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第1章 引言1

1.1 概述1

1.2 国内外进展与趋势3

1.2.1 东南极冰盖表面物质平衡的星-地一体化观测计算与评估3

1.2.2 典型冰盖-冰架系统监测与模拟研究5

1.2.3 北极海冰时空变化特征、消融机制及其对天气气候变化的影响机理6

1.2.4 极地冰冻圈长期变化与气候的关系8

1.3 问题与主要关注点9

1.3.1 冰盖物质平衡计算的不确定性及多源数据的融合计算9

1.3.2 影响冰盖动力不稳定性的几个关键问题10

1.3.3 北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响中存在的科学问题11

1.3.4 年代际至百年际冰芯记录反映的极地冰冻圈变化11

第2章 研究区域与方法13

2.1 研究区域13

2.1.1 南极冰盖和格陵兰冰盖13

2.1.2 北冰洋17

2.2 研究方法18

2.2.1 冰盖物质平衡18

2.2.2 海冰观测24

2.2.3 冰盖动力：三维Stokes冰盖动力模型的构建27

2.2.4 大气动力诊断与模拟27

2.2.5 冰芯重建方法28

2.3 基本研究思路30

2.3.1 本研究的基本思路30

2.3.2 采用的技术路线31

第3章 南极冰盖典型流域表面物质平衡36

3.1 南极冰盖表面物质平衡的影响因素36

3.2 南极冰盖海岸至内陆表面物质平衡变化规律37

3.2.1 中山站—Dome A断面表面物质平衡变化37

3.2.2 Syova—Dome F断面表面物质平衡变化42

3.2.3 Terra Nova Bay—Dome C断面表面物质平衡变化45

3.3 三个典型区域表面物质平衡的异同47

第4章 影响冰盖物质平衡的冰下和冰内过程48

4.1 冰盖的冰厚与冰下地形48

4.1.1 Bedmap数据库评述49

4.1.2 中山站—Dome A断面的冰厚和冰下地形50

4.1.3 Dome A核心区域冰厚和冰下地形53

4.1.4 泰山站的冰厚与冰下地形58

4.1.5 格罗夫山的冰厚与冰下地形60

4.2 冰盖内部等时层及其应用62

4.2.1 内部等时层的表示63

4.2.2 内部等时层的形成机制64

4.2.3 内部等时层的形变66

4.2.4 内部等时层的应用67

4.3 冰下复结冰、冰下湖和冰下水系统73

4.3.1 冰下复结冰73

4.3.2 冰下湖77

4.3.3 冰下水系统80

4.4 冰盖稳定性与冰下过程82

第5章 南极冰盖表面物质平衡模拟84

5.1 多源再分析资料适用性评估84

5.1.1 再分析资料基本情况84

5.1.2 南极冰盖表面物质平衡实测数据库87

5.1.3 基于实测资料的多源再分析资料空间变化评估88

5.1.4 多源再分析资料时间变化评估89

5.2 多区域气候模式相互比较与评估92

5.2.1 区域气候模式基本情况92

5.2.2 多区域气候模式表面物质平衡空间变化模拟评估94

5.2.3 多区域气候模式表面物质平衡时间变化模拟评估94

5.3 现代南极冰盖表面物质平衡变化模拟95

5.3.1 表面物质平衡及各分量空间分布96

5.3.2 表面物质平衡及各分量季节变化、年际变化和趋势97

5.4 21世纪和22世纪南极冰盖表面物质平衡预估97

5.4.1 LMDZ4大气环流模式及动力降尺度98

5.4.2 LMDZ4和SMHiL模拟的南极现代表面物质平衡评估98

5.4.3 21世纪和22世纪南极冰盖表面物质平衡预估99

第6章 冰盖物质平衡的卫星观测101

6.1 卫星观测原理介绍101

6.1.1 卫星测高原理介绍101

6.1.2 GRACE重力卫星原理介绍104

6.2 卫星测高与卫星重力数据处理介绍108

6.2.1 卫星测高数据处理108

6.2.2 卫星重力GRACE数据处理112

6.3 卫星测高与卫星重力观测的冰盖物质平衡时空分布特征115

6.3.1 基于卫星测高的冰盖物质平衡时空分布115

6.3.2 卫星重力的冰盖物质平衡时空分布124

6.4 地面与卫星多源数据在冰盖物质平衡的融合与同化126

6.4.1 联合卫星重力和卫星测高的格陵兰冰盖冰/雪高程变化分离126

6.4.2 卫星与地面数据融合与同化128

第7章 冰盖-冰架动力模型的构建与模拟129

7.1 冰盖动力模型简述129

7.1.1 南极冰盖和格陵兰冰盖129

7.1.2 冰盖动力模型发展历史130

7.1.3 海洋性冰盖的动力学不稳定性131

7.2 完全Stokes冰盖模型132

7.2.1 冰盖流动的Stokes方程132

