Rapid loss of Arctic sea ice
在经常使用的气候模式中，仍然忽视了若干环境临界点和自我强化反馈回路。因此，现有的气候模式在预测实际环境临界点触发后的状况方面并不具有很大的代表性。在本文中，我们讨论了北极海冰损失临界点的存在及其对全球变暖的影响。我们的文献检索和基于PIOMAS海量观测数据的预测表明，在不久的将来，海冰的损失（这将导致一年左右的永久无冰北极）显着加速。
2022-08-06 physics.ao-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
On the nature of the sea ice albedo feedback in simple models
我们研究的性质，冰的反馈，在一个长期存在的方法中使用的动态热力学模拟的海冰。研究的中心问题是如何处理的冰区的演变时，使用两个类别的厚度计划，薄的海冰和开放水域的一类和“厚”的海冰在第二个部分冰盖建模。该计划的问题是，面积演变的处理方式，违反了微积分的基本规则，这导致一个被忽略的面积演变项，相当于忽略了领先的顺序潜热通量。我们通过构建具有分数冰覆盖的能量平衡模型并在增加辐射强迫的影响下研究它们来证明后果。结果表明，被忽略的通量是特别重要的，在一个腐烂的冰盖接近过渡到季节性或无冰条件。显然，对冰区演变的处理不当会对冰-水反馈产生超前阶效应。因此，重新审查有关的气候模式方案并开始转换这些方案的进程，以便以重新测绘等方式充分解决海冰厚度分布问题，这可能是相当重要的，因为重新测绘原则上不会受到我们所描述的病理学的影响。
2015-02-04 physics.ao-ph
Machine learning for online sea ice bias correction within global ice-ocean simulations
本研究针对GFDL全球冰-海洋模型的海冰偏差问题，用数据增强法优化预测海冰密集度数据同化增量的CNN，改善夏季残差，方案可用于生成更优初始条件及实时海冰偏差校正。
2023-10-03 physics.ao-ph
The Sensitivity of Sea Ice Brine Fraction to the Freezing Temperature and Orientation
通过理想化实验模拟海冰生长，发现盐水质量分数对冻结温度最敏感，每升高1°C增加2.5%，预示未来暖气候下海冰保留更多盐水并影响高纬度海洋环流。
2023-10-10 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
Experimental evidence for a universal threshold characterizing wave-induced sea ice break-up
波浪可以在几个小时内通过在很远的距离内引起破裂来彻底改变海冰覆盖。然而，对这一现象进行定量描述的详细研究相对较少，波浪对海冰的破碎过程需要进一步参数化和验证，然后才能可靠地纳入预报模型。在目前的工作中，我们讨论了海冰破裂参数化，并证明存在一个观测阈值分离破碎和非破碎的情况下。这一临界值是根据最近两次实地活动的资料，并以现有的海冰破裂观测资料为补充。所使用的数据涵盖范围广泛，从实验室生长的海冰到极地实地观测。值得注意的是，我们表明，现场和实验室观测往往收敛到一个单一的定量阈值，在该阈值处，波浪引起的海冰破裂发生，这为业务预报模型的稳健参数化开辟了一条有前途的途径。
2020-07-15 physics.ao-ph
Cracking the Code of Arctic Sea Ice: Why Models Fail to Predict Its Retreat?
