北冰洋海冰冰场流变学观测研究取得新进展

北极气候变暖是全球平均水平的2-3倍，这一现象被称作“北极放大效应”。北极海冰快速减小在北极变暖和放大过程中扮演着重要角色，海冰变薄会使更多的太阳辐射透过海冰进入海洋，造成夏季上层海洋吸收热量增加；秋冬季节海洋上层存储的热量会随着海冰的冻结进入大气，促进大气增暖。海冰冰场剪切和辐聚/辐散过程会导致冰间水道的形成，冰间水道作为海-气热量和能量交换的天窗，能够加剧上层海洋热量释放。热量进入北极大气中，会造成北极与中高纬度热力梯度的变化，影响大气环流，大气环流的改变则会影响欧亚大陆盛行天气型的强度和频率，进一步作用于我国的天气和气候过程。

随着北极海冰的减少，北极航道通航和商业利用正在成为可能。从我国经北极东北航道至欧洲港口的路程比经马六甲海峡、苏伊士运河和地中海的航线缩短约1/3。2021年3月24日， “长赐”号在苏伊士运河发生搁浅，造成双向交通大阻塞（图1）。该事件凸显了北极东北航道的重要性，经东北航道的航线可望成为经苏伊士运河“黄金水道”的重要补充。然而由于海冰时空变化的多变性，北极海冰依然是制约北极东北航道开通最重要的因素（图2）。

图1 Sentinel-1雷达影像，黑色区域为海洋，海洋中的白色亮点为拥堵船舶（图引自南京信息工程大学张彪教授）

图2 北极航道冰情变化趋势（Lei et al., 2015，CRST）

当前北极海冰流变学数值模式理论框架建立于上世纪70年代，物理参数和过程描述主要依据20~30年前以多年冰为背景的观测结果。近年北极海冰的快速变化，尤其是海冰变薄，极大地增加了海冰流变学参数化方案的不确定性。在高分辨率下(<10km)，海冰模式中诸如海冰为连续介质等假设受到挑战，次网格过程认知不足导致这些精细特性未能在模式中得到很好的描述，不能满足发展高分辨率海冰模式的需求。

在国家重点研发计划“高分辨率海冰模式研发”和“极地环境观测/探测关键技术与装备研发”，以及国家自然科学基金优秀青年基金“极地海冰物理学”和面上项目“北冰洋海冰冰场形变及其热力学效应观测研究”等项目的支持下，极地气-冰-海研究团队组织研发了“北极海-冰-气无人冰站观测系统”，突破了大气-海冰-海洋-生态一体化观测的技术瓶颈，该设备在我国北极考察和MOSAiC气候多学科漂流冰站中都得到了成功应用（图3）。

图3北极海-冰-气无人冰站观测系统及其观测数据

在这基础上，依托我国北极考察在西北极构建了浮标组网观测阵列，实现了冰基浮标的创新应用，获得了3个冰季冰场形变从次网格(1km)到网格尺度(100km)的观测数据，解决了精细化刻画冰场形变过程局地化特征的难题（Lei et al., 2020a; 2020b;2021）；课题组与国际同行共同策划了MOSAiC浮标阵列的构建方案，为构建迄今最完善的MOSAiC浮标阵列（图3）做出了突出贡献。观测结果为建立海冰非连续介质力学模型和优化冰厚重分布参数化方案奠定了坚实基础，可支持不同分辨率海冰数值模式参数化研究和模拟结果验证。

