Robust seasonal cycle of Arctic sea ice area through tipping point in amplitude
北极海冰的变化主要受季节循环的影响，年际间的相关性很小。虽然平均海冰面积在卫星观测期间稳步下降，但随着2007年9月海冰面积创历史新低，动态发生了戏剧性的转变。这种变化在季节周期的幅度上比在年平均冰面积上更为明显。令人惊讶的是，尽管总体上呈下降趋势，但在整个观测记录中，季节周期的形状是恒定的。一个简单的解释，独立于温室效应的增加，季节循环的形状提供。因此，北极冰区剧烈的气候变化表现在周期的振幅上，其次是年平均和夏季冰的延伸。气候变化之所以在幅度上最为显著，与常年冰的迅速减少从而冰变薄有关。分析表明，北极冰层面积的临界点在2007年被跨越。
2012-09-17 nlin.CD physics.ao-ph physics.data-an
A machine learning model of Arctic sea ice motions
海冰运动通过输送污染物、热量、水和盐以及改变冰盖在极地气候系统中起着重要作用。许多基于物理学的模式已经被建立来描述海冰与大气和海洋的动力学相互作用。在这项研究中，我们提出了一种新的数据驱动的深度学习方法，该方法利用卷积神经网络（CNN）来模拟北极海冰如何在给定其初始冰速度和浓度的情况下响应表面风而移动。结果表明，CNN计算的海冰响应与现实的相关性平均为0.82，这超过了一组局部逐点预测和领先的海洋动力学模型CICE 5。CNN优越的预测能力表明了海冰运动预测因子的连接模式所起的重要作用。
2021-08-24 physics.ao-ph
Probabilistic forecasts of sea ice trajectories in the Arctic: impact of uncertainties in surface wind and ice cohesion
我们研究了拉格朗日海冰模式neXtSIM对海面风和海冰凝聚力不确定性的响应。neXtSIM中的冰力学基于脆性流变框架。该研究考虑了2008年1月至4月北极海冰的短期集合预报。通过分别和联合扰动风输入和冰凝聚力场来产生合奏。由此产生的不确定性的概率预测进行评估统计分析的基础上，拉格朗日海冰轨迹作为采样的虚拟漂流物播种在模型中，以覆盖北冰洋，并使用从搜索和救援文献借来的度量。不同的合奏之间的比较表明，风扰动占主导地位的预报不确定性，即合奏的绝对传播，而在冰凝聚力场的不均匀性显着增加的传播的各向异性程度，即轨迹漂移不同的方向不同。我们建议，为了得到一个完整的味道的不确定性，在海冰模型与脆性流变，预测海冰漂移和轨迹，应该考虑使用基于集合的模拟风强迫和海冰凝聚力扰动。
2020-11-17 physics.ao-ph
Faster Arctic sea ice retreat in CMIP5 than in CMIP3 due to volcanoes
北极海冰面积的下降趋势是近几十年来气候变化最引人注目的信号之一。全面的气候模式一直在努力重现这一点，通常模拟的海冰退缩速度比观察到的要慢。然而，人们普遍注意到，与上一代模型（CMIP 3）相比，参与耦合模型相互比较项目（CMIP 5）最新阶段的模型中的这种偏差有所减少。在这里，我们研究CMIP 3和CMIP 5的模拟。我们发现，模拟的历史海冰趋势的火山强迫，这是包括在所有的CMIP 5模型，但只有大约一半的CMIP 3模型的影响。火山强迫在1980年代和1990年代引起暂时的模拟冷却，这有助于将模拟的1979-2013年全球平均地面温度趋势提高到比观测值大得多的值。我们发现，这种变暖的偏见是伴随着北极海冰退缩率的提高，因此模拟的海冰趋势，更接近观测值，这是与以前的研究结果海冰范围和全球平均地面温度之间的近似线性关系一致。我们发现两代气候模式模拟的北极海冰对全球变暖的敏感性大大低于已经观察到的。结果表明，CMIP 3和CMIP 5之间北极海冰趋势的大部分差异是由于包含了火山强迫，而不是改进的海冰物理或模式分辨率。
2016-10-11 physics.ao-ph
Nonlinear threshold behavior during the loss of Arctic sea ice
鉴于北极海冰最近迅速消退，一些研究讨论了临界阈值（或“临界点”）的可能性，超过该阈值，冰-水反馈导致冰盖以不可逆转的过程融化。重点通常集中在每年最小（9月）的冰盖，这往往被视为特别容易受到不稳定的冰-冰反馈。在这里，我们研究的核心物理过程与过渡从冰覆盖到无冰的北冰洋条件。我们表明，虽然冰的反馈促进存在多个冰盖状态，海冰的稳定热力学效应减轻这一点时，北冰洋是冰覆盖在一年中足够大的一部分。这些结果表明，临界阈值的行为是不可能的方法从目前的常年冰情的条件下，季节性无冰的条件。然而，在进一步变暖的气候中，我们发现可能会出现一个与剩余的冬季海冰覆盖突然消失相关的临界阈值。
2008-12-27 physics.ao-ph physics.geo-ph
Eurasian cooling in response to Arctic sea-ice loss is not proved by maximum covariance analysis
北极海冰的持续减少对中纬度气候的影响程度受到了极大的关注和两极分化的观点。基本的问题是北极海冰的年际变化是中纬度大气环流变化的原因还是响应。Mori等人（M19）最近的一篇论文声称已经调和了以前相互矛盾的研究，表明在作为观测的ERA中期再分析和大气模式（AMIP）集合气候模式模拟中，都可以识别出中纬度气候对年际海冰异常的一致响应。我们在这里证明，由于对最大协方差分析的解释存在问题，无法得出这样的结论。在将M19方法应用于一个简单的统计模型的输出后，我们得出结论，海冰变率的主要大气强迫，而不是相反，是M19中给出的结果的最合理的解释。
2019-11-25 physics.ao-ph
Light Absorption in Arctic Sea Ice: Chlorophyll and Black Carbon
北极海冰的范围在过去十年中持续下降，部分原因是沉积在雪和底层包上的黑碳（BC）和其他杂质吸收了光。我们目前的模拟显示，北极冰藻叶绿素的光学深度贡献的同期可能是可比的，在北方春季相应的值归因于BC。最大的叶绿素衰减是在底层，支持约300至1000毫克/立方米的白令海和鄂霍次克海的色素浓度。然而，75° N以北地区和加拿大群岛的冰内叶绿素浓度低于0.1微克/立方米。干舷和渗透社区导致中间水平的光去除。由于BC从大气界面向下工作，因此将有它占用光合能力的区域。在冰层厚度允许显著穿透填料柱的地方，冰藻可能是关键的吸收剂。我们提出了一个持续增加的相对叶绿素活性和衰减在未来，生物活动变得更强，在薄冰对北极盆地的中心。由于环保宣传，总的BC混合比降低，这两种吸收器类型的相对重要性可能发生变化。