Laoshan Laboratory（崂山实验室）；Alfred Wegener Institute（阿尔弗雷德·魏格纳研究所）；University of Bremen（不来梅大学）；Tsinghua University（清华大学）；Ocean University of China（中国海洋大学）
本文指出北极海冰消退速度被低估源于气候模型分辨率不足，无法刻画涡流浮冰相互作用等小尺度过程，并呼吁发展高分辨率模型以改进预测。
2025-11-07 physics.ao-ph
Super Resolution of Arctic Sea Ice Concentration
北极海冰密集度是极地气候系统的重要组成部分，但其观测和数值计算往往比较粗糙。在这项工作中，我们提出了三种机器学习方法来恢复原始的高分辨率图像从粗粒度的低分辨率对应。有希望的结果表明，有可能将应用程序扩展到广泛的地球物理变量。
2021-08-31 physics.ao-ph
Incorporating dependence on ice thickness in empirical parameterizations of wave dissipation by sea ice
这项研究是努力提高海军的能力，预测风产生的海浪在冰出没的地区，在这里，我们正试图进一步通过提高预测波浪能耗散的海冰这一目标的一部分。Rogers等人（2021年）提出了基于模型数据反演的海冰对波浪能的频率依赖性耗散的新估计，并研究了与冰厚和海况变量等各种其他参数的相关性。在这里，我们使用该数据集提出了一个新的耗散参数化，其中明确纳入了依赖于冰的厚度，除了波频。目的是确定依赖于波频和冰厚的参数化是否比仅依赖于波频的参数化更准确。由于频率的主要影响和现场测量的混淆困难，这不是一个必然的结论。使用Yu等人提出的无量纲化方法开发了参数化。（2019）。我们发现，无量纲化确实会导致数据的显着规模崩溃，包括冰厚度确实提高了准确性，最明显的是减少分散时，应用于同一数据集。然而，对独立数据集的评价好坏参半。可能的原因进行了讨论。
2021-04-02 physics.ao-ph
Deep learning of systematic sea ice model errors from data assimilation increments
本文利用CNN学习SPEAR冰—海洋资料同化系统中模型状态变量与海冰密集度分析增量之间的映射，证明其可跨极区、跨季节预测系统性海冰误差。
2023-04-07 physics.ao-ph
From spinning sea ice floes to ocean enstrophy spectra in the Marginal Ice Zone
Brown University（布朗大学）；University of Washington（华盛顿大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Illinois（伊利诺伊大学）
利用卫星海冰浮冰旋转速率推断边缘冰区表层海洋涡度拟能谱，通过粗粒化方法验证并应用于波弗特涡旋，揭示春季至夏季中尺度活动增强，首创二维谱估计方法。
2025-09-09 physics.ao-ph
Atmospheric rivers and winter sea ice drive recent reversal in Antarctic ice mass loss
University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）；Danish Meteorological Institute（丹麦气象局）；University of Canterbury（坎特伯雷大学）；University of Groningen（格罗宁根大学）；Royal Dutch Meteorological Institute（荷兰皇家气象研究所）
研究结合再分析与区域气候模型，发现2020年以来南极冰盖净质量增加主要源于大气河流增强、西风加强及海冰减少带来的降水和表面物质平衡正异常。
2025-10-04 physics.ao-ph
A two layer model for wave dissipation in sea ice
海冰由于物理性质（例如温度和盐度）的不均匀性以及水和海冰和/或海冰晶体的基质的渗透性和混合性而高度复杂。这种复杂性已被证明是难以参数化的业务波模型。相反，我们假设存在一个自相似标度律捕获的一阶属性。利用量纲分析，推导出运动粘度与波频和冰厚平方成正比的方程。此外，该模型允许一个两层结构的振荡压力梯度，由于波传播只存在于一小部分的总冰厚度。这两个假设导致空间耗散率是冰厚和波数的函数。导出的耗散率与现有的现场和实验室观测相比，毫不逊色。
2019-03-27 physics.ao-ph
Wave-ice interaction in the North-West Barents Sea
分析和介绍了在波传播过程中流冰的野外工作结果。现场工作是在巴伦支海，和文件的主要重点是在MIZ波过程。破碎的冰波阻尼模型的制定和应用解释现场工作的结果。据证实，较高频率的波受到更强的阻尼时，他们在冰下传播。随着离冰缘线距离的增加，这降低了大部分能量波的频率。讨论了在MIZ内两个相对较近的位置测得的波谱差异。巴伦支海西北部MIZ的复杂几何形状和动力学允许来自大西洋和巴伦支海南部区域的波浪渗透到MIZ的不同位置。
2019-07-03 physics.ao-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
