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冰川冻土 2023年第3期45卷 893-901页

作者：岳瀚栋窦挺峰李润奎丁明虎效存德中国科学院大学资源与环境学院北京100049 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/全球变化与极地研究所北京100081 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

北极海冰范围退缩已对区域和全球气候变化、北极通航性乃至地缘政治格局产生了深远影响,开展北极海冰预测具有重要意义。本文使用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰密集度、海冰冰龄遥感资料以及ERA5再分析资料,结合前人研究和海气耦... 详细信息

北极海冰范围退缩已对区域和全球气候变化、北极通航性乃至地缘政治格局产生了深远影响,开展北极海冰预测具有重要意义。本文使用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰密集度、海冰冰龄遥感资料以及ERA5再分析资料,结合前人研究和海气耦合模式结果选择预测参量方案,开展了月尺度的海冰冰情预测。比较了支持向量机(SVR)、深度森林(DF)、LightGBM (LGB)、XGBoost(XGB)和CatBoost (CAT)等5种机器学习算法和以树模型LGB、XGB和CAT作为基模型,以贝叶斯回归、岭回归、套索回归和深度森林作为元模型的4种堆叠式集成学习模型,以及深度神经网络(DNN)、卷积神经网络(CNN)、时空卷积网络(ConvLSTM)3种深度学习模型在2000年测试集上对海冰范围和密集度空间分布的预测效果。结果表明:在海冰密集度预测中,ConvLSTM表现最优,套索堆叠集成学习模型预测效果次之。集成学习模型相较于三种单一树模型在预测效果上有约1%~4%的提升。在海冰范围预测中,堆叠式集成学习模型的预测效果最好。本研究为开展机器学习海冰预测奠定了重要基础。

关键词：海冰预测机器学习北极海冰范围海冰密集度

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基于最新观测和大气再分析估计全球能量平衡

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科学通报 2022年第35期67卷 4263-4280页

作者：蔡鸿泽王开存北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京大学城市与环境学院中法地球系统模拟国际联合中心北京100871

全球大气顶和地表能量平衡在地球气候变化中起到决定性作用.卫星云和地球辐射能量系统(Clouds and Earths Radiant Energy System, CERES)可以直接观测大气顶能量平衡各分量,地表能量平衡则需要借助卫星遥感反演和大气再分析进行估计.... 详细信息

全球大气顶和地表能量平衡在地球气候变化中起到决定性作用.卫星云和地球辐射能量系统(Clouds and Earths Radiant Energy System, CERES)可以直接观测大气顶能量平衡各分量,地表能量平衡则需要借助卫星遥感反演和大气再分析进行估计.已有研究需要对一些关键参数做人为调整,结果差异很大.基于高精度地基和卫星观测,评估了新一代大气再分析量化全球能量平衡的能力,基于2015~2020年6年平均,给出全球、陆地和海洋大气顶与地表辐射分量的最优估计,同时结合最新的全球降水测量计划(Global Precipitation Measurement, GPM)卫星产品给出地表潜热通量的最优估计.结果发现,新一代大气再分析对大气顶反射太阳辐射高估达8 Wm^(-2);对大气顶出射长波辐射也有10 Wm^(-2)的高估,这种高估在热带海洋上最为显著.欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析产品(ECMWF Reanalysis V5, ERA5)可以很好地再现大气顶能量不平衡量(1.1 Wm^(-2)),其他3个再分析的误差从-10.7~5.4 Wm^(-2)不等.地表入射太阳辐射的最优估计来自CERES卫星产品,为187 Wm^(-2);地表大气向下长波辐射的最优估计来自ERA5,为342 Wm^(-2).相对于最新的GPM降水产品,原有全球降水气候计划(Global Precipitation Climatology Project, GPCP)产品低估全球降水8.4%,主要因为其对海洋上空降水的明显低估.基于GPM降水产品以及入海径流的估计,得到全球、陆地和海洋上地表潜热通量的最优估计分别为8、41和101 Wm-2.本文根据验证结果,给出了地表能量平衡各分量的最优估计,实现了地表能量闭合,不再需要人为调整.

