北极冰雪表面能量平衡研究进展_邹小伟.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 2022 年 1 月收到来稿,2022 年 6 月收到修改稿 基金项目 国家自然科学基金项目(42122047,42174030,42171121)、中国气象科学研究院基本科研业务项目(2019Y010)资助 作者简介 邹小伟,男,1995 年生。博士研究生,主要从事极地冰气相互作用研究。E-mail:.通信作者 丁明虎,E-mail: 北极冰雪表面能量平衡研究进展 邹小伟1,2,3 杨堤益2,4 田彪2 张雷2 孙维君3 李昭1 丁明虎2(1武汉大学卫星导航定位技术研究中心,湖北 武汉 430079;2中国气象科学研究院极地与全球变化研究所,北京 100081;3山东师范大学地理与环境学院,山东 济南 250014;4浙江省海宁市气象局,浙江 海宁 314400)摘要 北极地区冰/雪-大气相互作用的过程,尤其是冰雪表面反照率的变化,是制约我们认识北极地区气候系统快速变化的关键科学问题。目前已有的研究表明,随着观测技术和方法的进步,北极冰雪表面能量平衡研究取得了较大的进展,但由于缺乏高质量、时空连续的观测试验数据,大部分参数化方案、遥感及模式产品等在北极不同区域的适用性仍待评估。因此,北极地区观测站点的加密、综合观测试验的开展和多源卫星遥感体系的进一步完善,能为遥感卫星产品及复杂参数化方案在北极的评估验证提供数据支撑,也可以揭示更多潜在的冰雪表面能量平衡相关的过程和机理,加深对极地海-冰/雪-气相互作用的理解,更好地服务于极地冰冻圈与气候变化研究。关键词 表面能量平衡 冰-气相互作用 北极 太阳辐射 湍流通量 doi:10.13679/j.jdyj.20220001 0 引言 表面能量收支是指地表向近地表大气或地下空间支出/获取能量的情况,它主要由地表的净短波辐射、净长波辐射、感热通量、潜热通量和地下热通量五部分构成,当能量收支达到平衡时,将其称之为表面能量平衡(Surface Energy Balance,SEB)1(能量收支过程见图 1)。其中,作为地表最主要的能量来源,净短波辐射由入射短波和反射短波辐射组成;而净长波辐射则是地表最稳定、持续的能量支出,两者组成的地表辐射收支是地-气相互作用的重要驱动力之一;辐射分布的不均匀性导致地表温度存在差异,影响大气边界层的水热梯度变化,使得地-气之间以感热和潜热的形式产生能量交换;地表下层的温度变化会滞后于地表,产生指向较低温度层的热通量,调节地表的能量收支状况。总之,表面能量平衡是地球气候系统多圈层相互作用的重要机制之一,其各个分量对局地天气和气候的形成有着近乎决定性的作用,同时也有助于我们更好地理解冰冻圈各要素对气候变化的响应,加深对冰-气相互作用的理解。北极是全球气候变化最敏感的区域之一。与南极相比,北极地区气候环境变化快速,周边环绕国家众多,其变化影响范围大、程度强,尤其受到各国科学家的关注2。而 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)报告特别指出,过去几十年来,北极是全球增暖最剧烈的地区,是全球平 均增 温 幅 度的 2 倍 以上,增 温幅度高达1.2C(10 a)13,这被称为“北极放大”效应4。北极气候的快速变化与地气系统的能量收支异常 140 极地研究 第 35 卷 图 1 表面能量收支过程5 Fig.1.The process of surface energy budget5 直接相关,众多专家学者基于卫星观测、模式模拟等多种手段开展了大量研究工作6-7,并提出了一系列的理论和证据,从能量收支的角度对“北极放大”效应的驱动机制进行解释8。北极下垫面大部分地区被海冰和积雪等冰冻圈要素覆盖,而冰冻圈下垫面的高反照率会显著地改变表面辐射收支,并最终影响地-气相互作用,如反照率反馈机制被认为是“北极放大”效应的重要驱动机制之一9:高反照率的海冰减少变成开阔水面,导致海洋在夏季吸收更多短波辐射,并在秋冬季将热量释放到大气中,造成近地表气温升高。另外北极地区云量、水汽的变化以及北极以外的热量和水汽的极向输送等内在机制也受到越来越多关注8。基于北极的重要地位和能量平衡在北极气候变化研究中的重要性,世界气候研究计划(World Climate Research Program,WCRP)等多个国际计划将北极列为全球变化研究的关键地区。为了探究北冰洋区域海冰表面能量平衡、湍流及反照率的变化特征,19971998 年美国开展气-冰-海相互作用多学科的综合观测-北冰洋表面热量收支观测计划(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean,SHEBA)10,进行气-海-冰界面能量交换的定量刻画,并在湍流参数化、热量收支状况等研究方面有了重要进展。我国从 1999 年开始实施北极科学考察,并多次开展大气成分、海冰区近冰层气象及能量平衡等观测研究工作11;2007 年在北极建模和长期环境监测能力计划(Development Arctic Modeling and Observation Capabilities for Long-Term Environmental Studies)的支持下,欧盟利用穿极漂流站在多年冰上进行了连续高时间分辨率的光谱反照率及常规气象观测,并将获得的资料与 SHEBA 资料进行了对比12;为研究适用于北极地表观测的方法并提升极地数值模式的预报水平,2013 年,世界气象组织(World Meteorological Organization,WMO)启动了“极地预报计划”(Polar Predication Project,PPP)13;2016 年,美国科罗拉多大学通过集成来自多个卫星、再分析和地面数据源的产品,开发了北极观测和再分析集成产品(Arctic Observation and Re-analysis Integrated System,ArORIS),主要用于产品验证、北极地区辐射及水汽收支状况的评估14。