2017-02-10 physics.ao-ph
The tipping times in an Arctic sea ice system under influence of extreme events
近年来，随着北极海冰的快速消融，引发北极冰盖变化的极端天气事件越来越受到人们的关注。一个非高斯$α$ -稳定的Lévy过程被认为是一个合适的模型来描述这样的极端事件。在$α$ -稳定Lévy噪声下，将基于非局部Fokker-Planck方程的最大似然轨迹应用于非自治北极海冰系统.采用预警临界时间和灾害发生临界时间两种临界时间，分别预测了从常年覆冰状态向季节性无冰状态过渡和从季节性无冰状态向常年无冰状态过渡的最大可能临界时间。我们发现，极端事件强度的增加导致海冰融化预警时间的缩短，而温室效应的增强会加剧这种影响，使得海冰融化预警时间的到来明显提前。同时，对于增强的温室效应，我们发现极端事件强度和频率的增加将使灾害发生的临界时间提前，在此临界时间内，北冰洋全年保持无冰状态。最后，我们确定值的Lévy指数$α$和噪音强度$ε$在$αε$ -空间，可以触发北极海冰状态之间的过渡。这些结果为研究极端事件影响下的北极海冰变化提供了有效的理论框架。
2020-05-10 math.DS nlin.CD physics.ao-ph
Fluctuations and seasonality in the Arctic sea ice area: A sudden regime shift in 2007?
自卫星观测开始以来，北极海冰范围呈下降趋势。3月最高值的下降幅度低于9月最低值，并被年度间波动所掩盖。对海冰响应了解较少的一个方面是波动的持续时间，这可能表明海冰减少背后的主要物理过程。然而，为了确定波动持续时间，有必要首先过滤掉季节性周期的主导影响。因此，在目前的研究中，我们开发了一个统计模型，它准确地分解为：（1）一个可变的季节性周期成分与恒定的形状和（2）剩余（短期）波动的冰面积变化。我们发现波动的持续时间只有大约三个星期，独立于季节，这比以前报道的要短得多。如此短的时间尺度表明了大气强迫的主导作用。令人惊讶的是，尽管下降很快，但整个观测记录的季节周期形状却保持不变。这与季节循环的不对称是北极陆地-海洋地理的一种影响的说法是一致的，这种影响并没有随着气候变化而改变。分析表明，每年的海冰面积幅度在2007年发生了跳跃，至今尚未恢复，可能揭示了永久性的幅度变化。从物理意义上讲，这可能意味着在2007年巨大的多年冰损失之后开始向更年轻，更薄和更容易受到影响的冰盖转变。
2013-08-22 nlin.CD physics.ao-ph physics.data-an
Identifying Arctic states vulnerable to rapid ice loss with a convolutional neural network
University of St Andrews（圣安德鲁斯大学）；National Centre for Atmospheric Science, University of St Andrews（国家大气科学中心）
本研究利用卷积神经网络（CNN）分析气候模型集合数据，识别北极易受快速海冰损失影响的区域，发现2007年前后及2015年后风险上升，该方法可用于评估北极海冰变化风险。
2026-10-14 physics.ao-ph
An approach for projecting the timing of abrupt winter Arctic sea ice loss
由于海冰平衡在CO $_2$阈值（通常称为临界点）崩溃，在人为变暖的情况下，冬季北极海冰可能会突然和不可逆转地流失。以前的工作一直无法最终确定北极海冰是否存在临界点，因为完全耦合的气候模式计算成本太高，无法为许多CO $_2$值运行到平衡状态。在这里，我们探讨了海冰从其平衡态下的CO $_2$增加的现实率的偏差，以证明如何一些随时间变化的CO $_2$实验可以用来预测海冰临界点的存在和时间，而无需运行模型到稳态。这项研究强调了使用一个单一的实验与缓慢变化的CO $_2$发现海冰稳态的变化是无效的，并提供了一种替代方法，可以开发用于识别现实的气候模式中的临界点。
2022-12-20 physics.ao-ph physics.geo-ph
On the existence of stable seasonally varying Arctic sea ice in simple models
在低阶热力学理论的框架内，北极海冰的气候演变，我们隔离的稳定的季节性变化的解决方案，其中冰形成每年冬天和融化每年夏天的存在所需的条件。这是通过从Eisenman和Wettlaufer（2009）的连续演化理论构建一个两季模型来完成的，并表明季节变化的状态在恒定的年平均短波辐射强迫下是不稳定的。然而，将夏季分为两个时间段（有冰和无冰）提供了足够的自由度来稳定季节性冰。简单的摄动理论表明，稳定性的条件是由冰在夏季何时消失，从而夏季海洋热通量与冰的相对大小决定的。在温室气体变暖的背景下，作为一个功能，其中稳定条件被识别，这种情况下进行检查。
2012-05-07 nlin.CD physics.ao-ph
Integrating Fourier Transform and Residual Learning for Arctic Sea Ice Forecasting
提出集成FFTstack与梯度提升的框架，利用多变量和时空数据预测北极海冰范围，性能优于或相当于现有模型，并提升多变量时间序列模型表现。
2023-12-20 physics.ao-ph
Arctic Sea Ice and the Mean Temperature of the Northern Hemisphere
许多作者都认识到了北半球积雪和冰覆盖范围的重要性，从而导致地表反射率对气候的正反馈。事实上，北极海冰的退缩伴随着北极地区太阳输入的增强，即陆地辐射的减少。在过去的六十年里，我们一直在研究这种影响，并估计了北半球相应的全球变暖。使用一个简单的一维模型，其中包括温室气体的同时增加。结果表明，在1955 - 2015年，后者仅直接导致0.2 K的温度升高，而同期北极海冰损失的温度升高幅度则高达0.7 +/- 0.2 K。这些数字包括了北半球报告的平均温度上升1.2 +/- 0.2 K的大部分。海冰退缩的起源进行了讨论，例如内部变化或反馈的CO2浓度增加。我们的数据还表明，全球地面温度上升的延迟响应海冰的损失与时间常数约10至20年。
