从第三极到北极： 湖冰研究进展

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0008

冰川冻土 ›› 2020, Vol. 42 ›› Issue (1): 124-139.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0008

从第三极到北极：湖冰研究进展

汪关信¹^,²(), 张廷军¹^,²(), 杨瑞敏¹^,², 钟歆玥³, 李晓东¹^,²

^1.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室, 甘肃兰州 730000
^2.中国高校极地联合研究中心, 北京 100875
^3.中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室, 甘肃兰州 730000

收稿日期:2019-10-20 修回日期:2020-03-12 出版日期:2020-06-30 发布日期:2020-07-03
通讯作者: 张廷军 E-mail:wanggx13@lzu.edu.cn;tjzhang@lzu.edu.cn
作者简介:汪关信（1993 - ），男，陕西镇安人， 2017年在兰州大学获得学士学位，现为兰州大学在读硕士研究生，从事湖冰遥感研究. E-mail： wanggx13@lzu.edu.cn
基金资助:
中国科学院A类先导科技专项资助(XDA20100103);兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(lzujbky-2017-it95);冰冻圈科学国家重点实验室开放基金项目(SKLCS-OP-2018-08)

Lake ice changes in the Third Pole and the Arctic

Guanxin WANG¹^,²(), Tingjun ZHANG¹^,²(), Ruimin YANG¹^,², Xinyue ZHONG³, Xiaodong LI¹^,²

^1.College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China
^2.University Corporation for Polar Research，Beijing 100875，China
^3.Key Laboratory of Remote Sensing of Gansu Province，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

Received:2019-10-20 Revised:2020-03-12 Online:2020-06-30 Published:2020-07-03
Contact: Tingjun ZHANG E-mail:wanggx13@lzu.edu.cn;tjzhang@lzu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

在全球气候变暖背景下，第三极和北极地区的增温尤其明显，冰冻圈对气候变化有着更为敏感的响应。湖冰作为冰冻圈的重要组成部分，其变化不仅是气候的指示器，同时也通过改变能量平衡、大气环流、辐射平衡等影响区域气候。通过对比不同观测手段及主要模型模拟方法在湖冰研究中的优缺点及适用性，总结了第三极和北极湖冰变化的时空特征，结果表明：第三极和北极地区湖冰均显示初冰日推迟、消融日提前、封冻期缩短的趋势；第三极和北极地区湖冰厚度呈持续减少趋势；未来湖冰的这些变化将更加显著。第三极和北极地区湖冰的变化主要受到气温的影响，同时也受到风速、湖泊理化性质的限制。在系统梳理第三极和北极地区湖冰变化的基础上，总结了湖冰研究面临的问题和挑战，为未来湖冰研究提供科学依据。

关键词: 湖冰, 第三极, 北极, 气候变化

Abstract:

The temperature increases significantly in the Third Pole and the Arctic in the context of global warming. The cryosphere has a more sensitive response to climate change. Lake ice is an important part of the cryosphere in these regions. Its change is not only an indicator of climate change， but also affects the regional climate by changing the energy balance， atmospheric circulation， and radiation balance. This paper compared the advantages and disadvantages and the applicability of different observation methods， model simulation methods for lake ice. It also summarized the temporal and spatial characteristics of lake ice changes in the Third Pole and the Arctic. The results showed that lake ice in the Third Pole and the Arctic presented a delayed trend of initial ice day， early melting onset day， and shortened ice duration. The thickness of lake ice continuously decreased in the Third Pole and the Arctic. These changes in lake ice would be more significant in the future. The change of lake ice was mainly affected by temperature and also affected by temperature， restrictions on wind speed and physical and chemical properties of the lake. Besides， this article also pointed out the problems and challenges of the lake ice research and provided a scientific basis for future research in lake ice.

Key words: lake ice, Third Pole, Arctic, climate change

中图分类号:

P343.63

汪关信, 张廷军, 杨瑞敏, 钟歆玥, 李晓东. 从第三极到北极：湖冰研究进展[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 124-139.

Guanxin WANG, Tingjun ZHANG, Ruimin YANG, Xinyue ZHONG, Xiaodong LI. Lake ice changes in the Third Pole and the Arctic[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(1): 124-139.

图/表 8

表1

表2

第三极湖冰研究主要成果"

