北极冰面融池分布及其在冰-海洋耦合模式中的参数化研究

With the rapid warming of the Arctic, the ice melt pond coverage area has increased significantly. Since the albedo of melt pond is between that of sea ice and the sea water, it's important to provide the accurate information of melt pond coverage to calculate the solar radiation absorption by the oceans, and to understand the thermal process of the atmosphere-ice-ocean coupled system in the Arctic. Currently, studies on the algorithm of melt pond coverage based on remote sensing data are still focused on local region and the case experiments. The distribution of large-scale melt pond is required to understand the role of the melt pond in the polar environmental changes and also to improve the ice-ocean coupled model. This project intends to study the melt pond inversion based on microwave data. Through the step by step verification chain, which consists of in situ observation, aerial photos from aircraft, the classifying and retrieval results of visible radiation data, and the retrieval results of microwave data, we aim to solve the technical problems of point to area remote sensing data verification. In order to properly model the Arctic ice edge zone, the melt pond parameterization scheme in ice-ocean coupled model based on field observational data will be developed, and will be applied into the ice-ocean coupled model. Based on these studies, we will explore the mechanisms for the spatial distribution of the Arctic summer melt pond, which is also essential to understanding the potential relationship between the distribution of large scale melt pond and the climate change.

随着北极迅速变暖，北极冰面融池面积明显增加。由于融池的反照率介于海冰和海水之间，提供准确的融池覆盖率信息对计算极区海洋对太阳辐射的吸收和了解极区气-冰-海耦合系统的热力过程有重要意义。目前基于遥感数据的融池覆盖率算法研究仍以局地性的个例试验为主，要了解融池在极地环境变化中的作用，并应用于数值模式中，需要提供大尺度的融池分布。本研究拟开展基于微波数据的融池反演研究，利用现场定点观测数据、飞机航拍数据、可见光数据分类反演结果和微波数据反演结果建立逐级验证链条，在一定程度上解决遥感数据点对面验证的技术难题。为改善数值模式在北极冰边缘区的模拟结果，拟基于现场实测数据提出针对冰-海洋耦合模式的融池参数化方案，将融池效应合理地引入冰-海洋耦合模式。在此基础上，探究北极夏季冰面融池的空间分布规律和机制，为进一步研究融池与气候变化的关系打下基础。

在全球变暖背景下，北极海冰迅速减退，海冰表面的融池面积也有所增加。融池对北极耦合系统的重要作用也是近年才被较广泛地关注。获取较合理的大尺度海冰和融池覆盖率数据、系统地进行模式参数化和变化机理研究是十分必要的。本项目在融池的光学性质、遥感反演算法、融池物理过程参数化及北极海冰融化和融池分布变化机理研究等方面取得了较好进展，为进一步研究融池与气候变化的关系打下基础。通过项目执行，1）较系统地建立了一套针对北极海冰和融池的光学观测手段，计算了区域融池覆盖率及融池吸收的太阳辐射能；2）提出和改进了融池覆盖率、海冰密集度和多年冰的遥感反演算法，并采用更高分辨率遥感数据和航拍数据进行了验证；3）基于CICE海冰模式，系统地比较了几种融池参数化方案，进行了增加浸雪效应、修正宏观流失融池水与海冰密集度的关系等改进，并利用冰-海洋耦合柱模式计算研究了融池吸收的太阳辐射比例；4）研究了融池分布特征及趋势，探讨了2007年与2012年融池分布的差异及成因，通过揭示1980年代末太平洋扇区海冰突然减小的成因及白令海海冰融化速度变化的影响因子等研究进一步认识了北极海冰迅速变化的机理。相关研究已撰写论文9篇，已发表论文4篇（其中3篇SCI），完成1份博后出站报告，1篇博士论文，2篇硕士论文。还撰写了科普文章“10000个科学难题——融池对北极气冰海耦合系统的贡献”。通过本项目研究，加深了我们对海冰和融池的物理性质及吸收太阳辐射的物理过程的理解；直面目前国际上利用遥感数据进行海冰和融池反演算法研究所面临的难题，为发布具有我国特点的极区遥感产品奠定了基础；探讨了模式次网格意义下融池物理参数化的合理性；初步掌握了融池分布的变化规律，加深了对海冰迅速减少及区域海海冰融化速度变化的物理机制的理解；为正确理解融池在极区气-冰-海耦合系统的作用提供了理论基础。