Sea Ice Brightness Temperature as a Function of Ice Thickness, Part II: Computed curves for thermodynamically modelled ice profiles
冰的厚度对气候科学家来说是一个重要的变量，仍然很难通过微波辐射计的测量准确确定。在检测薄冰厚度方面取得了一些成功，考虑到这一点，本研究试图在土壤水分和海洋盐度（SMOS）辐射计和高级微波扫描辐射计（AMSR）使用的频率下对海冰的厚度-辐射关系进行建模：1.4至89 GHz之间。在研究的第一部分中，冰的盐度由一对经验关系确定，而温度由热力学模型确定。由于热力学模型可以作为一个简单的冰生长模型，在这第二部分中，盐度的增长模型确定。由于该模型使用了两个恒定的天气情景，代表了两个极端（“秋季冻结”和“冬季寒流”），盐水排出是建立在质量守恒的一个单一的修正步骤建模。生长模型生成现实的盐度剖面，但它高估了散装盐度，因为重力排水不占。结果表明，形成的“撇”在冰表面上是重要的，在确定薄冰的辐射特征，特别是在较低的频率，而散射是重要的，主要是在较高的频率，但在所有的冰厚度。
2012-08-09 physics.ao-ph
1150 year long ice core record of the Ross Sea Polynya, Antarctica
了解南极冰间湖（如罗斯海和威德尔海）过去的行为有助于了解生物生产力、海冰产生、下降风和南半球西风（SHW）风强度、南极底层水（ABW）的形成和海洋CO2封存。先前的研究将钡（Ba）海洋沉积作用与冰泥沉积物初级生产力联系起来（Bonn等人，1998; McManus等人，2002; Pirrung等人，2008年），冰间湖面积下降风强度和近端气旋（Bromwich等人，1998; Drucker等人，2011年），并强调罗斯冰架产犊事件对罗斯海Polynya（RSP）的影响（Rhodes等人，2009年）。在这里，我们使用RICE冰芯，距离罗斯冰架前沿仅120公里，以捕获1150年的RSP行为。我们链接大气Ba波动Ba海洋沉积作用在夏季罗斯海Polynya，创建第一个深冰芯为基础的RSP代理。RSP面积目前是我们1150年记录中观测到的最小的，并且在整个小冰期随着与罗斯海气旋相关的阿蒙森海低压（ASL）强度的波动而变化。过去的RSP重建使我们能够预测RSP区域对未来气候变化的未来响应，考虑到最近威德尔海Polynya响应于人为强迫而消失，这是特别感兴趣的（de Lavergne等人，2014年）。
2020-05-29 physics.ao-ph
Advancing global sea ice prediction capabilities using a fully-coupled climate model with integrated machine learning
Princeton University（普林斯顿大学）；NOAA, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory（美国国家海洋和大气管理局，地球物理流体动力学实验室）；Earth System Science Interdisciplinary Center, University of Maryland（马里兰大学，地球系统科学跨学科中心）；Courant Institute of Mathematical Sciences, New York University（纽约大学，柯朗数学科学研究所）；Center for Data Science, New York University（纽约大学，数据科学中心）；Science Applications International Corporation（科学应用国际公司）
本研究利用完全耦合气候模型与集成机器学习，显著提升全球海冰预测能力，通过引入反馈机制减少预测误差。
2025-05-23 physics.ao-ph
Modelling sea ice and melt ponds evolution: sensitivity to microscale heat transfer mechanisms
我们提出了一个数学模型描述的演变海冰和融水在夏季。该系统由两个耦合的偏微分方程描述的冰厚度$h$和池塘深度$w$字段。我们测试的模型的敏感性，控制在池塘水平的流体动力学过程的参数的变化，即湍流热通量的变化与池塘深度和包围池塘的冰的横向融化。我们观察到，不同的热通量定标确定不同的总表面烧蚀率，而该系统是相对稳健的池塘表面积的概率分布。最后，我们研究池塘形态的分形维数，表明横向融化的作用是次要的，而有证据表明，从最初的海冰地形的影响。
2019-06-25 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
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
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
Spectral wave energy dissipation due to under-ice turbulence
