基于多源卫星遥感数据的北极海冰体积输出通量研究

The Arctic sea ice is exported towards the Barent Sea and Greeland Sea, primarily through the Fram Strait (FS). In addition, a small amount of ice is transported into the Barent Sea across two other gates: Svalbard- Fraz Josef Land (S-FJL) and Fraz Josef Land- Severnaya Zemlya (FJL-SZ). The ice outflow has a potential in affecting ice amounts that stored in the Arctic Ocean. Moreover, due to the freshening activity by melting ice floes, the stratification in the upper ocean surface over the those regions are thus enhanced, dampening the convection process between the upper and the deeper Atlantic water. As a result, the deep-water mass formation is hampered and the global thermohaline balance is influenced through basin-wide ocean circulation. Satellite remote sensing plays a crucial role in monitoring large-scale environmental changes, particularly in polar areas inhospitable to in situ measurements. In this research, multiple spaceborne observations will be used to investigate the volume outflow flux of the Arctic Ocean sea ice cover into the Nordic Sea. Sea ice volume flux can be computed from three variables retrieved from different satellite measurements: ice concentration, ice thickness and ice drift rate. Ultimately, the volume flux of Arctic sea ice entering the Nordic Sea through three gates is calculated between 2003 and 2013. The annual and interannual behaviors will be studied and their relationship with atmospheric activities would be analyzed in order to find the controlling factors of observed sea ice volume flux. Through tracking of the transportation mechanism of ice outflow, we try to outline the relations between changes of sea ice export and variability of sea ice coverage and volume storage in the Arctic Ocean and analyze the role of ice export in the Arctic and global climate changes.

北极海冰主要经过弗拉姆海峡流出北冰洋，进入北欧海区的巴伦支海和格陵兰海。另有少量海冰通过斯瓦尔巴群岛——法兰士约瑟夫地群岛之间的水道，以及法兰士约瑟夫地群岛——北地群岛之间的水道，进入巴伦支海。海冰输出对研究北极海冰面积和体积变化以及北欧海域温盐流形成和循环有重要意义。本项目拟利用多源遥感数据提取不同的海冰参量，包括海冰密集度、海冰移动速度以及海冰厚度。在对各海冰参量优化或改进的基础上，综合利用这些参量估算北极三个海冰出口的海冰体积通量，研究近11年来（2003-2013）北极海冰输出量的变化规律和趋势，并探讨控制北极海冰输出的大气活动模式。分析不同的海冰输出机制对北极海冰覆盖面积和体积储量变化的影响，进而阐明海冰输出在北极地区乃至全球气候变暖中的作用。

北极海冰输出是调节北大西洋热演循环的节拍器。尤其是通过弗拉姆海峡输出的海冰融化后增强了表层温盐结构的稳定性，对北欧海、拉布拉多海海水深对流起调制作用。本研究对基于遥感数据提取海冰输出区的海冰参量，包括海冰密集度、漂移速度和厚度。首先，对海冰密集度反演的ASI算法进行了改进，通过优化了系点选取机制，对海冰密集度反演精度提高2~5%。其次，建立了多源遥感数据的同化机制，较好的弥补了单一数据源提取海冰漂移数据信息缺失方面的不足，有效数据空间覆盖比例由60%提高至75%。相关系数也有一定程度提高（R=0.54 提高至0.65）。再者，考虑一年冰和多年冰密度的差异，改善了现有海冰厚度反演算法，降低了冰厚结果与观测结果的不确定性，偏差方差从之前的0.6m降至现在的0.4m。同时，也证实北极的海冰体积出现明显下降，ICESat时期较CS2时期的海冰体积在秋季和冬季分别减少了1426 km3和411 km3。海冰体积输出的减少，意味着淡水输出的减少，将对北大西洋海域海水深对流机制产生重要影响，削弱底层水的形成和大洋环流的传送带功能，从而对全球大洋和气候变化产生调制作用。. 利用上述得到的海冰遥感参量，计算了近1979-2012年来弗拉姆海峡海冰输出面积通量，以及2003-2015年的海冰体积输出通量。研究结果表明，研究时段内冬季时期海冰输出面积通量年际变化大，趋势不明显，夏季年际变化较小，但出现了明显增加趋势。本研究的海冰输出体积通量估算结果（2011-2015）与上世纪90年代结果相比，出现了明显下降，据季节不同降幅至少为600km3。与大气活动的相关性分析研究结果表明，弗拉姆海峡冬季时期（10月至次年5月）海冰输出与北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）的相关性偏弱（R=0.1~0.3），与DA、BBO等大尺度大气活动之间的相关程度中等（R=0.2~0.5）。基于本项目的研究，加深了对弗拉姆海峡地区海冰物理参量以及海冰输出变化规律的认识，对理解北极海冰输出与大气活动相互作用起到推动作用。