一种夏季北极气旋对海冰影响的量化方法与流程

本发明提出一种夏季北极气旋对海冰影响的量化方法，属于遥感地学应用技术领域。

背景技术：

北极海冰是北极气候变化重要的指示器，近10多年海冰减少速度达到过去的两倍。海冰的变化受到多种因素影响，海表温度、气温、地表净太阳辐射等对长时间序列海冰变化有重要作用，北极大风事件对短时间尺度海冰变化贡献突出。北极气旋是北极常见的大气系统之一，夏季海冰覆盖少且薄，夏季北极气旋对海冰的影响大于冬季等其他季节。其过境会带来大风大雨天气，强度大的还会带来暴风事件。北极气旋会影响海冰的变化，比如其可能带来夏季最小海冰面积，但是北极气旋和海冰的定量关系并不明确。在北极航道开发日益迫切的背景下，找到一种夏季北极气旋对海冰影响的量化方法尤为重要，可以预测海冰短尺度内的剧烈变化以及为北极穿极航道的可行性提供更为精确的分析。

普遍的研究北极气旋对海冰的影响主要通过海冰密集度变化率的变化来反映北极气旋对海冰的影响，该方法只能半定量化两者的关系，具有很大的不确定性，该指标缺乏对北极气旋时间与强度的整合。

海冰面积相比于海冰密集度更好的表示海冰覆盖的变化。为得到夏季北极气旋对海冰面积的影响，引入气旋贡献度来表征，气旋贡献度越大，气旋对海冰面积变化作用越大。该指标综合了气旋的强度和持续时间，可以得到不同北极气旋的影响力度，从而进行排序。为日后判断北极航道通航的时间提供另一种思路，而不仅仅只考虑海冰密集度大于一个数值而判定可以通航。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对夏季北极气旋强度不断增强和数量增多，对海冰的变化影响日益突出，提供了一种夏季北极气旋对海冰影响的量化方法，能够定量得到不同强度北极气旋对海冰的影响力度，预测短尺度北极海冰变化，以便及时发现海冰极端事件。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种夏季北极气旋对海冰影响的量化方法，包括以下步骤：

第一步、获取研究年限内夏季北极海冰密集度产品和欧洲中期天气预报中心erainterim再分析数据，包括平均海平面气压，10m风场数据，海表温度和500hpa压强处温度；

第二步、对海冰密集度数据进行裁剪，得到北冰洋核心区，在北冰洋核心区中选择研究区；

第三步、将erainterim再分析数据进行北极极地方位投影，并变换为tif格式，空间分辨率重采样为31.99km×31.99km，然后裁剪出北冰洋核心区和研究区；

第四步、将海冰密集度数据的灰度值转换为海冰密集度百分比，将海冰像元栅格面积与海冰密集度百分比相乘得到海冰像元栅格中的海冰面积，对海冰面积求和，进而获得北冰洋核心区和研究区的海冰面积；

第五步、利用erainterim再分析数据追踪识别夏季超大气旋，得到超大气旋发生的时间和位置；

第六步、统计气旋前后海冰面积，得到气旋过境海冰面积的变化并计算气旋贡献度，气旋贡献度计算方法如下：

气旋贡献度＝(△s-a*(dcyclone+7))/△s

式中，△s为海冰面积变化量，由气旋过后7日平均海冰面积减去气旋前7日平均海冰面积得到，a表示气旋前海冰面积日变化率，dcyclone为气旋过境天数；当a≥-6×10³km²/天，且海冰面积变化率持续升高，则气旋贡献度设为0；气旋贡献度为0，表明该气旋对海冰变化不起作用；气旋贡献度越大表明气旋对海冰减少的作用越大；气旋贡献度大于0，表明气旋对海冰的减小有促进作用，气旋贡献度小于0，表明气旋维持了海冰减少的速度或抑制了海冰增加的状态。

本发明的有益效果是：

得到夏季北极气旋对海冰的影响度量对研究北极生态和北极航道具有重要作用。本发明实现了夏季北极气旋对海冰影响的量化方法，利用海冰密集度数据计算得到海冰面积，利用海冰面积变化率和气旋过境天数得到气旋贡献度。

具体有益效果如下：

第一，本发明使用的数据实时性强，便于获取，处理较为方便，能够快速获得北极海冰密集度分布，海冰面积变化以及夏季北极气旋过境时间。

第二，本发明提出的气旋贡献度基于气旋前海冰面积变化率，又综合了气旋强度与过境天数，更好的反映北极气旋对海冰的影响。

第三，本发明提出的气旋贡献度可以比较不同的气旋的影响力度，可以区分气旋对海冰是起促进减小的作用还是抑制其增加的作用。

第四，本发明数据处理均通过编程实现批量处理，极大的提高了数据处理效率，减小了工作量和人工误差。

第五，本发明操作步骤简洁，适合用于极地地区北极气旋系统下短尺度海冰变化研究。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1度量夏季北极气旋对海冰影响的计算方法流程图

