北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述_王昀.pdf

第 35 卷第 1 期 极地研究 Vol.35,No.1 2023 年 3 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH March 2023 收稿日期 2021 年 1 月收到来稿,2022 年 3 月收到修改稿 基金项目 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)自主立项项目(SML2020SP007)、国家自然科学基金(41922044,42106233,42106226)资助 作者简介 王昀,女,1999 年生。硕士研究生,主要从事南北极海冰变化及预测研究。E-mail: 通信作者 李雪薇,E-mail: 北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述 王昀1 李雪薇1 王今菲1 于乐江2 杨清华1(1中山大学大气科学学院,南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519082;2中国极地研究中心,自然资源部极地科学重点实验室,上海 200136)摘要 全球变化背景下,在过去的 40 年中,北极海冰范围快速减少,厚度显著变薄,同时多年冰向一年冰转化,这对区域乃至全球气候系统具有重要影响。海冰厚度作为气候变化的指示器,在大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换过程中起着重要作用。本文通过综述国内外北极海冰厚度影响因子的研究进展,对影响北极海冰厚度的热力学和动力学过程进行了梳理和总结。在热力学方面,海冰厚度会受到大气-海冰和海冰-海洋两个界面处的热通量影响,其中,大气-海冰热力学过程的影响因素包括冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等,主要通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热和潜热)产生影响;而海冰-海洋界面处的热通量作为海冰厚度的重要影响因素,主要受太阳辐射对上层海洋的加热、风应力导致的垂向混合以及中低纬暖流输送的影响。在动力学方面,海冰厚度变化主要通过风和海流的共同驱动引起海冰输运和海冰的形变。大尺度环流异常也会通过大气-海冰-海洋相互作用对北极冰厚的热力学和动力学过程产生显著影响。关键词 北极海冰 海冰厚度 热力学 动力学 doi:10.13679/j.jdyj.20210051 0 引言 北极是全球气候系统的重要组成部分,而海冰作为大气和海洋之间的媒介,对大气和海洋之间的热量、动量、水汽和其他物质交换具有重要影响1-3。海冰厚度是北极海冰最重要的参数之一。它不仅决定着大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换,还影响海冰的冻结、消融、运动、形变等热力学和动力学过程,进而影响全球的气候系统、生态系统,引起一系列与人类生存相关的气候环境参量的变化4-6。同时海冰厚度也是气候变化的指示器,监测北极海冰厚度并研究其变化规律和影响因素对理解全球气候系统具有重要意义。受观测能力所限,国际上关于海冰厚度的观测数据相对较少,现场观测数据如波弗特流涡勘探计划(BGEP)、海冰多参数浮标(IMB)、美国国家航空航天局的冰桥行动(OIB)计划等和卫星遥感的冰厚数据是主要的数据来源。20 世纪北极海冰厚度分布数据主要来自船舶、钻井平台和潜艇等7-8。自 1979 年以来,卫星开始对海冰密集度进行精确监测,但对海冰厚度的估计仍存在较大分歧。Laxon 等9在 ERS 测高数据的基础上,提出了一种从雷达高度计数据中获取冰厚的方法,并应用于 ERS-1 和 ERS-2 卫星雷达高度计数据。Giles 等10利用 Envisat 雷达高度计数据得到了20022008 年海冰厚度数据。Kwok 等11利用ICESat-1 激光高度计数据得到了 20032008 年北极海冰厚度信息。