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“智汇极地”学术沙龙第29期


——南极固定冰变化机理和数值预报研究

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发布时间:2020-11-26 10:15:12
浏览:110 次

核心提示:

南极中山站所在的普里兹湾是我国南极考察的核心区域,是泰山站和昆仑站的出发基地和大本营。该区域的海冰状况是科考船破冰、考察队冰上卸货的重要影响因素。本研究依托中山站越冬观测平台,深入研究该区域固定冰的热力学过程和变化机理,并在此基础上研发了南极首个区域性固定冰预报系统,目前已成功应用于我国第353637次南极考察海冰保障服务,为考察队的现场决策提供了重要数据支撑。

人物介绍:

赵杰臣,男,国家海洋环境预报中心工程师,主要从事极地海冰观测和数值预报。参加中国第28次南极中山站越冬考察和2015年北极黄河站春季考察,主持3项国家自然科学基金,发表学术论文40余篇。

报告详情:

20201125日晚上7点,由武汉大学中国南极测绘研究中心举办的“智汇极地”学术沙龙第29期在中心三楼会议室以及腾讯会议成功举办,南极中心的赵曦老师主持本次讲座。本期讲座嘉宾为来自国家海洋环境预报中心的赵杰臣老师,报告主要介绍南极固定冰变化机理和数值预报研究,与会者收获颇丰。

1 报告主线

首先介绍本次讲座的主线:围绕着固定冰,介绍三个不同层面上的研究内容,分别是卫星遥感、现场观测和数值模拟(如图1所示)。

现场观测容易获得一些真实的现场数据,而不容易抵达的地方一般通过卫星遥感的方式获取观测数据。而数字模拟可弥补前两项的缺陷,通过模式计算的方式,获取表层以下的温度。卫星遥感、现场观测和数值模拟是海冰研究的三驾马车,做好这三项研究的目的是为了了解海冰变化和机理,通过海冰研究的“三驾马车”推断海冰变化的机理,从而预知未来和保障需求。整个研究的终极目的是为了提供好的预报与预测,为国家科考、商业用途提供一些有用的信息。

1.什么是固定冰?

 

a                                  b

2 固定冰基本概念及其分布情况

固定冰是指附着于海岸、冰山、冰架前缘的,相对位置固定不动的,成片冻结在一起的海冰,不随风场和海流做水平方向的漂流,但会随着潮汐做垂直运动。区别于破碎的、小块的、漂流的浮冰(图2-a所示)。

固定冰的范围比较小,主要分布在沿岸区域,图2-b展示了南极和北极的固定率的分布情况,南极固定率大约是5%~35%,北极固定率大概是2%~20%,范围最大时,固定冰的分布的情况为图中红色部分所示。北极固定冰主要分布在航道内,北极固定冰对于航道的利用尤为重要,因为航道主要都是固定冰,在不同的季节会发生变化。

  

a                                        b

3 南极固定冰变化趋势

固定冰变化的趋势到底是什么样?是不是和我们通常说的浮冰的变化趋势是一致的呢?从图3-a可以看出,南极11月份的固定冰呈现一个减小的趋势,然而整个南极海冰呈现的一个弱的上升的、增多的趋势,这两个趋势是相反的。由于固定冰数据的时间序列还太短,可能需要更长时间序列才足以说明这个问题。而北极固定冰的趋势就比较明显(如图3-b所示),它跟浮冰是一样的,都是减小的趋势。

2.研究背景——为什么选择普里兹湾

  

(a)                                     (b)

(c)

4 研究背景——为什么选择普里兹湾作为研究区域

雪龙号和雪龙二号考察船穿过浮冰区非常轻松,然而穿过固定冰区就会受到一定的阻碍。如图4-a4-b4-c所示,普里兹湾是我国的主要科考区域,中山站是泰山站、昆仑站的出发基地和大本营,也是每年雪龙号进行物资补给、人员替换的重要科考站,选择该区域正是基于中国南极考察的国家战略。雪龙号在冰区活动时需要密切关注海冰的范围、海冰的密集度、冰山识别、积雪和海冰的厚度、积雪和海冰的融化情况等。

3.固定冰观测

3.1卫星遥感

  

(a)                                        (b)

  

(c)                                        (d)

5 卫星遥感手段监测海冰变化

首先,介绍MODISSAR不同传感器对海冰的识别优势(如图5-a所示),冰山活动与冰架崩解对固定冰都有一定的影响,破坏固定冰区域的边界,甚至可能会改变区域的环流情况(如图5-b所示),目前已经有一些较为成熟的固定冰产品,如澳大利亚南极局、德国不莱梅大学、美国冰雪中心、欧洲气象卫星应用组织和我国的一些服务性产品,然而对于南极固定冰的厚度,目前卫星遥感无法反演(如图5-c5-d所示)。

3.2现场观测

  

(a)                                        (b)

  

(c)                                        (d)

6 现场观测

中国人在南极最早开展的海冰现场观测可以追溯到1981年,张青松和董兆乾受澳大利亚的邀请,在南极进行科考任务,开启了我们中国人在南极进行现场观测的序幕(如图6-a所示)。自此,研究者逐步在普里兹湾地区开展了科学考察与研究工作(如图6-b6-c所示)。固定冰观测点SIP现场观测,包括海冰温度观测、三维涡动观测、自动气象站和分光谱辐射仪等(如图6-d所示)。