2017-06-19 physics.ao-ph physics.geo-ph
MT-IceNet -- A Spatial and Multi-Temporal Deep Learning Model for Arctic Sea Ice Forecasting
University of Maryland Baltimore County（马里兰大学巴尔的摩县分校）
本文提出MT-IceNet，一种基于UNet的空间与多时间尺度深度学习模型，融合NSIDC海冰数据和ERA5再分析变量预报北极海冰密集度，在6个月预见期下预测误差较现有最优模型最多降低60%。
2023-08-08 cs.AI cs.LG physics.ao-ph
Statistical Mechanics and the Climatology of the Arctic Sea Ice Thickness Distribution
本文研究了气候强迫下北极海冰厚度分布的季节变化。我们的分析和数值方法基于$g(h)$的Fokker-Planck方程（Toppaladoddi \& Wettlaufer \emph{Phys. Rev. Lett.} { \bf 115}，148501，2015），其中热力学增长率是使用观测到的气候学确定的。特别地，福克-普朗克方程耦合到Eisenman \& Wettlaufer的观测上一致的热力学模型（\emph{Proc. Natl. Acad. Sci. USA} { \bf 106}，pp. 28-32，2009）。我们发现，由于热力学和力学的综合作用，$g(h)$在冬季扩展，在夏季收缩。这种行为与最近来自CryoSat-2的卫星观测结果一致（Kwok \& Cunningham，\emph{Phil. Trans. R. Soc. A} { \bf 373}，20140157，2015）。因为$g(h)$是概率密度函数，所以我们量化所有的关键时刻（例如，平均厚度、薄/厚冰比例、平均冰厚、弛豫时间尺度）随温室气体辐射强迫$ΔF_0$的增加而增加。平均冰厚度随$ΔF_0$呈指数衰减，但{ \em慢得多}，比单独的热力学模型。这表明冰力学在维持冰盖方面发挥着至关重要的作用，通过将薄冰重新分配为厚冰-比单独的热增长快得多。
2016-12-23 physics.ao-ph
SIFM: A Foundation Model for Multi-granularity Arctic Sea Ice Forecasting
Fudan University（复旦大学）；Shanghai AI Laboratory（上海人工智能实验室）；Chinese University of Hong Kong（香港中文大学）
本文提出海冰基础模型SIFM，通过同时建模北极海冰密集度的时间粒度内与粒度间信息，实现多时间粒度的统一预测，并在实验中优于现有深度学习模型。
2024-10-16 cs.LG physics.ao-ph
A Low Order Theory of Arctic Sea Ice Stability
我们分析了低阶耦合海冰和气候模式的稳定性，并提取了作为温室气体强迫函数的响应时间尺度的基本物理。在目前的气候条件下，稳定性由长波辐射驱动的热传导控制。然而，随着温室气体强迫的增加和冰盖的衰减，冰-气反馈的不稳定影响与长波稳定作用是同等重要的。两者都是季节性的相位和系统变暖的季节性冰的状态，这些影响，这是气候状态之间的分歧，结合表现出“放缓”，延长内在的松弛时间尺度从2年到5年。
2011-09-15 physics.ao-ph physics.geo-ph
Extremes of summer Arctic sea ice reduction investigated with a rare event algorithm
本文将罕见事件算法用于 PlaSim-LSG 集合模拟，定量估计工业化前气候下北极夏季极端海冰减少的超长重现时间，并揭示冬季前期条件、暖湿大气与感热通量共同触发海冰—反照率反馈。
2024-04-08 physics.ao-ph
An Estimate of the Surface Pollution of the Arctic Sea Ice
北极海冰是北半球气候的一个重要能量库。在过去的几十年里，极地冰层的萎缩减少了储存的能量，并引起了对未来气候变化的严重关注。[1-4]本文作者[5，6]的模型计算表明，过去50年中全球变暖的一半与海冰的退缩直接相关，而原因尚不清楚，例如表面污染的作用[7-10]。我们分析了1979年至2018年北部海冰的年度融化和冻结数据[11]，以获得一些见解。从我们的简单模型中可以推导出两个特征：（i）最近的结果[12，13]证实，大约60%的海冰损失源于向北极地区的能量输送。(ii)我们发现的证据表明，其余部分的冰撤退源于增加太阳辐射的表面吸附，显然是由于上升的表面污染的海冰。虽然这一现象以前被认为是由几个作者在定性的方式，我们的分析有助于半定量信息的情况。我们估计，在过去的50年里，光吸收气溶胶在海冰上的相关沉降增加了17 +/-5%。在融化区域额外沉积3 +/-1%的太阳辐射导致冰退缩。回顾冰损失对陆地气候的重要作用，[3，5，9]北极空气污染的降水似乎是全球变暖的一个重要因素。
2019-12-04 physics.ao-ph physics.geo-ph
Ising model for melt ponds on Arctic sea ice
北极海冰融化的最具标志性的特征也许是在晚春期间在其表面形成独特的复杂池塘。融化池的演变及其几何特征决定了气候模拟中的一个关键参数--海冰的融化度。然而，对这种演变的理论理解和几何特征的预测仍然难以捉摸。为了解决极地气候科学中的这一基本问题，本文引入了一个二维随机场伊辛模型。池塘被确定为系统的亚稳态，其中的二进制自旋变量对应于存在的融水或冰的海冰表面。只有一组最小的物理参数，模型预测同意非常密切与所观察到的幂律缩放的池塘尺寸分布和临界长度尺度，熔体池经历了过渡的分形几何。
2017-08-10 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph
The interaction of seasonality and low-frequencies in a stochastic Arctic sea ice model