关键词：全球能量平衡地表能量平衡降水潜热通量大气再分析

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服务冬奥、支撑发展：冰冻圈科学的延拓

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中国科学院院刊 2022年第3期37卷 395-402页

作者：秦大河效存德丁明虎王飞腾朱志强殷水清任贾文中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室中国气象科学研究院全球变化与极地研究所哈尔滨体育学院

冰冻圈科学作为一门自然和人文深度交叉的新兴学科，其目的是认识自然规律，服务人类社会，促进可持续发展。近年来，中国冰冻圈研究实现了从传统基础研究到服务国家重大需求的跨越，这标志着学科的日臻成熟。北京冬奥会是我国重要历史... 详细信息

冰冻圈科学作为一门自然和人文深度交叉的新兴学科，其目的是认识自然规律，服务人类社会，促进可持续发展。近年来，中国冰冻圈研究实现了从传统基础研究到服务国家重大需求的跨越，这标志着学科的日臻成熟。北京冬奥会是我国重要历史节点的重大标志性活动。早在2016年冬奥会申办成功之初，当意识到国际顶级赛事对雪冰特殊需求“近在眼前”后，冰冻圈科学国家重点实验室即以国家自然科学基金创新研究群体项目（三期）和中国科学院学部院士咨询项目为依托，率先在河北张家口滑雪场开展了观测研究。过去5年来，冬奥雪务需求牵引着我国冰冻圈科学团队在雪冰物理关键技术环节上集中攻关，推动了学科向应用领域的延拓，取得了预期成果。文章总结研究团队研发的冬奥雪务保障关键技术，展望我国冰雪产业发展路径，从战略思维、科学积淀及实践创新的角度阐述冰冻圈科学的应用及拓展，提出了相关思考和建议。

关键词：冰冻圈科学北京冬奥会雪务保障冰雪产业冰冻圈服务

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不同天气条件下高山滑雪冰状雪赛道制作方法

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冰川冻土 2023年第6期45卷 1776-1788页

作者：季凯程丁明虎孙维君田彪赵守栋温海焜吕泓佑张东启王飞腾秦大河效存德山东师范大学地理与环境学院山东济南250014 中国气象科学研究院、灾害天气国家重点实验室/全球变化与极地研究所北京100081 中国科学院、南京天文光学技术研究所江苏南京210042 中国科学院、西北生态环境资源研究院、冰冻圈科学国家重点实验室甘肃兰州730000 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 国家高山滑雪中心北京102100

为攻克冬奥会等顶级赛事高山滑雪项目赛道制作技术,在黑龙江省亚布力体育训练基地、张家口密苑云顶乐园和北京延庆国家高山滑雪中心开展了多次冰状雪赛道制作试验,发现-12℃晴空天气条件最适宜开展赛道制作,最优方案为-15~-10℃(气温)/6... 详细信息

为攻克冬奥会等顶级赛事高山滑雪项目赛道制作技术,在黑龙江省亚布力体育训练基地、张家口密苑云顶乐园和北京延庆国家高山滑雪中心开展了多次冰状雪赛道制作试验,发现-12℃晴空天气条件最适宜开展赛道制作,最优方案为-15~-10℃(气温)/6~9 bar(注水压力)/4~8 s(注水时长)。基于试验数据,建立了冰状雪赛道合格标准,以及国际上第一个冰状雪赛道制作的天气-注水定量模型,该模型可应用于大陆性气候条件下高山赛事并有潜力推广至其他冷干地区。此外,研究发现人造雪含水量和微观结构对赛道质量有显著影响,含水量越低、雪颗粒越小、雪形态越均一,赛道稳定性和硬度越大。研究成果弥补了国内有关冰雪体育保障技术的空白,可为我国承担大型冰雪赛事提供智力支撑。

关键词：冰冻圈服务冰状雪赛道冬奥会雪冰工程技术高山滑雪

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2022年南极3·18爆发性增温事件及其可能原因

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气候变化研究进展 2022年第3期18卷 384-388页

作者：丁明虎效存德秦大河中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/全球变化与极地研究所北京100081 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室兰州730000 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

南极地区被视为地球气候的稳定器,近年来南极极端天气事件的变化已引起全球关注。由于气象观测资料不足,对全南极极端事件的研究较少。Wei等[1]发现2000年后西南极极端天气事件的强度和频率显著减少;Turner等[2]指出1979-2019年南极半... 详细信息

南极地区被视为地球气候的稳定器,近年来南极极端天气事件的变化已引起全球关注。由于气象观测资料不足,对全南极极端事件的研究较少。Wei等[1]发现2000年后西南极极端天气事件的强度和频率显著减少;Turner等[2]指出1979-2019年南极半岛地区极端天气事件显著减少,南极沿岸地区则存在较大不确定性。而东南极冰穹地区(海拔3000 m以上区域)的极端天气事件变化,目前仍未有清晰的认识。

关键词：极端天气事件地球气候极端事件气象观测资料南极半岛沿岸地区南极地区不确定性

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近期国际冰盖模式比较计划回顾及启示

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气候变化研究进展 2022年第4期18卷 509-515页

作者：张通赵励耘唐学远李大玮冷伟王玉哲效存德北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院北京100875 中国极地研究中心上海200136 上海交通大学海洋学院上海200030 中国科学院数学与系统科学研究院北京100190 山东师范大学地理与环境学院济南250014

