海冰变化研究与海洋(气候)模式参数化等领域,但由于数据源和反演算法的差异使得海冰运动产品存在较大不确定性。验证海冰运动产品精度并掌握其误差的时空变化规律对于海冰运动产品的精度提升和精准化应用十分必要。随着全球变暖的日益加剧,北极海冰作为全球气候系统的重要组成部分正发生快速变化。研究北极海冰输运的时空变化特征,不仅有助于加深对北极海冰变化过程与机制的理解,还能够对未来北极海冰的演变与发展趋势进行评估。此外,明确大气环流等环境因素对北极海冰运动和海冰重分布的影响有利于提高对海洋-海冰-大气耦合作用机制的认识,对全球气候变化与环境变化研究也具有重要意义。因此,本文基于浮标观测数据、卫星遥感数据产品和大气再分析数据,聚焦北极海冰运动特征与机制,开展海冰运动产品精度分析、海冰运动与海冰输运时空变化以及大气环流对海冰输运影响机制的研究。主要包括:(1)两种主要海冰运动产品的精度评价与误差分析。利用中国北极考察浮标观测数据,系统地对两种主要海冰运动产品NSIDC(美国雪冰数据中心发布)与OSI-SAF(欧洲气象卫星研发组织海洋与海冰卫星应用中心发布)进行精度评价。评估了海冰运动产品重建海冰漂移轨迹和计算海冰形变的能力,获取了海冰运动产品误差的季节变化规律与空间分布特性,证实了NSIDC产品精度总体优于OSI-SAF产品。两种产品对月尺度海冰漂移轨迹的重建均表现出较高精度,NSIDC产品对年尺度海冰漂移轨迹重建也具有一定的可靠性。利用NSIDC产品计算得到的海冰形变率误差较小,并能真实反映海冰形变的尺度效应。定量分析了海冰密集度与海冰漂移速度对海冰运动产品误差的影响,NSIDC产品误差受海冰漂移速度变化的影响相对较大,OSI-SAF产品误差对海冰密集度变化更加敏感。(2)北极海冰漂移与海冰形变时空变化分析。基于对海冰运动产品精度评价的结果,利用NSIDC海冰运动产品对1979-2018年北极海冰运动特征进行研究。获取了北极海冰漂移速度的长时间序列变化趋势,证实了近四十年来北极海冰漂移速度呈现持续增加的趋势。分析了北极海冰漂移速度变化的空间差异与年代际变化,秋、冬季节北极海冰漂移速度增加趋势较大,波弗特海、楚科奇海、与喀拉海相比其他海域海冰漂移增速更加明显。定量分析了风场对海冰漂移速度的影响,秋季西北冰洋海冰漂移对风速变化响应程度有所减弱。将NSIDC海冰运动产品应用于北极海冰形变研究,获得了北冰洋重点海域海冰形变率时间序列和空间分布规律。发现1979-2018年,除格陵兰海与巴伦支海以外的北冰洋其他海域冻结期内海冰形变率均存在显著增加趋势;海冰形变率空间尺度效应与局地化程度表现出明显空间差异性,西北极中央区海冰形变的局地化程度为各海域中最大。(3)北极海冰输运时空变化分析。通过计算海冰面积通量对北冰洋重点海域海冰输运和海冰输出进行了研究。更新了海盆尺度下北极海冰输运面积变化的时间序列,1979-2018年北冰洋各海域间海冰输运面积总体呈现增加趋势,中央海区东北极扇区向大西洋扇区输运海冰面积的增长速率为各海域最大;1979-2018年由弗拉姆海峡向格陵兰海输出的年平均海冰面积为425×103km2,并以9.6×103km2/yr的速度持续增长。(4)北极海冰输运对大气环流的响应机制分析。利用大气再分析数据分析了中央北极指数(CAI)、北极偶极子(DA)、波弗特高压(BH)等大气环流指数对北极海冰输运面积和输运模式的影响机制。从近四十年时间尺度来看,BH相比DA对波弗特海海冰输运影响更加显著,BH对冬、春、夏季西北极中央区向波弗特海输运海冰面积变化的解释水平均在52%以上;弗拉姆海峡海冰输出变化对CAI相比DA更加敏感,夏季CAI对弗拉姆海峡海冰输出面积变化的解释水平达到36%。(5)东北极海冰输运对东北航道适航性的影响研究。基于海冰运动产品量化了东北极海冰输运对北极东北航道适航性的影响,分析了东北航道海冰运动特征与东北极海冰输运的时空变化规律。利用海冰密集度数据对东北航道夏、秋季节海冰冰情与适航性展开分析,发现1979-2018年东北航道各航段开通时间均有显著增加趋势。通过相关性分析发现,春季东北极海冰北向输运对东北航道各航段夏、秋季开通时间的解释水平达到35%以上。
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