北极海冰的随机模型可以描述为一个单周期的非自治随机常微分方程，它可以用来解释北极海冰的季节变化。然而，为了更接近实际的近似，我们考虑包含长期强迫，这意味着缓慢变化的海洋或大气低频的影响。由于Fokker-Planck方程在处理高阶矩计算方面的优势，在本研究中，我们依赖于等效的Fokker-Planck方程而不是随机常微分方程。我们包括简单的长期强迫福克-普朗克方程，然后寻求近似的随机解。形式主义的基础上的福克-普朗克方程与奇异摄动方法是灵活的，以适应进一步的复杂性，由于列入长期强迫。这些解决方案，然后应用到随机北极海冰模式与长期强迫。北极海冰模式中强的季节性与长期强迫相结合，改变了季节变率，这取决于长期强迫的阶段。这种变化包括均值的移动以及方差和偏度的增加或减少。随机实现表明，由于长期强迫的统计矩的变化是通过特别集中在一年中特定时间的异常波动来实现的。
2016-10-31 math.PR nlin.CD physics.ao-ph
Adaptation of NEMO-LIM3 model for multigrid high resolution Arctic simulation
海洋和海冰的高分辨率区域后报在评估北冰洋的航运和运营风险方面发挥着重要作用。对冰-海模式NEMO-LIM 3进行了改进，以提高其模拟质量，获得合适的时空分辨率。设计了一个连接粗（14公里）和细分辨率（5公里）模式配置的多重网格模式设置。这两种配置分别实施和运行。与内置的AGRIF嵌套系统相比，由此产生的计算成本较低。冰和示踪剂边界条件方案进行了修改，以实现正确的粗，细网格之间的相互作用，通过一个长的冰覆盖的开放边界。实施了冰恢复方案以减少起转时间。本文描述的NEMO-LIM 3配置为高分辨率区域北极模拟提供了更灵活和可定制的工具。
2019-02-05 cs.SE physics.ao-ph
Simple rules govern the patterns of Arctic sea ice melt ponds
近年来，气候变化在遥远的北方被放大，导致海冰迅速减少。在夏季，北极海冰表面形成融化池，显著降低了冰的反射率，从而加速了冰的融化。池塘的几何形状控制着这一关键反馈的细节;然而，池塘几何形状的可靠模型目前还不存在。在这里，我们展示了一个简单的模型，周围的随机大小和放置重叠的圆圈空隙重现池塘模式的基本特征。只有两个模型参数，特征圆半径和覆盖率，通过比较，模型和池塘的航空照片，两个关联函数，确定典型的池塘大小和它们的连通性之间的选择。使用这些参数，空隙模型鲁棒地再现了池塘的面积周长和面积丰度的关系超过6个数量级。通过分析多个日期池塘的关联函数，我们还发现池塘规模和连通性在不同年份和冰型之间惊人地恒定。此外，我们发现，池塘类似于渗流阈值附近的渗流集群。这些结果表明，北极融化池的几何形状和丰富的可以简单地描述，这可以利用在未来的北极融化池模型，将改善海冰对北极变暖的响应预测。
2018-04-13 nlin.PS physics.ao-ph physics.geo-ph
A stochastic model for the turbulent ocean heat flux under Arctic sea ice
本研究针对北极海冰下湍动海洋热通量建模难题，提出基于耦合常随机微分方程的随机模型，经SHEBA项目数据验证可准确捕捉相关物理量的概率密度函数，为气候模型中的热通量参数化提供了低成本计算方案。
2025-01-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Arctic melt ponds and bifurcations in the climate system
了解海冰如何融化对气候预测至关重要。在北极，春末和夏季在海冰表面形成的融化池在很大程度上决定了它们的冰温--气候模拟中的一个关键参数。在这里，我们探讨了一个概念性的海冰气候模型通过一个分叉点的可能性-一个不可逆的临界阈值系统变暖，通过将几何信息融化池的演变。本研究基于冰-水反馈作为驱动系统分岔点的关键机制的能量平衡气候模式的分岔分析。
2014-08-11 nlin.PS physics.ao-ph
Stochastic dynamics of Arctic sea ice Part I: Additive noise
我们分析了一个随机北极海冰模式的数值解，该模式在一个宽范围的外部热通量$ΔF_0$（对应于温室气体强迫）上具有恒定的加性噪声。随机性提供的确定性的恒定状态的解决方案（常年和季节性冰状态）的可变性说明通过检查随机路径和概率密度函数（PDF）。计算主随机矩（标准差、平均值和偏度），并与Moon和Wettlaufer（2013）先前描述的随机扰动理论确定的随机矩进行比较。我们详细研究了不稳定的海冰的竞争作用，不稳定的反馈和稳定的长波辐射损失的贡献增加温室气体强迫下的冰盖的变化。特别是，在夏末的随机路径的变异性显示出一个明确的最大值，这是由于组合的重要性日益增加的反馈和其相关的“记忆效应”，积累从早春到夏末。这是抵消了稳定的冰盖由于长波损失的能量从冰面，这是在冬季增强，从而集中在随机路径和减少在冬季的变化。解释这些效应的组织原则是一个广义的Ornstein-Uhlenbeck过程与时间相关的潜力。
2017-05-04 physics.ao-ph
The Arctic surface climate in CMIP6: status and developments since CMIP5
在这里，我们评估的海冰，表面气温，海平面气压从31个模型中使用的耦合模式相互比较项目第6阶段（CMIP 6）的偏差，趋势和变化，并比较它们的CMIP 5合奏和ERA5再分析期间1979年至2004年。本评估的主要目的是提供CMIP 6集合代表北极气候的能力的概述，并了解自CMIP最后一个阶段以来这一能力的变化。总体而言，我们发现一个显着的改善，在代表性的海冰量，但也在海冰的范围，主要是在巴伦支海的季节性周期的改善。然而，许多模型偏差一直持续到CMIP6，包括冬季太冷的条件（4 K冷偏差）和冬季冰的日常变化的负趋势。我们发现，在低排放情景下，SSP 126，预计到2060年，北极气候将稳定下来，海冰范围约为250万平方公里，温度比20世纪初的平均温度高4.7 K，而全球变暖1.7 K。
2019-12-25 physics.ao-ph
Analysis of an Arctic sea ice loss model in the limit of a discontinuous albedo
随着北极海冰范围随着温室气体的增加而减少，人们越来越感兴趣的是，是否会有一个与其损失相关的分叉，以及是否有显着的滞后与该分叉。回答这个问题的一个挑战是，某些北极能量平衡模型的分叉行为已被证明是敏感的冰-冰反馈是如何参数化的。我们分析了北极的能量平衡模型的极限作为一个平滑参数与冰的反馈趋于零，这引入了一个不连续边界的动力系统模型。我们的分析提供了一个案例研究，我们使用该系统在此限制，以指导调查的分歧行为，原来的非线性平滑系统。在这种情况下，我们证明了某些定性的分岔行为的非线性光滑系统可以有对应的极限没有非线性光滑。我们使用这个观点来系统地探索模型的参数空间。例如，我们发现的参数集，最大的过渡，随着温室气体的增加，是从一个常年冰封的北极季节性无冰状态，一个不寻常的分叉的情况下，仍然存在，即使当重新引入平滑。这种分析提供了一个替代的角度来看，模型的参数如何影响分叉行为。我们希望我们的方法（利用排斥滑动区间的宽度来理解滞后环）能够推广到具有类似自然分段平滑限制的其他正反馈系统，并且反馈强度也会随着季节或其他周期性强迫而调制。
