北极快速变化条件下夏季太阳短波辐射能在局地冰洋系统中的分配规律研究

In order to study the thermodynamics' process of sea ice melting in a rapid Arctic, we will observe the optical properties of sea ice with difference surface types, such as melt snow-covered ice and ponded ice, in the means of Autonomous & Remotely-operated Vehicle (ARV)-ice-helicopter based system. The concern of field observing is put on investigating the profiles of attenuation coefficient of the melt snow-covered sea ice and the transmittance sections through the ponded ice. Moreover, the capability of absorbing solar radiation by melt snow-covered ice and ponded ice will be assessed. With the data of local ice thickness, fraction of melt pond, albedo and transmittance of the summer sea ice, the partitioning of solar radiation in a local ice-ocean system will be quantified. The results of this study will improve the understanding of thermodynamics' forcing to significantly decline of sea ice in the Arctic and provide a better parameterization of snow-ice albedo in the general climate model.

针对引起北极海冰快速减退的热力学机制问题，以不同表面特征的海冰光学性质为研究对象，依据"点-线-面"相结合的原则，进行"海-冰-空"联合考察作业，重点开展融雪覆盖海冰的衰减系数剖面观测和融池冰的透射辐射观测。结合融池面积航拍数据、区域海冰厚度分布资料和已有的北极夏季海冰反照率和透射率观测数据，研究北极快速变化条件下融化季海冰的光学属性，分析融雪覆盖海冰和融池冰对太阳短波辐射能的吸收作用，进一步揭示太阳短波辐射能在区域冰洋系统中的分配规律，从而量化太阳辐射能在海冰融化过程中的贡献。该项目的研究成果将有助于提高人们对北极海冰快速减退机制的认识，为积极应对这一变化趋势提供必要的理论指导，同时可以改进气候模式中的冰雪反照率参数化方案，改善模式的模拟和预测能力。

海冰是全球气候变化的重要影响因素。然而，最近几十年，北极海冰快速减退，其中以太阳短波辐射为主的热力学因素是导致海冰快速变化的主要原因。为了深入理解区域尺度上海冰对太阳短波辐射能的吸收作用，揭示太阳辐射在局地冰洋系统中的分配规律，我们一方面分析整理中国历次北极科学考察海冰光学资料，另一方面利用水下机器人开展透射辐射空间变化规律研究。通过研究不同厚度融雪覆盖海冰的透射辐射性质，我们发现夏季北极中央区多年冰的漫射衰减系数随光谱强烈变化，500nm左右的蓝绿光衰减最弱，衰减系数为0.5m-1，而700nm的红光衰减最大，达到2.5m-1。基于该项研究，我们估计16%的太阳短波辐射被融雪覆盖的海冰吸收，而反射回大气和进入冰下上层海洋的能量分别为77%和7%。但是，当秋季多年冰重新冻结时，如果海冰表面被新雪所覆盖，则90%的能量被反射回大气，10%的能量被海冰吸收，基本没有太阳辐射透过海冰进入冰下海洋。如果秋季重新冻结的多年冰含有夏季融化时残留的水分，海冰对太阳辐射的吸收效果最多可以达到40%以上，而反射的太阳辐射和透射辐射分别占比35%和25%。新雪不仅严重影响着夏季北极中央区浮冰对太阳辐射能的吸收，对春季沿岸固定冰的融化也产生强烈的负作用。对于1.5米厚的固定冰而言，降雪之前，由于气温较高，表层积雪充分融化，含有大量的水分，使得海冰可以吸收大约50%的太阳辐射能，降雪之后，吸收的能量降为20%左右，但仍然高于夏季北冰洋中央区多年冰对太阳辐射能的吸收，导致低纬度固定冰更加快速的融化。另外，我们利用水下机器人，对北极中央区冰下透射太阳辐射的空间分布特征进行了研究。结果显示，透过海冰进入海洋的太阳辐射与海冰厚度和融池面积关系密切。在融池面积比例为0.739%的区域内，太阳辐射在气-冰-洋系统中的分配比例分别为90%、6%和4%。其中进入海洋的太阳辐射能比例与Nicolaus(2013)的结果一致，但由于他的观测区域含有较多融池，导致海冰吸收的太阳辐射能达到34%。我们两人的结果代表了不同季节和不同区域太阳辐射能在北极冰洋系统中的分配情况。为了获得准确的海冰光学衰减系数，我们自主研制了冰下逆向钻装置，尽管经过了大量的实验室试验和冬季水库实验，但北极严酷的自然条件仍然导致冰钻无法正常工作。在吸取经验教训的基础上，我们对冰下逆向钻进行了改进，期待2016年在北冰洋重获新生。