依据三个冰季浮标阵列观测数据(图4)，对卫星遥感海冰运动产品进行了系统评估，证明了卫星遥感产品用于估算中、低分辨率冰场形变 (Gui, Lei et al., 2020)和海冰拉格朗日动态追踪(Lei et al., 2019)的能力；在此基础上，结合卫星遥感和浮标阵列观测数据定量刻画了不同尺度冰场形变强度、局地化和瞬时性等特性，及其从夏季融冰期至冬季固结期的季节变化(Lei et al., 2020a; 2020b; 2021)；揭示了冰场形变季节变化与海冰强度的关联机制，指出夏季融冰加强会增强秋冬季的冰场形变。与20年前SHEBA的观测数据比较，发现海冰冻结初期和融冰期冰场形变明显加强，冬季形变强度变化较小，这一现象与海冰厚度的季节变化机制一致。以上成果揭示了海冰热力-动力学相互作用在季节尺度的反馈机制，发现海冰减少对秋冬季海冰生长形成了负反馈，海冰-海洋系统热量释放的增强加大了产冰量并加强冰场力学强度(Lei et al., 2020b; 2021 )。同时，夏季气旋活动可增强海冰辐散过程，从而促进上层海洋吸收更多短波辐射，影响秋冬季海冰生长，形成正反馈((Lei et al., 2020a; 2020b)。上述研究结果为美国国家冰雪数据中心主任Mark Serreze教授团队研究北极气旋活动对海冰减少的影响提供了参考(Schreiber and Serreze, 2020)[Divergence in turn can promote greater melt by exposing low-albedo open water – increasing absorption of solar radiation in summer (Lei and others, 2020)]。在北极海冰减少情景下，冰场形变热力学效应增强的研究成果为海冰厚度重分布等动力学过程参数化方案提供了参考，从而可实现具有水道和冰场形变模拟能力的高分辨海冰动力学数值模拟。对水道和冰场形变的精细刻画，能提高对当前北极海冰流变学数值模拟的能力，提升对北极海-气能量交换的定量计算能力，准确评价海冰变化对北极气候变暖的反馈机制。

图4浮标阵列漂流轨迹、冰场形变过程及其尺度效应

上述研究成果由中国极地研究中心、武汉大学、中国气象科学院、国家海洋环境预报中心、美国俄勒冈州州立大学、德国AWI极地与海洋研究所以及芬兰气象研究所共同完成，发表在The Cryosphere、Journal of Geophysical Research: Oceans、Journal of Glaciology、Cold Regions Science and Technology和International Journal of Climatology等冰冻圈和气候学顶级期刊上。现场观测工作提升了我国对北极海洋环境的监测能力，研究工作推动了中-德双方北极航次观测数据的共享。观测结果将来应用到海冰预报模式和地球系统模式中，可进一步提高对北极海冰时空变化的预测预报能力，服务于北极“冰上丝绸之路”的建设，航道利用的中长期规划以及船舶冰区航行安全保障。

相关论文：

1.       Lei R*, Gui D, Hutchings J K, Wang J, Pang X. 2019. Backward and forward drift trajectories of sea ice in the northwestern Arctic Ocean in response to changing atmospheric circulation, International Journal of Climatology, 2019(1): 1-20.

2.       Lei R*, Gui D, Heil P, Hutchings J K, and Ding M. 2020a. Comparisons of sea ice motion and deformation, and their responses to ice conditions and cyclonic activity in the western Arctic Ocean between two summers. Cold Regions Science and Technology, 170, 102925. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102925.

3.       Lei R*, Gui D, Hutchings J K, Heil P, Li N. 2020b. Annual cycles of sea ice motion and deformation derived from buoy measurements in the western Arctic Ocean over two ice seasons. Journal of Geophysical Research: Oceans, 125, e2019JC015310. https://doi.org/10.1029/2019JC015310.

4.       Gui D, Lei R*, Pang X, Hutchings J K, Zuo G, Zhai M. 2020. Validation of remote-sensing products of sea-ice motion: a case study in the western Arctic Ocean. Journal of Glaciology 1–15. https://doi.org/10.1017/jog.2020.49.

5.       Lei R*, Hoppmann M, Cheng B, Zuo G, Gui D, Cai Q, Belter H J, Yang W. 2021. Seasonal changes in sea ice kinematics and deformation in the Pacific Sector of the Arctic Ocean in 2018/19. Cryosphere, 15,1321-1341, https://doi.org/10.5194/tc-15-1321-2021.