北极融池物理过程及其对上层海洋的影响研究

Aiming the phenomenon that the melt-pond is widespread in the Arctic sea ice surface, the project is based on the ice and ocean hydrological data which are obtained by Chinese National Arctic Research Expedition, not only analyze the distribution characteristics of melt-pond in sea ice coverage area, but also analyze the variation of temperature, salinity, heat content and freshwater content at upper Arctic Ocean. A series of physical processes about melt pond variation are studied, such as solar radiation absorption, heat exchange and balance, convective mixing in the vertical, and sea ice melting, and so on. The influences of melt pond variation in thermodynamics are also studied. A series of key coefficients are determined by calculating solar radiation, heat flux and freshwater flux between melt-pond, sea ice and ocean, thereby establish a pond-ice-ocean coupling model in the vertical direction. With the assistance of coupling model, the influence mechanism about variation of melt-pond to heat flux, freshwater flux, structure of the upper ocean, Near Surface Temperature Maximum and other hydrological factors of upper ocean is studied. Study results have guidance and foundation for the rapidly changing research of Arctic region, especially for rapidly changes in the hydrological factors study of the upper ocean.

针对北极冰面广泛存在的融池现象，本项目基于中国北极科学考察期间的海冰和海洋调查资料，不但分析海冰覆盖区域融池的分布特征，而且分析上层海洋的温度、盐度、热含量和淡水含量的变化特征。研究融池变化过程中的太阳辐射吸收过程、热量交换与平衡过程、垂直方向上对流混合过程以及海冰融化过程等物理过程；研究北极融池的变化机制对热力学过程的影响。通过计算融池、海冰和海洋之间的太阳辐射能、热通量、淡水通量确定一系列的关键参数，建立垂直方向上的融池-海冰-海洋耦合模型。研究融池对冰下海洋热通量、淡水通量、上层海洋结构和次表层暖水的影响机制；进而揭示融池与海洋和海冰之间的相互作用过程和机理。其研究成果对北极区域快速变化研究，特别是对上层海洋水文要素的快速变化研究具有指导性和基础性。

融池是夏季北极海冰表面广泛存在的现象，它的存在改变了海冰的热力平衡和质量平衡，对上层海洋的水文要素产生重要的影响。鉴于此，本项目通过分析历年来中国北极科学考察期间获得的海冰、融池以及上层海洋的观测数据，研究了太阳辐射能在融池内部和表面的吸收和转化机制；分析融池水吸收的能量再转化过程；研究融池下面海冰和海洋的能量传输和吸收过程。在这些研究的基础上建立了融池-海冰-海洋热力耦合模式，进而通过该模式阐述了融池对上层海洋的热含量、淡水含量以及温盐结构的影响过程。通过这些研究发现：.（1）2010年夏季太平洋扇区的海冰由东向西漂移和太阳辐射能在70°N以北区域纬度越高太阳辐射能越大等特征，共同导致融池深度出现随纬度的升高而不断加深的现象。.（2）融池吸收的太阳辐射能一方面，约有12.3%转化为感热，7.5%转化为潜热，6.9%转化为净长波辐射，这些能量在融池表面重新进入大气，从而对大气产生重要影响；另一方面，高达73.3%的太阳辐射能进入融池或融池下面的海冰。.（3）融池吸收的太阳辐射能对海冰融化产生了一个正反馈，然而融池水的温度并没有持续升高，而是呈现日周期变化特征。结果表明，当融池深度小于0.4米时，融池深度越深海冰融化速率越快；当融池深度大于0.4米时，海冰的融化速率达到最大，为1厘米/天。.（4）在高密集度海冰覆盖区域，通过融池的太阳辐射能和融池水是引起次表层暖水和盐度跃层的最主要原因，研究结果显示融池覆盖率越大，海冰融化速率越快，此时次表层暖水获得的能量就越多，盐跃层和温跃层就越明显。.本项研究工作不但使我们加深了太阳辐射能在融池里面的能量转化和再分配过程的认识；还使我们认识到融池对上层海洋的热含量、淡水含量以及温盐结构产生了重要的影响。这些成果为理解极区海冰快速变化甚至全球气候变化具有重要意义和参考价值。