南极冰盖和格陵兰冰盖是当代仅存的两大冰盖,其冰量分别约为58 m和7 m海平面当量。极地冰盖的质量变化对全球海平面上升和气候变化有着直接和间接的重要影响。建立可靠的大陆冰盖数值模式是定量研究冰盖动力过程的唯一有效手段。过去数... 详细信息

南极冰盖和格陵兰冰盖是当代仅存的两大冰盖,其冰量分别约为58 m和7 m海平面当量。极地冰盖的质量变化对全球海平面上升和气候变化有着直接和间接的重要影响。建立可靠的大陆冰盖数值模式是定量研究冰盖动力过程的唯一有效手段。过去数十年来,极地冰盖模式发展已经取得了长足的进步,但其内在的数值系统偏差是影响模式推广的重要限制因素。

关键词：格陵兰冰盖南极冰盖全球海平面上升气候变化大陆冰盖数值模式冰量系统偏差

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中国极地冰盖数值模拟研究进展

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冰川冻土 2022年第3期44卷 863-871页

作者：赵励耘唐学远张通冷伟艾松涛刘成彦王玉哲刘岩岳超北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院北京100875 自然资源部极地科学重点实验室中国极地研究中心上海200136 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 中国科学院数学与系统科学研究院北京100190 武汉大学中国南极测绘研究中心湖北武汉430079 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519080 山东师范大学地理与环境学院山东济南250014

冰盖数值模拟是一种基于多源观测数据,通过构建并求解冰流动力学方程组,理解冰流运动物理机制以及诊断和预估其演化过程的方法,目前已被广泛应用于冰盖变化研究。本文简要介绍了极地冰盖数值模拟方法,归纳综述了近十余年我国学者在极地... 详细信息

冰盖数值模拟是一种基于多源观测数据,通过构建并求解冰流动力学方程组,理解冰流运动物理机制以及诊断和预估其演化过程的方法,目前已被广泛应用于冰盖变化研究。本文简要介绍了极地冰盖数值模拟方法,归纳综述了近十余年我国学者在极地冰盖数值模拟方面的研究进展,厘清我国在冰盖数值模拟领域遇到的瓶颈和关键问题。阐述了如何与我国的极地冰盖科考优势区域深度结合,协同多源强化观测和数值模拟,研发和改进冰盖模式,提高冰盖模拟能力,对定量估算极地冰盖的物质平衡及其对未来海平面上升的影响做出实质贡献。通过逐步发展冰盖模式的研究能力,有望将来在冰盖关键动力过程和机制的科学认识上有所突破。

关键词：极地冰盖数值模拟模式发展圈层耦合

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基于信息流理论的因果分析在辨析大西洋多年代际振荡物理机制中的应用

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大气科学 2019年第5期43卷 1081-1094页

作者：宫湛秋孙诚李建平冯娟谢飞杨韵薛佳庆北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室和全球变化与地球系统科学研究院北京100875 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室青岛266237 中国科学院大气物理研究所北京100029

大西洋多年代际振荡(AMO)是指发生在北大西洋的海表温度(SST)冷暖异常多年代际(50~80年)振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流(AMOC)及其对应的海洋动力过程(经向热量输运)的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫... 详细信息

大西洋多年代际振荡(AMO)是指发生在北大西洋的海表温度(SST)冷暖异常多年代际(50~80年)振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流(AMOC)及其对应的海洋动力过程(经向热量输运)的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫的产物,大气主导了海气间的热量交换进而影响AMO。弄清AMO和北大西洋海表热通量的因果关系是辨析AMO动力和热力驱动机制的关键。本文利用基于信息流理论的因果分析方法,研究了1880年以来观测的AMO与北大西洋海表热通量间的因果关系。结果表明,在多年代际尺度上,从AMO到海表热通量的信息流要远大于二者相反方向的信息流,这说明AMO是北大西洋海表热通量异常的因,海洋主导了海气间的热量交换。大气随机热力强迫机制无法解释AMO与热通量两者因果分析的结果。对泛大西洋地区的陆地气温和AMO指数进行分析,进一步表明由于海洋主导了海气热量交换,AMO的海温异常加热/冷却控制了绝大多数地区气温的多年代际变化。利用海温驱动的大气环流模式的模拟结果验证了AMO的海温异常对周边陆地气温强迫作用。本文的结果为辨析AMO的动力和热力驱动机制提供了新线索,进一步表明AMO并非是大气随机热力强迫的产物,海洋环流可能是AMO的主要驱动因子。

关键词： AMO(大西洋多年代际振荡) 信息流因果关系热通量陆地气温距平

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格陵兰冰盖监测、模拟及气候影响研究

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地球科学进展 2019年第8期34卷 781-786页

作者：效存德陈卓奇江利明丁明虎窦挺峰北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室甘肃兰州730000 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院北京100875 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室湖北武汉430077 中国科学院大学北京100049 中国气象科学研究院青藏高原与极地气象科学研究所北京100081