区域	时段	手段	湖冰变化	原因或影响	来源
纳木错	2000 - 2013年	MODIS反射率产品	纳木错湖冰存在期显著缩短（-2.8 d·a^-1），冻结困难，消融加速，稳定性减弱	主要受湖面温度、湖面辐射亮温和气温变化的影响	勾鹏等^［92］， 2015
纳木错	2006 - 2011年	观测+MODIS反射率产品	纳木错湖冰平均封冻期为90天，最大湖冰厚度为58 ~ 65 cm	主要受气温影响，也受风速影响，和冬季负积温具有良好关系	曲斌等^［93］， 2012
纳木错	1978 - 2013年	被动微波	1978年至今湖冰存在时间持续减少19天，初冰日推迟9天	气温与湖冰存在时间呈负相关关系	Ke， et al^［47］， 2014
青海湖	2000 - 2016年	MODIS	完全封冻期为77天，湖冰存在期为108天，湖冰物候特征各时间节点变化呈现较大差异	冬半年负积温大小是影响封冻期的关键要素，但风速和降水对湖冰的形成和消融亦发挥着重要作用	祁苗苗等^［60］， 2018
青海湖	1979 - 2016年	被动微波（SSM/I和SSMR）	初冰日和封冻日分别推迟6.16天和2.27天，消融日和完全消融日分别提前11.24天和14.09天，封冻期和湖冰存在期分别缩短14.84天和21.21天	湖冰存在期主要被气温控制，同时受到区域其他气象条件以及湖泊位置等影响	Cai， et al^［95］， 2017
青海湖	1958 - 1983年（观测） 1993 - 1994年（遥感）	NOAA+AVHRR+观测	厚度变薄，封冻期缩短；建立湖水冻结百分比	冻结和解冻相对气温升降有一定的滞后性	陈贤章等^［39］， 1995
可可西里地区	2000 - 2011年	MODIS	湖泊开始冻结和完全冻结时间推迟，湖冰开始消融和完全消融时间提前，湖泊完全封冻期和封冻期持续时间普遍缩短，平均变化速率分别为2.21 d·a^-1和1.91 d·a^-1	湖冰物候特征及其冰情演变是区域气候变化和湖泊自身条件共同作用的产物，其中气温、湖泊面积、湖水矿化度和湖泊形态是影响湖冰物候特征的主要因素	姚晓军等^［96］， 2015
青藏高原地区	2001 - 2010年	MODIS	59个湖泊中，绝大多数呈现出封冻期和湖冰存在期缩短的趋势，存在明显的空间分异	造成湖冰物候存在空间分异的主要原因为气温、盐度、湖泊形状等因素	Kropáček， et al^［99］， 2012
青藏高原地区	2002 - 2015年	被动微波（AMSR-E和AMSR2）	青藏高原南部消融日推迟和封冻期延长，但北部湖泊变化存在空间差异	青藏高原南部湖泊消融日、封冻期变化与冬季北大西洋涛动（NAO）之间存在密切联系	Liu， et al^［98］， 2018
青藏高原地区	2000 - 2015年	MODIS积雪产品	平均封冻结冰期在176天左右，完全封冻期在130天左右；湖冰物候有明显区域差异，北部湖区开始结冰期早，完全融化期晚，封冻期长；南部湖区开始结冰期晚，完全融化期早，封冻期短	湖冰物候时空变化主要受温度、降水、风速的影响，温度是主要的影响要素，温度升高或降雨增加都会使封冻期缩短，风速对湖冰物候有一定的影响	王智颖等^［100］， 2017
青藏高原地区	2000 - 2017年	MODIS积雪产品	平均湖冰存在期为157.78天，其中18个湖泊湖冰存在期延长（1.11 d·a^-1），其余湖泊湖冰存在期缩短（0.80 d·a^-1）	地理位置和气候条件决定了湖冰物候的空间异质性，而理化特征主要影响湖冰初冰日。湖冰的持续时间受气候和湖泊特定理化性质影响	Cai， et al^［97］， 2019

表2

图1

图2

图3

图4

表3

图5

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遥感类型	卫星	传感器名称	幅宽/km	分辨率/m	时间序列	主要应用
光学遥感	Landsat Series	MSS	185	78	1972 - 1983	冰面（积雪）反照率、表面温度、厚度；物候
		TM	185	30	1982 - 2011
		ETM+	185	30	1999 -
		OLI	185	30	2013 -
	NOAA	AVHRR	2 900	1 100	1978 -
	INSAT 3A	CCD	全球覆盖	1 000	2003 -
	Terra， Aqua	MODIS	2 030	250	2000 -
被动微波遥感	Nimbus 7	SMMR	600	25 000	1978 - 1987	湖冰厚度；湖冰物候
	DMSP	SSM/I	1 400	25 000	1987 - 2008
	Aqua	AMSR-E	1 445	4 000	2002 - 2011
	SEASAT	SNMR	600	22 000	1978 -
	DMSP	SSMIS	1 700	25 000	2000 -
	TRMM	TMI	780	4 400	1997 -
主动微波遥感/合成孔径雷达	SEASAT	SAR	100	25	1978 -	湖冰类型；湖冰物候
	Sentinel	SAR	80	5	2015 -
	ERS 1， 2	AMI SAR（C波段）	100	30	1991 -
	RADARSAT	Radarsat SAR（C波段）	100 ~ 170	10	1995 -
	Envisat	ASAR	100	28	2002 -

区域	时段	手段	湖冰变化	原因或影响	来源
阿拉斯加北部	2003 - 2011年	SAR	与1980年相比， 16%的触地冰发展成漂浮冰；整体湖冰厚度减薄	对多年冻土融区发育、湖泊热能变化、水生生物存在影响	Arp， et al^［110］， 2012
阿拉斯加北部	2012 - 2014年	野外监测、气候模型	触底冰区完全消融日比浮冰区平均早17天，消融日提前使其蒸发大于浮冰区	由触底冰向漂浮冰转化，抑制蒸发增强	Arp， et al^［106］， 2015
北极阿拉斯加	1947 - 1997年	基于有限元的热传导物理模型	湖冰平均最大厚度为1.9 m	雪深对湖冰深度的影响大于气温	Zhang， et al^［111］， 2000
北极加拿大	1985 - 2004年	遥感（AVHRR）/监测	初冰日推迟0.76 d·a^-1，消融日提前0.99 d·a^-1		Latifovic， et al^［107］， 2007
阿拉斯加北坡	1997 - 2011年	RADARSAT-1/2， ASAR， LANDSAT	湖泊从多年湖冰发展为季节湖冰		Surdu， et al^［102］， 2014
北欧地区（Lake Kilpisjärvi）	1964 - 2008年	实地监测	冻结日期推迟2.3 d·a^-1，湖冰厚度减少；气温升高1 ℃，初冰日推迟3.4天，消融日提前3.6天	北大西洋涛动（NAO）并未显著影响湖冰，气温和积雪对湖冰影响剧烈	Lei， et al^［10］， 2012

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从第三极到北极：湖冰研究进展

Lake ice changes in the Third Pole and the Arctic

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