海冰下湍流边界层内的耗散是导致冰覆盖海洋中波浪能衰减的许多过程之一。虽然最近的观测表明，该过程的贡献，总的能量耗散是显着的，它的参数化使用的频谱波模型是基于相当粗糙，启发式的近似。在本文中，提出了一个改进的源项下的冰湍流耗散，考虑到该过程的光谱性质（而不是参数化的基础上，所谓的代表波），以及相关的影响海冰浓度和浮冰大小分布，制定的基础上的离散元模型的早期结果。新源项的核心是基于Weber在1991年推导的底摩擦耗散的类似模型（https：//doi.org/10.1017/S0022112091003634）。详细分析了致密海冰的波浪能衰减曲线的形状和衰减系数的频率依赖性。浮冰的大小在修改的衰减强度和光谱分布的作用说明了通过校准模型的观测数据，从一个突然的海冰破裂事件在边缘冰区。
2021-03-10 physics.ao-ph
Sea ice motion as a stochastic process
本文利用统计物理工具将单块北极海冰漂移建模为随机过程，通过库仑摩擦描述浮冰相互作用，推导出朗之万方程和福克-普朗克方程，并证明高密集度下速度涨落服从与观测一致的拉普拉斯分布。
2023-05-30 physics.ao-ph
Sea ice floe segmentation in close-range optical imagery using active contour and foundation models
The University of Melbourne（墨尔本大学）；University of East Anglia（东英吉利大学）；University of Cape Town（开普敦大学）
本文提出利用SAM和GVF结合的方法进行海冰浮冰分割，通过近距影像数据集评估，SAM在准确性和效率上表现最佳，而混合方法更适用于需要精确边界定义的场景。
2025-12-08 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
A dataset of direct observations of sea ice drift and waves in ice
冰情的变化，加上与大气和海洋的强烈耦合，导致了广泛的复杂海冰动态。需要进行更多的现场测量，以更好地确定控制海冰生长、漂移和破裂的现象和机制。为此，我们收集了一个数据集的现场观测海冰漂移和冰中的波浪。在5年的时间里，在北极和南极共进行了15次部署，涉及72台仪器。这些卫星提供GPS漂移轨迹和冰中波浪的测量。这些数据可以反过来用于调整海冰漂移模型，研究由海冰阻尼的波浪，并帮助校准其他海冰测量技术，例如基于卫星的观测。
2022-10-25 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
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 Regional Ice Charts and Copernicus Sea Ice Products for Navigation Risk in Alaskan Waters
University of Hawai‘i at Mānoa（夏威夷大学马诺阿分校）
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
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
Wave Attenuation in Drifting Sea Ice: A Mechanistic Model for Observed Decay Profiles
University of East Anglia（东英吉利大学）
本文提出一种机理模型，通过考虑漂移海冰的影响，解释观测到的非指数波能衰减行为。
2026-03-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
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
Inversion of Sea Ice Spectral Albedo to Estimate Under-Ice Transmittance
CNRS – Université Laval – Sorbonne Université – International Research Laboratory Takuvik（法国国家科学研究中心 - 拉瓦尔大学 - 索邦大学 - 塔库维克国际研究实验室）；Université Laval（拉瓦尔大学）；Sorbonne Université（索邦大学）；LOCEAN-IPSL, CNRS/IRD/MNHN（海洋气候与环境与天文物理研究所，法国国家科学研究中心/法国国家科研中心/法国国家自然历史博物馆）
本研究通过反演雪覆盖海冰的谱面反照率，开发出一种无需雪深数据的更精确估计冰下透射率的方法，提升卫星对海冰下光合有效辐射的估算能力。
2026-01-12 physics.ao-ph physics.optics
Exponentially decaying modes and long-term prediction of sea ice concentration using Koopman Mode Decomposition
北极和南极的海冰覆盖是气候变化的一个重要指标，具有重要的环境、经济和安全后果。海冰时空动态的复杂性使得难以评估变化的时间性质-例如线性或指数变化-及其精确的地理位置。在这项研究中，Koopman模式分解（KMD）被应用到北半球和南半球的海冰密集度的卫星数据，以了解海冰行为的时间和空间动态，并预测未来的海冰行为。我们发现在两个半球呈指数衰减的空间模式，并讨论其精确的空间范围，并进行精确的地理预测海冰浓度在未来四年。这种数据驱动的分解技术提供了在传统线性方法中不明显的空间和时间动态的洞察力。
