北极海冰快速减退条件下上层海洋热含量变化和结冰析盐过程引起的冰洋相互作用研究

The Arctic sea ice extent has been extremely decreasing since the last decadal shift point in 2007, which has been affecting the regional and global climate system. The aim of this proposal is to explore the features and mechanism of sea ice decline dynamically and thermodynamically since then. The dynamical factors impacting sea ice extent change will be examined based on the remote sensing data of sea ice concentration, air pressure and sea ice drifting. On the other hand, thermodynamical process controlling the sea ice growth/melt, interacting of upper ocean and sea ice through ocean heating and brine rejection, will be also studied with fieldworks and model simulation. During the cruises of Chinese National Arctic Research Expedition, Korean Arctic Survey and Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate we will investigate the in situ solar radiation through the sea ice absorbed directly by the upper ocean, while the four Drift-Towing Ocean Profilers (D-TOP) collecting long-term hydrographical data within the upper ocean just beneath the ice bottom will be deployed. Using the online Ice-Tethered Profiler data from the Woods Hole Oceanographic Institution, together with the D-TOP data, we can monitor the variations of heat contents in the upper ocean and its effects on the sea ice growth/melt. To study the role of brine rejection due to the sea ice freezing in the mix layer change and stratification of the upper ocean, Massachusetts Institute of Technology (MIT) general circulation model will be run with Nguyen’s brine rejection parameterization. With all of those efforts, understanding to the interaction process of upper ocean and sea ice will be improved.

针对北极海冰年代际变化过程中第二次突变（2007年）以来的加速减退及其对局地和全球气候系统的影响，本项目拟从动力学过程和热力学过程两个方面研究其变化特征和物理机制。首先利用卫星资料对近十年海冰覆盖面积异常变化的时空特征进行分析，结合气压场和海冰漂流场数据，研究影响海冰覆盖面积快速减小的动力学要素。在此基础上，通过现场观测和数值模拟两种手段从热力学角度研究冰下上层海洋与海冰的相互作用过程。具体依托国内外北极考察航次，对冰区上层海洋直接吸收的太阳辐射能进行立体式观测，同时在北冰洋布放4套浅水冰基海洋剖面浮标，结合已有的冰基海洋剖面浮标数据，评估冰下上层海洋热含量的变化及其对海冰融化/冻结的影响。另一方面，利用MITgcm冰海耦合模式模拟海冰结冰析盐过程对上层海洋水文结构的影响，包括混合层深度和层结稳定度的的变化，最终实现对海冰快速减退过程中上层海洋与海冰相互过程物理机制的深入理解。

最近几十多年，北极海冰覆盖面积迅速减少，多年冰厚度持续减薄，尤其是是二十一世纪以来的减退趋势更加显著。海冰减退造成上层海洋热含量持续增加，进而引起海冰的进一步减退。本项研究在系统分析北极海冰快速减退的时空不均匀性基础之上，对不同类型海冰的光学性质进行统计，分析海冰边缘区开阔水域内太阳短波辐射的吸收衰减特征，量化冰下上层海洋热含量和热通量的季节性变化规律，从而加深对本世纪以来北极海冰快速减退热力学机制的理解。研究结果表明，最近几十年北极海冰密集度和海冰厚度的快速减退存在明显的时空不均匀性，而且不同年龄的海冰减退趋势并不一致。秋季冻结的一年冰对太阳辐射的衰减系数达到2.3 m-1，略高于多年浮冰的1.5 m-1。春季融化的一年固定冰由于厚度较大，透射率仅为0.003，吸收率达到0.4，说明此时海冰吸收太阳辐射的能力较强。而夏季密集浮冰区的区域透射率约为0.02，吸收率约为0.23，其吸收能力也略逊于春季固定冰。尽管透过海冰进入上层海洋的辐射能随着海冰厚度的减薄不断增加，但海冰边缘区海水吸收的太阳辐射是冰底融化的一个主要热源。通过分析白令海、楚科奇海和东西伯利亚海的海水光学特性，发现春季白令海开始融化时，海水衰减系数的典型值约为0.3m-1，而夏季海冰完全融化之后的衰减系数较少到0.1 m-1左右，这些变化与海冰覆盖、海水内部的有机和无机颗粒物的含量等密切相关。尽管北冰洋密集冰区直接吸收的太阳辐射能较少，但在海冰冻结季，结冰析盐过程引起上层海洋的对流混合，冰下混合层随季节逐渐加深到70米左右，冰底热通量逐渐减少到2.8 W m-2，但强烈的天气过程会引起热通量的快速增长，量级可以达到16.2 W m-2。通过本项研究，提高了我们对于北极海冰快速减退状态的时空差异性认知，细化了不同类型北极海冰的光学特性，有利于改善冰海耦合模式中海冰反照率的参数化方案，进一步提升了人们对于上层海洋吸收太阳辐射的理解，以及结冰析盐过程对上层海洋动力和热力过程的认识。