2016-06-13 math.DS physics.ao-ph
Decadal to seasonal variability of Arctic sea ice albedo
海冰覆盖的季节性和气候演变的一个控制因素是它的覆盖度$α$。在这里，我们分析北极数据从先进的甚高分辨率辐射计（AVHRR）极地探路者和评估的季节性和变化的宽带天气从23年的日常记录。我们制作了一个直方图，每天的冰覆盖的地区，其中主要的冰过渡被认为是高冰在冬末和春季，积雪融化和融化池形成的发病，在夏天，和秋季冻结。双峰夏末分布演示了组合的极地进展的开始融化与常年裸冰与融化池和开放的水，然后合并到一个广泛的峰值在$α\gtrsim $ 0.5共存。我们发现，年际变化占主导地位的低端的$α$分布，突出的控制影响的冰厚度分布和大尺度冰缘线动态。所获得的统计数据提供了一个简单的框架，模型研究的参数化和敏感性。
2011-09-14 physics.ao-ph physics.geo-ph
A comparison of wave observations in the Arctic marginal ice zone with spectral models
随着北极地区经济活动和研究兴趣的增加，对边缘冰区（MIZ）进行更好的海浪预报的需求也越来越大。海冰中波传播的数学和数值模型将受益于更多的现场数据进行验证。本研究提出了船载波测量从MIZ高度计读数校正船舶运动，以获得估计的单点海洋表面高程。从组合测量中，我们获得了有效的波高和零交叉周期，以及一维波谱。此外，我们提供的频谱和综合参数从惯性运动单位（IMU）放在浮冰内的MIZ。结果进行了比较，从WAM-4谱波模型在一段时间内的开放的海洋中的综合参数。我们还比较了我们的测量内外的MIZ与后报数据从新的泛北极WAM-3模型和波浪观察III模型的欧洲北极，这两个模型波衰减在海冰。与WAM-4和WW 3在零交叉期和MIZ外的显著波高方面有较好的一致性，偏差小于23%。另一方面，WAM-3比观测值高出60%。WW 3和WAM-3能够估计MIZ内显著波高和零上升期的趋势，尽管观测结果的差异大于公海。海冰对波浪的阻尼作用是通过考察空间衰减系数来研究的。预测的衰减系数被发现是72-83%，小WW 3和3-64%，大WAM-3相比，观察。因此，进一步的模型调整是必要的，以更好地估计波参数的冰。
2020-12-04 physics.ao-ph
Snow topography on undeformed Arctic sea ice captured by an idealized "snow dune" model
我们预测北极海冰未来的能力受到冰对详细表面条件（如雪和融化池的分布）的敏感性的限制。冰上的雪降低了冰的导热性，增加了它的反射率，并在夏季为融化池提供了融水的来源，从而降低了冰的反射率。在本文中，我们开发了一个简单的模型，融化前的积雪地形，准确地描述了积雪的单位，未变形的北极海冰在几个研究地点的数据。该模型认为，表面是一个随机大小和放置的“雪沙丘”表示为高斯丘的总和。该模型概括了Popović等人（2018）的“空隙模型”，因此准确描述了熔池几何形状的统计数据。我们测试这个模型对详细的激光雷达测量融化前的雪地形。我们表明，模型雪深分布是统计上无法区分的测量平冰，而小的分歧存在，如果冰变形。然后，我们使用这个模型来确定通过冰的传导热通量的解析表达式，并在池塘形成的早期阶段融化池塘覆盖演变。我们还制定了一个标准，冰保持池塘免费整个夏天。我们模型的结果可以直接包含在大尺度模型中，从而提高我们对海冰能量平衡的理解，并允许对未来气候中的北极海冰进行更可靠的预测。
2022-03-07 nlin.PS physics.ao-ph physics.geo-ph
Sea-Ice Distribution and Mixed-Layer Depths in Fram Strait
为了理解北极冰缘线的动力学，我们提出了一个弗拉姆海峡热量和质量传输的简单模式，揭示了控制边缘海海冰范围和北极混合层深度和性质的一些基本机制。我们确定和研究相关的关键机制Untersteiner，边界层结构附近的冰缘线的海冰楔描述，展示冰的厚度和范围如何依赖于冰出口率，大气强迫和传入的温暖和咸大西洋水在西斯匹次卑尔根群岛电流的属性。我们的时间依赖性的结果表明，冰的前进和后退的速度之间的季节性不对称性和解释的显着变化，在整个弗拉姆海峡的海冰的南部范围内，与长冰舌对应的东格陵兰海流。我们的简单模型表明，北极海冰覆盖变薄将导致北大西洋变暖和变淡，这将给北极冰盖的不稳定反馈，导致大西洋经向翻转环流的减缓。
2017-12-20 physics.ao-ph physics.geo-ph
Sea ice trends in climate models only accurate in runs with biased global warming
观测表明，北极海冰覆盖面正在迅速缩小，而南极海冰覆盖面正在稳步扩大。相比之下，最先进的气候模式通常模拟北极和南极海冰覆盖的适度减少。然而，在每个半球，都有一小部分模式模拟的海冰趋势与观测结果相似。在此基础上，最近的一些研究表明，当考虑到模拟的内部气候变率时，模型与每个半球的观测结果是一致的。在这里，我们研究海冰变化在1979年至2013年的模拟从最新的耦合模式相互比较项目（CMIP 5）以及社区地球系统模型大型Ensemble（CESM-LE），借鉴以前的工作，发现全球平均表面温度和海冰范围之间的密切关系，在气候模式。我们发现，1979 - 2013年北极海冰退缩速度与观测结果一样快的所有模拟结果都比这一时期的观测结果显示出更多的全球变暖。使用两种不同的方法来估计在两个集合中每个模拟中观测到的全球变暖水平下发生的海冰退缩，我们发现模拟的北极海冰退缩速度与观测到的一样快，发生的时间不到1%。这意味着模型与观测结果不一致。在南极，我们发现模拟的海冰扩张速度与观测到的一样快，通常与全球变暖太少相对应，尽管这些结果更加模棱两可。我们表明，正因为如此，模拟没有捕捉到观察到的北极和南极海冰趋势之间的不对称性。这表明，在两个极地，模型可能因为错误的原因而得到了正确的海冰趋势。
2017-05-10 physics.ao-ph