2019-11-04 math.DS 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
Predicting regional and pan-Arctic sea ice anomalies with kernel analog forecasting
预测北极海冰的范围是一个众所周知的困难预测问题，即使提前时间短至一个月。受北极海表温度重现和海冰异常等年内变率现象的启发，我们使用了一种基于相似预报的海冰异常预报方法。传统的模拟预测依赖于识别历史记录中的单个模拟，通常通过最小化欧几里得距离，并根据模拟的历史轨迹形成预测。在这里，一个合奏的类似物被用来进行预测，其中合奏权重是由一个动态适应的相似性内核，它考虑到了底层数据流形上的非线性几何形状。我们应用这种方法来预测泛北极和区域海冰面积和体积异常的多世纪气候模式数据，并在许多情况下发现改进的基准阻尼持久性预测。成功的例子包括泛北极地区3- 6个月的提前期预测、部分边缘冰区海洋的冬季海冰面积预测以及许多北极中部盆地的海冰体积异常3- 12个月的提前期预测。我们讨论了KAF的成功和海冰重现之间可能存在的联系，并发现KAF是成功的地区和季节表现出较高的年际变化。
2018-09-12 physics.ao-ph physics.data-an
IceDiff: High Resolution and High-Quality Sea Ice Forecasting with Generative Diffusion Prior
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）
提出两阶段深度学习框架 IceDiff，结合 vision transformer 和无条件扩散模型，首次实现 6.25km x 6.25km 分辨率的高质量海冰密集度预报，扩展了现有模型的边界。
2024-10-10 cs.AI cs.LG physics.ao-ph
Ice-thickness based scaling of wave attenuation in sea ice: Application and assessment of wave spectra
Naval Research Laboratory（海军研究实验室）；Norwegian Meteorological Institute（挪威气象局）；University of Oslo（奥斯陆大学）
该研究评估WAVEWATCH III的两种海冰波衰减公式，发现考虑冰厚的IC4M9性能优于仅依赖频率的IC4M6，且CICE提供的冰厚场偏差会影响IC4M9表现。
2026-09-01 physics.ao-ph physics.geo-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
Surrogate sea ice model enables efficient tuning
预测海冰覆盖的变化对航运、生态系统监测和气候建模至关重要。然而，目前的海冰模型预测北极的冰比观测到的要多，而南极的冰要少。改进这些基于物理的模型对观测的拟合是具有挑战性的，因为模型运行成本高，因此优化成本高。在这里，我们构建了一个机器学习代理，模拟改变模型物理对洛斯阿拉莫斯海冰模型（CICE）预测海冰面积的影响。我们使用的代理模型，调查CICE的敏感性的参数变化的管理：冰的脊和冰;雪的冰，老化，和热导系数;的影响，融水对冰;和池塘对冰的影响。我们发现，CICE的敏感性，这些模型参数不同的半球之间。我们建议，未来的海冰建模分离的雪的电导率和雪粒度分布的季节性和半球间的基础上，我们建议这些参数的最佳值。这将使我们有可能制作出更符合北极和南极海冰观测结果的模型。这些结果表明，一个领先的海冰模型的行为的重要方面，可以捕捉到一个相对简单的支持向量回归代理模型，这种代理显着增加了调整的完整模拟的容易性。
2020-06-01 cs.CE physics.ao-ph
Trends in sea-ice variability on the way to an ice-free Arctic
北极海冰的减少是否会达到一个临界点，超过这个临界点，一个大的海冰区域就会突然消失，这一点一直受到广泛的争论。动力系统理论预测，当系统向临界点不稳定时，速度会减慢。在简单的随机系统中，这可能导致方差和自相关性增加，可能会产生突变的早期预警。在这里，我们的目标是建立北极海冰的损失是否会遵循这些概念性的预测，以及海冰变化的趋势，可以预期从工业化前的条件下，对北极是无冰在全年。为此，我们应用了一个模型层次结构，包括两个盒子模式和一个全面的地球系统模型。我们发现，在夏季冰消失之前，冰量的年度弛豫时间持续而稳健地减少，因为较薄的冰可以更快地适应扰动。此后，弛豫时间增加，这主要是因为当无冰季节变长时，系统变得由海水的大热容量所支配。这两种趋势都延续到海冰厚度在时间序列中的自相关性。这些变化对模式中气候变率的性质和起源是稳健的，几乎不依赖于反馈的平衡。因此，可以预期未来的特征趋势。由于这些趋势并不是冰量突然减少所特有的，因此早期预警的前景似乎非常有限。这一结果也有影响的统计指标，在其他系统的有效质量随时间变化，影响其弛豫时间的趋势。然而，状态和变化之间的鲁棒关系将允许仅从短观测来估计海冰变化。这可以帮助人们估计未来极端事件的可能性和持续性。
