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自然资源部极地科学重点实验室极地气-冰-海研究团队在北极海冰冻融期变化研究方面取得新进展

发布日期:2022-12-15 15:57:38

自然资源部极地科学重点实验室极地气-冰-海研究团队在北极海冰冻融期变化研究方面取得新进展


   北极海冰是地球冰冻圈系统的重要组成部分,是北极气候变化的“指示器”。海冰冻融期是北极海冰快速变化的重要指标之一,既表现为对北极大气和海洋变化的响应,又调控着北极气-冰-海系统的热量收支。受观测手段限制,过去北冰洋海冰冻融期研究主要聚焦于海冰表面,对海冰底部冻融期的研究在时空分辨率上存在明显不足。然而,海冰底部冻融过程与上层海洋直接产生淡水和热量交换,不仅改变上层海洋水文环境,还影响上层海洋生态过程。因此,对海冰底部冻融期的研究有助于提升对北极气候和生态环境变化的认知。


      过去,中国极地研究中心(中国极地研究所)极地冰雪与气候变化研究所气-冰-海研究团队Lei 等 (2018; 2022)利用布放在北冰洋的单个或少数海冰物质平衡浮标探究了大气和冰下海洋对海冰底部冻融开始时间的影响;Lin和He (2019) 利用加拿大海盆历史温盐深数据估算了海洋次表层增暖对海冰冻结开始时间的推迟效应。近日,该团队收集了2000年以来北冰洋海冰物质平衡浮标、潜标和冰基海洋剖面浮标,卫星遥感等多源观测数据,完整地刻画了海冰表面和底部冻融期(图1),系统地探究了海冰表面和底部冻融开始时间对大气和上层海洋变化的响应。


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图1:海冰物质平衡浮标所代表的浮冰表面和底部冻融开始时间。SMO,SFO,BMO,BFO分别为海冰表面融化开始时间,表面冻结开始时间,底部融化开始时间,底部冻结开始时间;PMW,SAT,IMB分别对应卫星遥感观测,冰上气温观测和海冰物质平衡观测。


     研究发现整个北冰洋底部融冰期比表面融冰期长近3个月(图2),其原因在于海冰自身降温及冰下海洋混合层和次表层热量释放导致的海冰底部冻结开始时间滞后于表面。研究表明海冰和积雪厚度越薄,底部冻结滞后时间越短。由此证实了随着海冰和积雪厚度减薄,多年冰底部冻结开始时间提前的趋势(图3),这与季节性海冰冻结开始时间推迟的趋势完全相反。研究还发现,在纬度相对较低的波弗特流涡区域,海冰底部融化开始时间比表面早近半个月(图2),且海冰底部融化开始时间与表面一致同样存在提前的趋势(图3),这归因于海冰厚度总体减薄,流动性增强后,更多春季短波辐射能量通过海冰透射和冰间水道进入冰下海洋导致的表层海洋增暖。该研究弥补了对海冰底部冻融期探究的不足,促进了对海冰快速变化的全面认识。

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图2:海冰表面和底部冻融开始时间空间分布和随纬度的关系

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图3:物质平衡浮标观测的多年冰底部冻融开始时间变化趋势


   研究成果发表在冰冻圈科学领域高水平期刊The Cryosphere(JCR 1区,IF=5.805)上,被EGU官方网站作为亮点工作进行了报道,认为我们首次给出了“北极海冰冻融过程对气候变化响应机制的完整描述”(“The first complete picture of Arctic sea ice freeze-thaw cycle highlights sea ice response to climate change”)(https://www.egu.eu/news/938/)。论文第一作者为中国极地研究中心(中国极地研究所)助理研究员林龙,通讯作者为雷瑞波研究员。研究工作参与者还包括来自德国AWI极地与海洋研究所、美国达特茅斯学院和自然资源部第二海洋研究所等国内外同行。研究工作得到了国家重点研发计划(2018YF0605903), 国家自然科学基金项目(42006037,41976219)、上海市自然科学基金项目(22ZR1468000)等项目的资助。


相关论文:

Lin, L., Lei, R., Hoppmann, M., Perovich, D.K., and He, H.: Changes in the annual sea ice freeze–thaw cycle in the Arctic Ocean from 2001 to 2018, The Cryosphere, 16, 4779–4796, https://tc.copernicus.org/articles/16/4779/2022/, 2022.


Lei, R., Cheng, B., Heil, P., Vihma, T., Wang, J., Ji, Q., Zhang, Z.: Seasonal and interannual variations of sea ice mass balance from the Central Arctic to the Greenland Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans, 123, 2422–2439. https://doi.org/10.1002/2017JC013548, 2018.


Lei, R., Cheng, B., Hoppmann, M., Zhang, F., Zuo. G., Hutchings. J. K., Lin, L., Lan,M., Wang, H., Regnery, J., Krumpen, T., Rabe, B., Perovich, D. K., and Nicolaus, M.: Seasonal timing of sea ice mass balance and heat fluxes along the Arctic Transpolar Drift, Elem.-Sci. Anth., 10, 000089, https://doi.org/10.1525/elementa.2021.000089, 2022.


Lin, L., He, H.: Decadal variance of summer near-surface temperature maximum in Canada Basin of Arctic Ocean, Tellus A: Dynamic Meteorology & Oceanography, 79(1): 1-9, https://doi.org/10.1080/16000870.2019.1591856, 2019.


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