  

(a)                                        (b)

(c)

7 积雪和海冰厚度变化曲线图

7-a7-b7-c分别展示了固定观测点SIP、探冰断面TRS、内拉湾断面的积雪和海冰厚度变化曲线图。

3.3生消机理

  

a                                        b

8 一年冰和多年冰生消机理

在中山站附近,近岸一年冰和多年冰“共存”,但有着相反的生消特征。现场观测显示:一年冰和多年冰在三月份呈现截然不同的变化,一年冰冻结增长,多年冰融化减少,进入四月份后,生长趋势一致(如图8-a所示)。

如图8-b所示,产生的这种现象的原因主要是不同的初始垂直温度梯度:对于一年冰,0.2米厚温度梯度大;对于多年冰,1.2米厚,上层温度梯度大,下层是同温层。同温层导致向上热传导为零,冰底的海洋热通量,全部用来融化海冰。多年冰的融化不仅发生在底部,而且发生在海冰内部,这和现场钻孔观测到的“夹心层”现象一致。

 

(a)                                        (b)

(c)

9 积雪对海冰生消的影响

积雪对海冰生消的影响主要表现如下:(1)基于观测数据分析(如图9-a所示):在固定冰观测点SIP多年的记录显示,不同年份的平均雪厚和最大的海冰厚度之间存在较强的负相关(-0.58),这主要体现了积雪的绝热效应;在TRS路线上的积雪和海冰厚度之间,存在很弱的负相关关系(-0.2),因为存在雪-冰的正贡献和吹雪造成的空间分布的不确定性很大。

2)基于数值模拟分析(如图9-b所示):设置有雪/无雪的数值模拟试验,选择一维雪冰模型HIGHTSI,时间分辨率设置为每小时(hourly),大气强迫场设置为中山站观测/ECMWF。有雪和无雪情况下,海冰内部温度不同、冰内热传导不同、海冰生长率不同、海冰生长量不同、海冰表面融化不同、海冰底部融化时间不同,经历了夏季融化后的冰厚不同。

雪冰是指由雪冻结成的冰,与冻结冰有一定的结构差异,设置雪-冰转化的敏感性模拟实验表明:对于厚度达到1.6 m2.0 m的多年冰,在冬季初期,会先经历底部的融化。雪-冰转化总量占到最大冰厚的10-14%;对于薄冰(<0.2 m),总的海冰冻结量更大,模拟的雪-冰转化总量可以占到最大冰厚的30%(如图9-c所示)。

3.4南极普里兹湾固定冰预报系统

  

a                                b

10 南极普里兹湾固定冰预报系统

结合现场观测数据与数值模拟结果,又考虑普里兹湾地区固定冰主要存在冰裂隙多、积雪厚的特点,研发了一套南极普里兹湾固定冰预报系统,为南极地区的科考提供必要的有用信息和预报。如图10-a所示,选择基于HIGHTSI扩展为空间二维,共720个格点,水平分辨率0.125度,强迫场为ECMWF大气数据。

如图10-b所示,为什么选择HIGHTSI模式:HIGHTSI模式对雪和冰的刻画细致(10层雪,20层冰);考虑了海水倒灌,浸湿雪层后,再冻结为冰的过程(冰裂隙多的特点);考虑了夏季时雪层融化,再冻结为冰的过程(积雪厚的特点);考虑了海冰内部融化过程(对服务保障十分重要)。

  

a                               b

  

c                                d

  

e                                 f

11 后报实验与预报实验

在完成了系统的开发后,进行了后报实验与预报实验:后报实验包括强迫场对比检验,即驱动模式使用的ECMWF数据和现场观测数据的比较、模拟结果检测,模拟结果和现场海冰厚度的对比等(如图11-a11-b所示)。在20172018年南极科考期间进行预报实验、预报场的空间二维分布和表面积雪融化的现场检验,在雪龙号到达固定冰外缘后,寻找合适的破冰和卸货路线(如图11-c11-d11-e11-f所示)。

4.小结

1)固定冰是重要的极地海冰形式,决定了近岸的大气-海冰-海洋之间的热量和动量交换,了解其变化规律对认识极地海冰有重要意义。

2)在普里兹湾,固定冰是良好的观测平台,也是阻碍南极考察队的“绊脚石”。

3)多年冰表现出异于一年冰的生消特征,而积雪对海冰生消影响巨大,表现为两方面:从能量角度抑制海冰的冻结,从质量角度通过雪冰直接做贡献。

4)从预报保障的角度,获取积雪和海冰的空间厚度分布至关重要,目前遥感做不到,只能靠数值模拟。另外雪冰虽然贡献了厚度,但强度很低,是冰上卸货的“潜在安全隐患”。

5)对普里兹湾海冰的了解仍处于初级阶段、需要进一步加强。例如风吹雪过程、海洋热通量观测等。另外,现场后勤作业人员应该加强气象、海冰只知识的普及。

 

报告介绍后,与会的各位老师同学与赵杰臣老师进行了热烈讨论,大家受益匪浅。倾听报告的各位老师和同学对这次讲座精彩纷呈表示感谢!

 

 

(编辑:蒋锫  审核:郝卫峰)

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