冰上积雪对南极普里兹湾海冰质量平衡过程的影响

Based on the automatic monitoring system deployed on the sea ice off Chinese Zhongshan Station, Prydz Bay, Antarctica, the complete freezing, growing and melting processes of sea ice will be recorded, including the accurate snow depth accumulated on the sea ice surface. The influence of snow depth on the heat balance processes, focusing on thermal conductivity and mass balance processes, focusing on snow-ice formation, will be analyzed in different seasons or period (polar day and night). The sea ice thermodynamic model will also be used to perform sensitivity tests to further study the impact of snow on heat and mass processes.

基于中山站目前的海冰自动观测系统，利用俯视声纳获取高频准确的海冰表面的积雪深度，利用海冰质量浮标观测气-雪-冰-海温度剖面和海冰生消变化。将积雪对能量平衡的影响研究侧重于雪/冰表面以下雪-冰-海内部的热传导过程，将积雪对质量平衡的影响研究侧重于海冰上表面雪冰的形成和下表面海冰的冻结过程。通过分析观测数据并结合海冰热力学模式的敏感性试验来深入研究冰上积雪对普里兹湾海冰能量和质量平衡过程的影响。

海冰厚度是海冰重要的物理参数，是全球变化背景下极地海冰响应的最重要指示剂之一。南极普里兹湾是我国南极考察活动的核心区域，海冰厚度是影响雪龙船（1.1 m冰，含0.2 m雪）在该海域破冰航行和冰上作业的主要因素。积雪在南极海冰的季节生消演化中起着重要作用，通过影响海冰的能量和质量平衡过程影响着海冰的厚度。通过现场观测和数值模拟相结合的方法，研究积雪在南极海冰生消过程中的作用，可以帮助我们进一步提高海冰预报保障水平，为我国南极科学考察队提供更准确、有效的保障服务。在中国南极科学考察队的支持下，本项目在南极中山站外围固定冰区成功布放6套温度链海冰物质平衡浮标（SIMBA），对积雪和海冰进行人工和自动化观测，累计获取了约30个月的积雪和海冰温度、厚度数据，建立了1套积雪-海冰温度和厚度数据集。利用SIMBA的温度剖面数据，研发了反演积雪和海冰厚度的自动化算法，并取得计算机软件著作权；基于本项目观测结果并结合历史观测数据，对中山站积雪和海冰的空间和时间演变特征进行了分析研究，着重对积雪厚度和最大海冰厚度进行了统计学分析，结果表明年度最大海冰厚度和年度平均积雪厚度之间存在负相关观测（-0.58），暗示积雪越厚，最大海冰厚度会越小。分别利用简单的海冰生长解析模型和复杂的海冰热力学模型，设计不同雪厚的敏感性试验，研究了积雪厚度对海冰生长和消融过程的影响机制，并定量分析了雪冰（snow ice）、叠加冰（superimposed ice）和冻结冰（congelation ice）在一年冰和多年冰生消演变中的贡献。结果显示在海冰生长过程中，厚积雪会引发海水倒灌，形成雪冰，造成海冰厚度的迅速增大；在冬季积雪的隔热效应会减弱海冰内部的热传导效率，减小海冰底部的生长率，和裸冰情况相比，0.15 m积雪会导致海冰底部冻结厚度减小30%；在夏季积雪会延迟底部融化的开始时间~18天左右，而表面积雪的融水会在海冰表面形成叠加冰；多年冰厚度会达到平衡态，叠加冰成为重要组成部分。