图2北冰洋核心区分布及分区图

图3夏季北冰洋核心区和三个子区海冰面积变化图

图42003-2017年北冰洋核心区夏季超大气旋统计图

图5ao区气旋前后海冰面积变化信息

图6cs区气旋前后海冰面积变化信息

图7bf区气旋前后海冰面积变化信息

图8气旋贡献度统计结果图

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明，使本发明的操作步骤和结果更加清晰。

如图1为本实例的流程图，夏季北极气旋对海冰影响的量化方法的具体实施步骤包括以下内容：

第一步、获取研究年限内北极海冰密集度产品、海平面气压、10m风场、海表面温度和500hpa压强处温度。第一种数据由美国雪冰数据中心下载获得，后4种由欧洲中期天气预报中心下载获得，包含在欧洲中期天气预报中心的erainterim再分析数据中。所用的北极海冰密集度产品的空间分辨率为25km×25km，格式为tif。所用的erainterim再分析数据时间分辨率为6h，空间分辨率为0.5°×0.5°，格式为netcdf。

下载的数据时间为每年的7、8、9月，年份为2003-2017年，所下载的数据集覆盖整个北冰洋核心区。图2是北冰洋核心区分布及分区图。

第二步、对海冰密集度数据进行裁剪，得到北冰洋核心区，在北冰洋核心区中又选择3个研究区进行裁剪，分别为ao，bf和cs。北冰洋核心区是根据cavalieri和parkinson的方法划分而来，ao为西伯利亚近岸区，bf为波弗特高压控制区，cs为白令海北冰洋海水交换区。

第三步、对欧洲中期天气预报中心下载的erainterim再分析数据集进行预处理，将其进行重投影重采样，使再分析数据集与海冰密集度数据投影相同。预处理具体包含以下步骤：

a.将erainterim再分析数据转为tif格式栅格数据；

b.将erainterim再分析数据进行极地方位投影，空间分辨率重采样为31.99km×31.99km；

c.将10m风场数据(经向分量u和纬向分量v)矢量合成，得到合成风速；

d.将erainterim再分析数据和海冰密集度数据裁剪得到北冰洋核心区和3个研究区。

第四步、将海冰密集度数据的灰度值转换为0-100％的海冰密集度百分比，海冰像元栅格面积与海冰密集度百分比相乘，到海冰像元栅格中的海冰面积，最后将所有海冰像元的海冰面积进行累加分别得到北冰洋核心区和研究区的海冰面积。图3所示是2003-2017年夏季北冰洋核心区和三个子区海冰面积变化。

本步骤中，计算海冰面积时，剔除海冰密集度百分比小于15％的像元。只保留海冰密集度百分比≥15％的像元参与海冰面积计算。

第五步、利用erainterim再分析数据追踪识别夏季超大气旋，得到超大气旋发生的时间和位置，超大气旋是指气旋路径中至少有一个气旋中心的气压低于980hpa。追踪识别的方法为现有方法，详见”lihaili,pandelu,wangdifeng,etal.theimpactofsummerarcticcyclonesonchlorophyll-aconcentrationandseasurfacetemperatureinthekarasea[j].ieeejstars,2019,12(5):1396-1408.”。如图4所示是2003-2017年北冰洋核心区夏季超大气旋统计图。

第六步、统计气旋前后海冰面积，得到气旋过境海冰面积的变化并计算气旋贡献度。

本步骤中，气旋贡献度计算方法如下：

气旋贡献度＝(△s-a*(dcyclone+7))/△s

式中，△s为海冰面积变化量，由气旋过后7日平均海冰面积减去气旋前7日平均海冰面积得到，a表示气旋前海冰面积日变化率，dcyclone为气旋过境天数；当a≥-6×10³km²/天，且海冰面积变化率持续升高，则气旋贡献度设为0。

气旋贡献度为0，表明该气旋对海冰变化不起作用；气旋贡献度越大表明气旋对海冰减少的作用越大；气旋贡献度大于0，表明气旋对海冰的减小有促进作用，气旋贡献度小于0，表明气旋维持了海冰减少的速度或抑制了海冰增加的状态。

如图5所示为ao区气旋前后海冰面积变化信息，图6为cs区气旋前后海冰面积变化信息，图7为bf区气旋前后海冰面积变化信息，图8为气旋贡献度统计结果图。大多数气旋的贡献度大于0，表明超大气旋一般会促进海冰面积。部分气旋由于强度小，过境时间短，对气旋的作用减弱。bf区的气旋贡献度相对较大，表明气旋对该区域的海冰减少贡献更大。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。