Centennial-scale variability of the Atlantic Meridional Circulation in CMIP6 models shaped by Arctic-North Atlantic interactions and sea ice biases
该研究首次系统比较 CMIP6 工业化前控制模拟中的百年尺度 AMOC 变率，发现北极—北大西洋淡水交换及拉布拉多海海洋—海冰反馈是关键机制，海冰偏差可作为观测约束。
2024-06-14 physics.ao-ph
A recent tipping point in the Arctic sea-ice cover: abrupt and persistent increase in the seasonal cycle since 2007
关于北极海冰是否已经超过“临界点”，或者将来是否会超过“临界点”，目前正在进行辩论。最近的几项研究认为，夏季海冰的减少并不涉及不可逆的分叉，因为它在模型中是高度可逆的。然而，“临界点”的广义定义还包括其他突然的非线性变化，这些变化既不是分叉，也不一定是不可逆转的。对北极海冰面积卫星数据的研究表明，2007年季节性变化幅度突然增加，并从那时起一直持续下去。我们确定了这种突然的转变，使用最近开发的方法，可以检测多模态的时间序列数据，有时预警分叉。当从卫星数据中去除平均季节周期（截至2008年）时，剩余海冰波动在2007年左右从单峰转变为多峰。我们最初将其解释为一个分叉，其中一个新的较低的冰盖吸引子出现在非季节性波动中，并从2007年起在每年夏秋季节进行采样。然而，这种解释显然是敏感的季节性周期是如何从原始数据中删除，并限制冬春冰波动的大陆陆块的存在。此外，没有强大的预警信号的临界减速之前，假设的分叉。然而，预警指标确实显示，自2007年以来，夏秋季海冰覆盖面出现了不稳定。因此，分叉假说缺乏一致的支持，但2007年北极海冰覆盖的季节性周期幅度突然持续增加，我们称之为（非分叉）“临界点”。我们的统计方法检测这一“临界点”及其发生的时间。
2013-01-22 math.DS physics.ao-ph physics.geo-ph
Fluctuations in Arctic Sea Ice Extent: Comparing Observations and Climate Models
在卫星时代观测到的海冰范围的波动统计进行了比较，从CMIP 5模式使用多重分形时间序列方法的模型输出。观测的两个强大的功能是，在一年到两年的时间尺度上，冰的范围呈现白噪声结构，并有一个十年尺度的趋势与冰盖的衰减。结果表明：（i）从模式中提取的时间尺度存在很大的模式间变异性;（ii）没有一个模式表现出卫星观测中发现的年代际时间尺度;（iii）在所考察的21个模式中，有{5}个模式表现出观测到的白噪声结构;（iv）多模式集合平均既没有表现出观测到的白噪声结构，也没有表现出观测到的年代际趋势。它建议，通过这种方法产生的观察到的波动统计作为一个适当的测试床建模研究。
2018-06-23 physics.ao-ph physics.geo-ph
A comparison of an operational wave-ice model product and drifting wave buoy observation in the central Arctic Ocean: investigating the effect of sea ice forcing in thin ice cover
在拉普捷夫海以北的北冰洋中部部署了两个漂流测波浮标，历史上没有波浪观测。一个实验性的测波浮标与一个商用浮标并排部署。浮标间的对比表明，实验浮标准确地测量了波高和周期，因此，浮标数据被用来研究该地区的波冰模式的可预报性。我们关注的第一个事件是当两个浮标都观察到显著波高$H_{m0}$突然降低时。这是由于风向由沿冰缘线向冰外风转变所致。该事件与ARC MFC波冰模型产品进行了比较，后者低估了$H_{m0}$。不准确的模型表示的冰舌位于上风的浮标被发现限制了可用的取波增长。第二种情况是当浮标进入冰盖形成新的冰;一个冰上波事件被观察到，浮标顺风测量1.25米$H_{m0}$。在这种情况下，ARC MFC波冰模型产品大大低估了顺风浮标$H_{m0}$。为了研究这一事件，通过比较ARC MFC海冰强迫与neXtSIM海冰模型产品来检查模型冰情。我们的分析显示，未解决的冰类型（如年轻冰和灰冰）的薄冰厚度分布，通常小于30厘米。ARC MFC模式的波浪耗散率具有海冰厚度依赖性，高估了薄冰盖下的波浪耗散率，需引入能分辨薄冰盖厚度分布的海冰强迫来提高模式的可预报性。这项研究提供了一个观察洞察力，以更好地预测波在边缘冰区时，新的冰的形式。
2023-02-02 physics.ao-ph physics.geo-ph
Stochastic dynamics of Arctic sea ice Part II: Multiplicative noise
我们分析了一个带有乘性噪声的北极海冰随机模式的数值解，该模式对应于温室气体强迫的外部热通量$ΔF_0$。当噪声是乘性的，噪声幅度取决于状态变量，这将影响统计矩的方式，不同于添加剂的情况下，我们在本研究的第一部分分析。描述我们的模型的确定性骨干的状态变量是能量，$E(t)$，包含在冰或海洋和彻底的比较和对比，我们选择最简单的形式的乘性噪声$σE(t) ξ(t)$，其中$σ$是噪声幅度和$ξ(t)$是噪声过程。恒定加性噪声（CA）的情况下，我们写为$σ\overline{E_S}ξ(t)$，其中$\overline{E_S}$是周期性确定性稳态解$E_S(t)$或确定性季节周期的季节平均值。然后，我们处理的情况下，季节性变化的加性噪声（SVA），$σE_S(t) ξ(t)$，以及两种类型的乘性噪声，依赖于形式的随机微积分（伊藤或Stratonovich）用于解释噪声本身。这四种情况下的比较揭示了随机解剖系统的整个范围内的$ΔF_0$从常年冰状态附近的无冰状态。
2017-05-04 physics.ao-ph
Trends, noise and reentrant long-term persistence in Arctic sea ice
我们研究长期的相关性和多重分形性质的每日卫星反演北极海冰覆盖度和范围，为$\sim$ 23年和32年的周期分别。该方法利用了一种称为多重分形时间加权去趋势波动分析（MF-TWDFA）的最新发展，该分析利用了时间上较近的点比较远的点更有可能相关的直觉。在这两个数据集中，我们提取多个交叉时间，其特征在于广义赫斯特指数，从天气到年代际。该方法超越了假设单个衰减尺度过程的治疗，例如一阶自回归，这不能被证明适合于这些观测。重要的是，季节性周期的强度“掩盖”了季节性以外时间尺度上的长期相关性。当从原始记录中删除季节循环时，冰范围数据从季节到双季节时间尺度呈现出白噪声行为，而短（天气）和长（$\sim$ 7和9年）时间尺度的清晰指纹仍然存在，后者与冰盖最近的衰减有关。因此，长期持久性是超出季节尺度的折返性，不可能区分给定的冰范围最小/最大值之后是否会出现大小更大或更小的最小/最大值。
