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35、36、37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：
2020年11月25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。
图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）
图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
图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)
图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-a、4-b、4-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)
图5 卫星遥感手段监测海冰变化
首先，介绍MODIS、SAR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-c、5-d所示）。
3.2现场观测
(a) (b)
(c) (d)
图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-b、6-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)
图7 积雪和海冰厚度变化曲线图
图7-a、7-b、7-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
图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)
图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 m和2.0 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）
图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）
图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-a、11-b所示）。在2017、2018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-c、11-d、11-e、11-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）