格陵兰冰盖是地球上两大仅存冰盖之一。随着气候变暖的加剧,格陵兰冰盖的消融及其对海平面上升的贡献成为国际上研究的热点问题。格陵兰冰盖全部融化将会导致全球海平面上升约7.3 m。然而,影响冰盖物质平衡变化的动力机制目前尚不清楚,... 详细信息

格陵兰冰盖是地球上两大仅存冰盖之一。随着气候变暖的加剧,格陵兰冰盖的消融及其对海平面上升的贡献成为国际上研究的热点问题。格陵兰冰盖全部融化将会导致全球海平面上升约7.3 m。然而,影响冰盖物质平衡变化的动力机制目前尚不清楚,是预测未来海平面上升最大的不确定性来源。针对格陵兰“冰盖—溢出冰川—海冰”系统的非稳定性关键过程开展监测与模拟研究,建立格陵兰“冰盖—溢出冰川—海冰”冰流系统的星—机—地一体化综合观测体系,支撑冰盖及其周边海冰数值模拟和影响研究,为在格陵兰地区开展长期监测和国际合作奠定基础;通过改进冰盖动力学模型,辅以冰芯古气候参数约束,降低预估海平面变化的不确定性;揭示冰盖周边海冰变化的驱动机制,侧重“西北航道”格陵兰西侧航段,对通航窗口期进行评估和预测,为加深对北极冰冻圈变化及影响的认识,服务“冰上丝绸之路”尤其是西北航道的安全航行与运营,以及为我国海岸带综合风险防范提供科学支撑。

关键词：格陵兰冰盖海冰星—机—地一体化综合观测体系海平面变化西北航道

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近70年来中国自然地理与生存环境基础研究的重要进展与展望

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中国科学：地球科学 2019年第11期49卷 1659-1696页

作者：陈发虎傅伯杰夏军吴铎吴绍洪张镱锂孙航刘禹方小敏秦伯强李新张廷军刘宝元董治宝侯书贵田立德徐柏青董广辉郑景云杨威王鑫李再军王飞胡振波王杰刘建宝陈建徽黄伟侯居峙蔡秋芳隆浩姜明胡亚鲜冯晓明莫兴国杨晓燕张东菊王秀红尹云鹤刘晓晨中国科学院青藏高原研究所高寒生态重点实验室北京100010 兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室兰州730000 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京100101 北京师范大学地理科学学部北京100875 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室北京100101 中国科学院昆明植物研究所东亚植物多样性与生物地理学重点实验室昆明650201 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710061 中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升重点实验室北京100010 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室南京210008 中国科学院青藏高原研究所北京100010 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 陕西师范大学地理科学与旅游学院西安710119 南京大学地理与海洋科学学院南京210023 云南大学国际河流与生态安全研究院昆明650500 中国科学院青藏高原研究所青藏高原环境变化与地表过程重点实验室北京100010 中国科学院东北地理与农业生态研究所长春130012 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101 中国科学院水资源研究中心北京100101 中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心西安710061

自然环境是人类赖以生存和发展的基础,探索自然环境及其各要素(如地貌、气候、水文、土壤等)的特征、演变过程、地域分异规律以及驱动机制是自然地理学的重点研究内容.中国自然地理要素类型丰富且区域差异较大,为开展自然地理研究提供... 详细信息

自然环境是人类赖以生存和发展的基础,探索自然环境及其各要素(如地貌、气候、水文、土壤等)的特征、演变过程、地域分异规律以及驱动机制是自然地理学的重点研究内容.中国自然地理要素类型丰富且区域差异较大,为开展自然地理研究提供了难得的机遇.文章主要围绕青藏高原隆升与亚洲内陆干旱化及河流发育、高原冰冻圈环境演化、全新世多时间尺度季风与西风气候变化、湖泊与湿地、流域模型与土壤侵蚀、过去人-地关系演化、生物地理及中国三维地带性规律等几个方面,梳理了近70年来中国自然地理与生存环境研究的重大理论进展与重要贡献.在简要交代国际前沿研究进展的基础上,回顾并梳理了中国自然地理学各分支领域的研究脉络,进一步聚焦重大研究成果或具有较大争议、重大影响的学术争鸣问题,归纳目前研究现状,并进行未来工作展望.最后提出在推进生态文明建设的国家需求下,应发挥中国自然地理研究的优势,厘清自然地理要素变化的过程、规律与机制,持续推进中国自然地理研究为国家战略服务,在全球视野下做出具有中国特色的自然地理学理论贡献.

关键词：中国自然地理生存环境气候变化青藏高原人-环境相互作用

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