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北冰洋海冰运动和冰场流变不同尺度观测研究

北极气候变暖是全球平均水平的2-3倍,被称为北极放大效应。海冰运动速度时空变化对于理解北极海冰快速减少机制十分重要,海冰运动决定了冰的形变、冰厚重分布和海冰的输运。海冰减少变薄,会增强其流动性,后者会促进海冰形变和冰脊的形成。风对海冰的强迫,主要由大气环流模态决定。北极海冰运动速度变化的时空差异,及其对不同的大气环流模态的响应机制有待定量研究,也是优化海冰动力学数值模式的基础性工作。海冰冰场剪切和辐聚/辐散,会形成冰间水道,形成海气热量和能量交换的天窗,加大上层海洋热量释放。

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。

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(1),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(2)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,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,并系统地分析了北极海冰运动速度的长期变化趋势及其对大气环流的响应规律(Zhang et al., 2021;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)

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。


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1浮标阵列漂流轨迹冰场形变过程及其尺度效应


2


2北极海--气无人冰站观测系统及其观测数据

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.

6.Zhang, F., Pang, X., Lei, R.*, Zhai, M., Zhao, X., & Cai, Q. (2021). Arctic sea ice motion change and response to atmospheric forcing between 1979 and 2019. International Journal of Climatology, 1– 23. https://doi.org/10.1002/joc.7340.




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