7.2.2 构建Stokes模型的数值方法133

7.3 冰架系统的模拟133

7.3.1 冰架的动力学性质133

7.3.2 模拟冰架流动的数值方法134

7.4 接地线动力过程的模拟135

7.4.1 接地线位置的确认135

7.4.2 模拟接地线位置的移动137

7.5 冰盖的底部滑动138

7.5.1 冰盖底部的水热特征138

7.5.2 确定冰盖底部滑动系数分布141

第8章 海冰变化观测事实与原因分析142

8.1 北极海冰的快速变化142

8.1.1 密集度变化142

8.1.2 范围和面积变化146

8.1.3 厚度变化150

8.1.4 漂流速度的变化152

8.1.5 冰龄变化155

8.1.6 基于遥感数据的北极海冰快速变化的观测事实158

8.2 基于ICESat测高数据的北极海冰干舷研究160

8.2.1 数据简介160

8.2.2 解算方法161

8.2.3 解算结果162

8.2.4 验证分析164

8.3 北极黑碳对于北极海冰消融影响的观测与模拟研究166

8.4 北极降水形态变化对北极海冰消融影响的观测与模拟研究171

第9章 北极海冰变化对气候的影响与反馈173

9.1 9月北极海冰变化的动力学原因研究173

9.1.1 9月北极SIE变化趋势173

9.1.2 夏季北极表面风场变率优势模态的空间特征174

9.1.3 风场优势模态位相演变的物理意义178

9.1.4 夏季风场模态对9月北极SIE的影响179

9.2 秋冬季节北极海冰融化对欧亚大陆冬季盛行天气模态的影响184

9.2.1 冬季欧亚大陆盛行天气模态的空间特征以及位相演变的物理意义185

9.2.2 盛行天气模态的时间演变特征190

9.2.3 冬季欧亚大陆盛行天气模态与秋季北极海冰的可能联系194

9.3 秋冬季节北极海冰对冬季西伯利亚高压的影响200

9.3.1 北极SIC和冬季西伯利亚高压的联系：对季节预测的启示200

9.3.2 近20年来冬季西伯利亚高压的变化趋势204

9.3.3 趋势的可能机制和讨论207

9.4 冬春季节北极海冰异常对夏季欧亚大陆大气环流以及东亚中纬度地区降水的影响208

9.4.1 冬季北极海冰与夏季欧亚大陆大气环流异常的联系210

9.4.2 夏季欧亚大陆大气环流变率的优势模态的主要特征213

9.4.3 冬季北极海冰异常影响后期夏季欧亚大陆大气环流的可能机理216

第10章 南极浅冰芯记录与海冰长期变化219

10.1 用代用指标反演南极海冰的原理与方法219

10.1.1 MSA与SIE219

10.1.2 海盐离子与SIE222

10.1.3 其他代用指标224

10.2 南印度洋过去300年SIE的变化特征225

10.2.1 LGB69冰芯记录225

10.2.2 LGB69冰芯内MSA与南印度洋SIE226

10.3 南极海冰长期变化的驱动因子探讨228

10.3.1 对南极海冰增长趋势原因的几种观点229

10.3.2 南极海冰的长期变化231

10.3.3 SAM与SIE的可能关联233

10.4 指示南极冰盖水汽来源的同位素和化学指标235

10.4.1 南大洋断面水汽同位素反映的纬向水汽输送通道235

10.4.2 冰盖水汽和降水稳定同位素比率反映的水汽来源241

10.4.3 海盐离子反映的水汽来源和高程分布245

10.4.4 中山站—Dome A断面水汽源区及其气候学意义247

10.5 南极冰盖气温和积累率长期变化特征249

10.5.1 根据冰芯重建的冰盖千年气温记录序列249

10.5.2 积累率长期变化及其空间差异250

10.5.3 构建分流域序列251

第11章 主要结论与展望254

11.1 主要结论254

11.2 极地冰盖物质平衡研究展望257

11.2.1 影响冰盖物质平衡计算的主要不确定性257

11.2.2 消除不确定性的途径258

11.2.3 相关国际计划259

11.3 冰盖动力学模型与地球系统的耦合260

11.3.1 冰盖稳定性与海平面变化的关系261

11.3.2 地球系统模式中应该引入更加精细化的冰盖动力学模块261

11.3.3 全球海平面变化的长期预估262

11.4 两极海冰变化的影响研究及其展望262

11.4.1 北极海冰变化与航道、资源及其地缘政治262

11.4.2 南极海冰变化机理研究263

11.4.3 两极海冰变化异同263

11.5 极地冰冻圈长期演变与预估263

11.5.1 East GRIP等深冰芯与冰盖动力学的结合264

11.5.2 格陵兰冰盖和南极冰盖的联动变化与全球海平面264

11.5.3 构建极地海冰长期变化序列264

参考文献265