2017 年 WMO 启动“极地预报年”(Year of Polar Prediction,YOPP)以加强国际极地观测预报体系建设为宗旨15,通过组织协调开展极地加密观测和模拟活动,进一步加深对极地气-海-冰及海洋相关物理过程的理解;同时,YOPP 还特别设立2018 年 23 月为北极特别观测期,以开展北极探空、浮标等国际协同观测活动13。2019 年,由德国牵头,多国家参与实施了国际多学科北极漂流冰站计划(Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate,MOSAiC),获得了丰富的极地大气、海冰等观测数据。目前北极观测站点分布如图 2 所示。近几十年来,多项研究通过多种观测工具证实7,16,整个北极地区的海冰和积雪覆盖范围都呈下降趋势。表面能量平衡作为气候系统研究中较为直接有效的研究手段,不仅可以为卫星、模式及参数化方案等提供较为可靠的地面真值验证和误差估算,也能改进并应用于北极气候模式参数化方案,有助于进一步探究极地冰-气相互作用,更准确地预测北极乃至全球气候17-19。然而,由于基础数据源质量存在差异、研究方法迥异等限制,“北极放大”效应的关键驱动机制仍无定论,不同理论之间存在分歧8。目前关于北极冰-气相互作用的研究大部分集中在格陵兰冰盖、斯瓦尔巴德群岛及亚欧高北极区域,对于海冰表面能量平衡研究相对较少。第 1 期 邹小伟等:北极冰雪表面能量平衡研究进展 141 图 2 北极观测站点分布 Fig.2.Distribution of observation stations in Arctic 因此,本文对北极地区冰雪表面能量平衡的研究进展和现状进行梳理,并在此基础上提出与表面能量平衡相关的研究发展方向和建议。2 冰雪表面能量平衡研究方法的发展 2.1 数值模型 20 世纪 20 年代,Ahlmann20第一次提出了包括入射辐射、气温和风速的经验模型;Sverdrup21提出了能量传输模型,估算了能量平衡各分量,第一个把梯度理论应用到冰雪面上;1960 年,第一个计算机模拟的积累和消融模型被开发出来22。能量平衡模型的早期阶段涉及到积雪,一般旨在为流域模型提供融水输入,之后随着计算机性能和理论水平的提高,雪模型从传统的基于冰川消融与气温之间线性关系统计的简单参数模型度日模型逐步发展到描述冰川表面物理过程的单点能量平衡模型,再进一步完善为分布式能量平衡模型22。度日模型由 Finsterwalder23在阿尔卑斯冰川研究中首次提出,随后被广泛用于北极地区冰川对气候变化的响应、冰雪消融模拟研究中24。度日模型作为半经验模型,通过度日因子将冰川消融和正积温联系起来,极大地简化了冰川下垫面的复杂的物理过程,但该模型无法描述冰雪消融的物理过程,且模拟的精度随时间分辨率的提高而降低,为提高其模型精度,越来越多的变量因子经耦合后进入模型进行度日因子的订正25。单点能量平衡模型可以较为全面地考虑冰川下垫面与气候系统之间复杂的相互作用,多被用于开发、测试和改进能量平衡理论在冰川物质平衡中的应用26,在北极地区表面能量平衡的研究 19,27-31中得到了广泛的应用。另外,德国柏林洪堡大学研发的 COSIMA(Coupled Snowpack and Ice sur-face energy and Mass balance model)模型不仅考虑大气和冰川表面之间的相互作用,还充分考虑了冰面下 10 m 雪层中的物质和能量交换过程32,进一步提高了模型的模拟精度。但受单点能量平衡模型空间分辨率的限制,相关研究往往要求气象数据具有一定的区域代表性。为了弥补单点能量平衡模型在空间分辨率上的不足,大量的能量平衡模型研究集中于从点尺度到分布式建模33以及时间分辨率的提高,来不断提高消融模型的模拟性能。Oerlemans34研究了海拔梯度对能量和物质平衡的影响,发现能量平衡方程中的各组分及地表反照率均随着海拔的变化而变化,并在此基础上提出随海拔变化的简化能量平衡方程。Arnold 等35-36分析了地形对净短波辐射和反照率的影响,并将分布式能量平衡模型应用到瑞士和Svalbard 的山地冰川。Hock22通过改进辐射、反照率参数化方案建立的分布式能量-物质平衡模型在瑞典 Storglaciren 冰川消融进行了小时尺度的准确模拟。Aas 等37利用 WRF 模式(Weather Research and Forecasting Model)模拟了新奥尔松附近苔原区的能量平衡,发现该模式可以较好地模拟地表温度,但会高估日变化,并在季节和更短时间(如月变化、日变化)尺度上对净短波辐射、长波辐射等个体能量通量表现出相当大的偏差。分布式能量平衡模型可以从物理机制上更加准确地揭示冰川的消融过程,尤其在地形复杂、具有较强空间变异性的区域,但其输入参数较多,且理论基础相对复杂,野外观测存在一定的困难。2.2 模型驱动产品 除观测的气象数据外,模型发展过程中也将遥感和再分析数据作为模型驱动,为缺少观测的地区提供工具支持。目前国内外多个研究机构正基于现有的国际多源遥感观测资料,借助于定量 142 极地研究 第 35 卷 遥感反演、多源数据融合、数据同化等技术,改进北极地区地表与大气辐射产品质量,拓宽高质量辐射数据的时间覆盖范围,以用于开展地气系统的能量收支与气候变化研究,如美国航空航天局地球观测系统的 CERES 云量与地球辐射能量(Clouds and the Earths Radiant Energy System)产品、AIRS 云 量 与 气 象(Atmospheric Infrared Sounder)产品、MODIS(Moderate resolution Im-aging Spectroradiom