随着 ICESat-2 卫星的发射,第 1 期 王昀等:北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述 125 国际上研发了 ICESat-2 海冰厚度数据12。除此之外,目前应用广泛的冰厚数据有卫星高度计CryoSat-2 数据、使用 L 波段亮温反演的 SMOS数据。由于 CryoSat-2 数据对小于 1 m 的冰厚有很大的观测误差,SMOS 则对超过 0.5 m 的冰厚观测误差较大,Ricker 等13综合了两者的优点,将CryoSat-2和 SMOS数据融合得到 CS2SMOS数据,相比于融合前的两个数据,该数据在薄冰和厚冰区域具有较小的不确定性。基于目前的观测数据,冰厚在近几十年来呈减小趋势。2019 年发布的气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告(SROCC)指出,过去 40 年来北极气温的升高是全球平均水平的 23 倍,而海冰和积雪的减少又加剧了全球变暖14-15。在此背景下,北极海冰范围快速减小,厚度显著变薄,多年冰向一年冰转化,冰龄越来越小16-27。20002012 年,北极海冰平均厚度每十年变薄 0.58 0.07 m,北极中央区海冰厚度变薄了约 65%,从3.59 m 减少到 1.25 m 28。20022011 年,多年冰减少了约 30%,减少区域主要在边缘海及其向北延伸的区域1。同时,冬季海冰厚度自 2003 至2008 年的变化率为0.10 ma1(图 1);相比之下,CryoSat-2 数据显示 20112018 年间的冰厚反而呈现弱上升趋势29。针对影响北极海冰厚度的可能原因,前人已有不少研究对此做出解释。为探究近几十年来北极海冰厚度变化及其可能的影响因素,本文从热力学和动力学的角度,对北极海冰厚度的影响因素进行了总结和分析。1 热力学因素 热力学过程是影响北极海冰厚度的重要因素,它导致海冰的融化和冻结,是海冰季节性变化的主要驱动力。一般认为,被冰层吸收的热量会导致冰层表面和内部的融化,而穿透到海洋的热量则会导致冰层底部和侧向的融化30-32。因此表面融化更大程度上取决于大气-海冰界面处的热通量,而底部融化则与上层海洋的热含量、海洋的混合以及热量从冰表面向冰底的热传导有关33-34。在总融化中,底部融化约占三分之二左右,表面融化占近三分之一,侧面融化占比很小,其影响主要局限于边缘冰区;不过,随着夏季边缘冰区面积的增加,侧向融化正在变得越来越重要35-36。图 1 19752018 年北极平均海冰厚度变化图(数据来源包括潜艇数据、ICESat 和 CryoSat-2,仅适用于数据覆盖区域)。蓝线表示 23 月,红线表示 1011月,蓝色和红色阴影显示回归分析中的误差估计范围。插图显示了美国海军潜艇数据的覆盖区域,呈不规则多边形,覆盖了北冰洋的 38%29 Fig.1.Arctic average sea ice thickness interannual variabil-ity from 1975 to 2018(data sources include subma-rine data,ICESat and CryoSat-2,which are only ap-plicable to the data release area).The blue line indi-cates February to March,the red line indicates Octo-ber to November,and the blue and red shadows show the expected residuals in the regression analy-sis.Inset shows the data release area of the U.S.Navy cruises submarine data,which is irregular polygon,covering 38%of the Arctic Ocean29 1.1 大气-海冰热力学过程 大气可以通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热通量和潜热通量)影响海冰生消,进而引起海冰厚度的变化。