2012-02-15 physics.ao-ph physics.geo-ph
Arctic teleconnection on climate and ozone pollution in the polar jet stream path of eastern US
The University of Sydney（悉尼大学）；Chennai Mathematical Institute（马德拉斯数学研究所）；AI 4 Water LTD（AI 4 Water有限公司）；Institute for Interdisciplinary Research（跨学科研究所）；School of Computational and Integrative Sciences, Jawaharlal Nehru University（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁大学计算与综合科学学院）
研究探讨了北极海冰变化通过大气路径影响美国东部臭氧水平的机制，发现北极海冰通过气象间接机制影响臭氧，内陆地区敏感性最高，沿海受海洋边界层过程调节。
2026-04-30 physics.ao-ph physics.data-an stat.AP
Topological Data Analysis Detects Percolation Thresholds in Arctic Melt-Pond Evolution
在夏季融化期间，北极海冰融化时在其表面形成池塘，对冰的演变和海洋生态产生重要影响。由于冰-水反馈，这些融化池经历不均匀的热吸收，并表现出复杂的模式，这激发了建模和数据分析的发展，以了解其特定的动态。我们提供了一个多尺度的形状分析，使用计算代数拓扑工具，同时捕获凸性，接近性，完整性和特征尺寸补充现有的单尺度量化。特别感兴趣的模拟池塘是一个渗透阈值，在当地池塘结构开始合并成宏观特征。这种逾渗阈值以前已经观察到使用分形维数技术。符号欧几里德距离变换（SEDT）是二值图像中异质形状的拓扑编码，并且先前已被应用于多孔介质的渗流以及其他材料行为。在这里，我们适应SEDT北极融化池数据，以提供丰富的表征和计算的形状，量化整体融化池的发展，在几个互补的方式，并从经典的渗流和尺寸的结果可以提取。这种方向不变的拓扑方法区分不同的动态网络模型的不同复杂性的熔体池的演变。
2022-12-15 math.AT physics.ao-ph physics.data-an
Hierarchical Information-sharing Convolutional Neural Network for the Prediction of Arctic Sea Ice Concentration and Velocity
Lehigh University（理海大学）
本文提出层次信息共享 U-net（HIS-Unet），通过加权注意力模块让海冰浓度与速度信息互相辅助，实现北极海冰浓度和速度的联合预测，并在边缘冰区表现更优。
2024-11-20 cs.CV cs.LG physics.ao-ph
Research and experimental verification on low-frequency long-range sound propagation characteristics under ice-covered and range-dependent marine environment in the Arctic
Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources（自然资源部海洋研究所）；Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院声学研究所）
本文基于简正波理论推导翘曲变换，结合实测环境模拟与超1000km北极实验，揭示地形、声速剖面及冰盖对低频远距离声传播的影响，并首次实现单水听器简正波分离与色散提取。
2023-11-13 cs.NA cs.SD math.NA
Probabilistic bias adjustment of seasonal predictions of Arctic Sea Ice Concentration
Environment and Climate Change Canada（加拿大环境与气候变化部）
本文提出了一种基于条件变分自动编码器的概率误差校正框架，用于提高北极海冰浓度季节预测的准确性与可靠性。
2026-02-07 cs.AI cs.LG physics.ao-ph
Integrating Regional Ice Charts and Copernicus Sea Ice Products for Navigation Risk in Alaskan Waters
本研究通过整合区域冰图与哥白尼海冰数据，评估阿拉斯加水域航行风险，发现两者互补提升导航准确性。
2025-12-11 physics.ao-ph physics.geo-ph
Wave measurements from ship mounted sensors in the Arctic marginal ice zone
对北极的研究兴趣和经济活动增加，需要对海冰动态进行新的观测。遥感以及海冰中波传播的数学和数值模型将受益于更多的现场数据以供验证。本研究提出了波浪测量的边缘冰区（MIZ）获得的船上安装的传感器。该系统将船首的高度计读数与船舶运动校正数据相结合，以提供估计的单点海洋表面高程。有效波高和平均波周期，以及一维波谱来自组合测量。的结果进行比较，从一个频谱波模型在一段时间内的8天在公海的综合参数，并与频谱和综合参数来自放置在浮冰内的MIZ的运动探测仪器。综合参数的平均绝对误差范围为15.0-18.9%，与有效的运动检测仪器相比，平均绝对误差范围为1.0-9.6%。通过观察在离散频率值处发现的频谱波幅的变化来估计空间波阻尼系数，因为在发现波场在时间上近似恒定的时间间隔内，船舶沿着MIZ的纵向方向移动。正如理论所预期的那样，高频波被海冰的存在有效地阻尼。所观察到的波衰减率与两层耗散模型相比较。我们的方法可以被认为是一种简单可靠的方法来收集更多的冰中波浪数据，因为它可以很容易地添加到任何参与冰探险的船只上，只需很少的额外费用。