2016-01-23 physics.ao-ph physics.data-an
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
Interactions between irregular wave fields and sea ice: A physical model for wave attenuation and ice breakup in an ice tank
不规则的，单向的表面水波入射到冰槽中的模型冰上被用作海洋表面波与海冰相互作用的物理模型。给出了由三个测试组成的实验结果，从连续的冰盖开始，测试之间的入射波陡度增加。入射波的范围从不引起冰盖破裂到整个冰盖长度的破裂。的时间演变的冰缘线，打破前和平均浮冰大小的报告。分析了不同试验条件下的絮体粒径分布。从能量含量、平均波周期和谱带宽相对于入射波的变化方面分析了波浪谱随距离的演变，发现试验之间存在明显差异。此外，经验的衰减系数来自测量和示出具有幂律依赖于频率相比，在现场测量中发现的。波浪特性和冰破裂之间的联系进行了讨论。
2022-03-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Microscopy system for in situ sea ice structure and biology observations
Takuvik Joint International Laboratory, Université Laval and CNRS（塔库维克联合国际实验室，拉瓦尔大学和法国国家科学研究中心）；Centre d'Optique, Photonique et Laser (COPL) and Département de Physique, de Génie Physique et d'Optique, Université Laval（光学、光电子学和激光中心及物理、物理工程与光学系，拉瓦尔大学）
本文提出了一种原位显微成像系统，用于高分辨率观察海冰中活体微生物的结构与生物学特征。
2026-01-12 physics.ao-ph physics.optics
Estimating sea ice properties from wave observations in sea ice
本研究利用低成本地震检波器观测海冰中的波浪，被动估算冰厚和有效弹性模量，验证了其在固定冰和大型浮冰上的可行性。
2023-05-10 physics.ao-ph physics.geo-ph
Reconstruction of Antarctic sea ice thickness from sparse satellite laser altimetry data using a partial convolutional neural network
本文利用部分卷积神经网络融合ICESat与ICESat-2稀疏激光测高数据，重建了5天、12.5 km分辨率的泛南极海冰厚度数据集，经ULS验证精度优于现有四种数据集，并具备近实时更新与业务监测预报价值。
2025-05-02 physics.ao-ph physics.geo-ph
Molecular-dynamics simulation of clustering processes in sea-ice floes
在季节性冰层覆盖的海洋和常年冰层的边缘，即在中等冰密度的区域，冰层通常由通过非弹性碰撞相互作用的独立浮冰组成。在本文中，迄今为止未探索的类比这种类型的冰盖和二维颗粒气体之间的是用来制定一个模型的冰动力学在浮冰水平。该模型包括：（i）碰撞之间浮冰运动的动量方程，以斯托克斯流问题的形式制定，具有与浮冰大小相关的时间常数和平衡速度，以及（ii）硬盘碰撞模型。该数值算法适用于任意粒径分布的$N$盘状絮凝体的含颗粒流动。该模型被应用于研究聚团现象在海冰与幂律浮冰尺寸分布。特别地，详细分析了平均冰浓度$\bar{A}$对团簇形成和特性的影响。结果表明，存在两个制度，在低和高冰浓度，不同的集群大小分布的指数和最大集群的大小。
2011-10-13 cond-mat.other 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
FloeNet: A mass-conserving global sea ice emulator that generalizes across climates
FloeNet基于SIS2模型训练，通过机器学习模拟海冰和雪-海冰生长、融化和输运过程，其守恒特性在不同气候条件下均能准确预测海冰状态及变化，展现出高物理可解释性与高精度耦合变量输出。
2026-03-12 cs.LG physics.ao-ph
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
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
Unicorn: U-Net for Sea Ice Forecasting with Convolutional Neural Ordinary Differential Equations
本文提出Unicorn深度架构，融合多时间序列图像与卷积神经常微分方程瓶颈层，用于周尺度海冰预测，并在1998—2021年数据上显著提升密集度与范围预测性能。
2024-09-02 cs.AI physics.ao-ph