此外,冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等都可以通过大气-海冰热力学过程影响海冰厚度。太阳短波辐射是北极最重要的能量来源,对积雪/海冰表面净能量通量的贡献度最高,与净能量通量的变化最为一致31。太阳辐射通量的变化是北极海冰日变化和季节变化的重要原因37。太阳辐射到达积雪/海冰表面之后,会发生吸收、反射和传输,太阳辐射的这种再分配对海冰能量收支乃至质量平衡都有着重要影响38-42。反照率在 126 极地研究 第 35 卷 反射太阳辐射的过程中发挥了重要作用,这种作用主要是通过冰雪-反照率正反馈机制产生,即反照率高的区域,吸收的太阳辐射较少、有利于海冰增长,增厚的海冰又会使得反照率进一步提高。研究表明,北极地区的反照率与海冰覆盖率、海冰厚度43-45、多年冰占比46-47呈正相关关系31,47-49。此外,冰面特征,如融池、冰间水道和降雨/降雪等都会对海冰反照率造成影响50,并进一步影响冰厚。融池会导致表面反照率降低。在融化季节,当表层融水不能通过海冰内部渗透时,海冰表面会形成融池,融池的存在显著降低了海冰的反照率,使得海冰吸收的辐射通量增加,提高了海冰的总融化速率,导致海冰变薄51-56。研究表明,在融化季节,融池可覆盖 50%以上的海冰表面52,该比例在平坦的一年冰甚至可以达到90%。因为一年冰相对平坦,有利于形成浅的大面积融池51-53。与融池类似,冰间水道同样会导致反照率降低,进而增加海冰吸收的短波辐射,并促进海冰的侧向融化57-60。北极地区的降水主要包括降雨和降雪,是大气影响海冰厚度的另一个重要因素。降雪量的变化会进一步导致积雪厚度变化,并产生两面性的影响50,61。一方面,由于雪的不透明度大于海冰,积雪能增加表面反照率,减少能量吸收和海冰融化;在春季和夏季,表面积雪也可以保护海冰不受阳光照射50,61-63,且由于一些雪转化为冰,更多的雪也增加了冰的形成率61。另一方面,由于雪的热导率比海冰低、具有隔热作用,这会减少热量的传导,在寒冷的季节抑制海冰生长61-63。此外雪融化后会形成融池,从而在积雪消失后加速海冰融化50。根据 CMIP5气候模式预测,随着北极增暖、秋季和初冬海冰面积减少,积雪厚度将加速减小,而这一变化将有助于减缓海冰变薄64。19892009 年的数据显示,由于北极海冰覆盖减少、下垫面蒸发增强、云层覆盖增加,北极地区降水量呈增加趋势,多个气候模式预测 21 世纪北极地区降水量也将持续增加65-68。且这种增加主要由降雨量增加造成,降雪量在夏季和秋季都出现了较为明显的减少61,64,66。而冬季较为寒冷,增加的降水量主要以降雪的形式出现,故冬季降雪量不会减少66。夏季降雨量的增加、降雪量的减少对海冰年际变率产生影响,可能是近几十年来海冰变薄的原因之一61,65。增多的降雨将对融池和海表面盐度产生影响67;更重要的是,它会通过降低雪和海冰的表面反照率,减 少 冰 雪 覆 盖 面 积,进 一 步 减 小 海 冰 厚 度62,65-66。在吸收太阳辐射的同时,北极地表和大气也向外发射长波辐射;向上的表面长波辐射,向下的大气逆辐射和下垫面反射的长波辐射,共同构成净长波辐射69。积雪/海冰表面净长波辐射会对海冰厚度的季节内变化产生影响。在冬季,净长波辐射通量会成为北极表面热收支的主要项。在北极地区,海表面温度以及积雪/海冰厚度等都会对向上长波辐射造成影响,大气逆辐射则会受到云(云高、云厚)和大气水汽含量的影响。研究表明,云量、水汽和云中液态水的增加会导致向下长波辐射增加60,70-73,进而对北极海冰产生影响。天气尺度上,在一些典型的向下长波辐射增强的事件中,冬季大尺度环流异常会向北极地区输送更多的水汽通量,促进生成更多的云,进而增强向下长波辐射74。且极地水汽通量常伴随着极地感热通量75和风驱动的海冰运动(例如,来自较低纬度的暖空气平流),这进一步加强了向下的长波辐射。气候模式模拟表明,在强向下长波事件的早期,风致海冰漂移会导致海冰厚度减小,但在后期,累积的向下长波辐射效应占据主导地位,导致海冰变薄,并进一步造成海冰密集度减少76。除上述辐射通量外,感热和潜热通量也是海冰表面能量收支的重要组成部分。前者一般指由于温度变化而引起的大气与下垫面之间发生的湍流热交换,后者主要指温度不变条件下大气与下垫面由于水的相变引起的热交换。随着全