2020-12-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Strategies for the Simulation of Sea Ice Organic Chemistry: Arctic Tests and Development
连接冰藻生态动力学与有机大分子在盐水通道中的积累的机制进行了测试离线包地球化学的简化模型。驱动物理量提取自全球海冰动力学程序CICE，包括积雪高度，柱厚度和内部温度。这些变量在区域尺度上平均超过10个北极地理区，并作为输入矩阵在四个垂直栖息地水平。营养光盐限制冰藻的生长与相关的放牧加上死亡率一起计算。垂直运移是扩散性的，但与孔隙结构有关。模拟的底层叶绿素最大值是合理的，虽然相对于观测延迟了大约一个月。这突出了来自雪厚变化的主要不确定性。上层生物群通过洪水间歇性地产生。高分子注射剂由化合物类腐殖酸、蛋白质、多糖和脂质代表。新鲜的生物聚合物以连续的方式表现，并被细菌去除。在基线运行中，有机物仅通过细胞破裂引入，并且内部碳偏低。连续渗出，因此，附加，并与溶解的有机物或个别生物聚合物的测量协议时，实现强释放耦合到光的可用性。碎屑碳达到数百微摩尔，足以支持冰基质的物理变化。通过这个优化的模型版本，我们解决的问题，高分子量的有机物添加到盐水网络超过和以上的背景溢出？该机制的配置可随时扩展到南极，以便针对全球冰有机化学问题。
2016-09-25 physics.ao-ph q-bio.QM
A black-box-model-enhanced interaction method for water-wave scattering by large group of arbitrary-shaped ice floes in Arctic route planning
State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室）；Department of Mechanical Engineering, University College London（伦敦大学学院机械工程系）
本研究提出WCD黑箱模型构建DTM，开发EI方法高效预测北极航线中大量任意形状浮冰的水波场，结合动态规划优化航线，可使船舶平均波幅降至入射波幅约一半，计算效率极高。
2026-08-12 physics.ao-ph
Sea ice and methane
1)南部高纬度地区大气甲烷的年循环与南极海冰范围有极高的相关性。2)北极大气甲烷的年循环与南极或北极加南极海冰范围高度相关。3)我们认为，全球大气甲烷的年循环主要是由南极海冰动力学驱动的，相对较强的影响，从其他通量（可能是生物）在北半球。4)我们建议脱气过程中海冰冻结和温度依赖的溶解度在海洋中占主导地位的年度甲烷循环。5)结果提供证据表明，碳循环途径，参数和预测必须重新评估。
2020-09-07 physics.ao-ph physics.geo-ph
Sea Ice Forecasting using Attention-based Ensemble LSTM
University of Maryland, Baltimore County（马里兰大学巴尔的摩县分校）
准确预测北极海冰从亚季节到季节尺度一直是一项重大的科学工作，面临着根本性的挑战。除了基于物理学的地球系统模型外，研究人员还将多种统计和机器学习模型用于海冰预测。着眼于数据驱动的海冰预测的潜力，我们提出了一种基于注意力的长短期记忆（LSTM）集成方法，以预测每月的海冰范围提前1个月。使用来自NSIDC的每日和每月卫星检索的海冰数据以及来自ERA5再分析产品的大气和海洋变量，我们证明了我们的多时相集成方法优于几种基线和最近提出的深度学习模型。这将大大提高我们预测未来北极海冰变化的能力，这对于预测运输路线、资源开发、海岸侵蚀、对北极沿海社区和野生动物的威胁至关重要。
2022-02-08 cs.AI cs.LG physics.ao-ph
The Arctic Ocean seasonal cycles of heat and freshwater fluxes: observation-based inverse estimates
本文首次估计了北冰洋边界附近海洋和海冰净热量和淡水通量的季节循环。海洋运输估计主要使用138停泊仪器部署在2005年9月至2006年8月的四个主要的北极门户：戴维斯，弗拉姆和白令海峡，和巴伦支海开口（BSO）。根据海冰同化产物估算海冰输送。月速度场的计算与箱逆模型，强制执行体积和盐度守恒。由此产生的净海洋和海冰热量和FW通量（年平均$\pm$ 1标准差）分别为175 $\pm$ 48 TW和204 $\pm$ 85 mSv（1 Sv = 10 $^{6} m^{3} s^{-1}$）。这些界面通量准确地代表了相关地表通量的年平均值。海洋净热输送变率是由水柱上部的温度变率和大西洋水层的体积输送变率驱动的。白令海峡流速变率是海洋净FW输送变率的主要控制因素。在北极的净水团的转换需要一个清新和冷却的流入水0.62 $\pm$ 0.23在盐度和3.74 $\pm$ 0.76 C，分别，并减少密度0.23 $\pm$ 0.20公斤米$^{-3}$。与这一水团转变相关的水的体积输运到北极是11.3 $\pm$ 1.2 Sv，输出是-11.4 $\pm$ 1.1 Sv。边界热量和FW通量提供了一个基准数据集的数值模式和大气再分析产品的验证。
2017-11-29 physics.ao-ph
Dynamic Arctic weather variability and connectivity
本文提出基于复杂性的方法分析北极天气变率，揭示其与北极涛动、海冰下降及大气遥相关的联系，并通过多变量气候网络发现北极与全球天气不稳定的正反馈机制。
2023-02-03 nlin.CD physics.ao-ph physics.geo-ph
Structured Neural Modeling of Daily Arctic Sea-Ice Concentration Evolution: Physical-Trajectory-Driven Learning and Forecast-Domain Adaptation
Ocean University of China（中国海洋大学）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）
本研究提出再分析-预报双域解耦框架，以物理基线生成演化轨迹，结合补偿网络与冰质量感知输运机制，实现海冰浓度每日演化的稳定建模与预报域自适应迁移。
2026-10-06 cs.LG physics.ao-ph
