南极普里兹湾冰底海洋热通量的变化特征及其对海冰生消的影响

Prydz Bay is the key interests-related region for Chinese Antarctic Expedition. Sea ice is commonly existed in this area all the year around, and has huge influence on ship navigation, scientific and logistic activities. Oceanic heat flux (OHF) is one of the most important parameters for ice growth and melting processes, but is lack of study because of its difficulty in observations. In this project year-round and high frequency OHF will be directly observed using three-dimensional Acoustic Doppler Velocimeter, Conductivity-Temperature-Depth system and so on, based on the wintering platform at Zhongshan Station. Turbulent flux measurement, bulk parameterization and energy residual method will be employed to calculate OHF. The last two methods will be compared to the measurements, and the empirical parameters should be optimized. The daily, monthly, seasonal and annual cycle and spatial difference of OHF will be studied and deeply analyzed combined with topography, depth, meteorological, tidal and ice evolution processes. A high resolution thermodynamic sea ice model will be used to to exam the OHF influence on the ice evolution in the different seasons. The achievement of this project is supposed to be used directly in the fast ice prediction system in the Prydz Bay, to improve the ice thickness forecast, and finally to provide better sea ice service to Chinese Antarctic Expedition.

普里兹湾是我国南极考察活动的核心区域，海冰在该海域常年存在，对航行、科考和后勤工作造成巨大影响。冰底海洋热通量是影响海冰生消过程的重要参数，但由于观测难度大，相关研究较少。本项目利用中山站观测平台，采用声学多普勒三维流速仪和温盐深仪等设备开展冰底海洋热通量的直接现场观测，获取多个站点的全年度高频率的海冰-海洋参数数据集；采用涡动相关法、体积参数化法和剩余能量法分别计算冰底海洋热通量；以涡动相关法计算值为准，优化另外两种经验公式的关键参数；分析海洋热通量的日、月、季节和年际尺度的变化规律及空间分布差异，结合地形、水深、气象、环流、潮汐和析盐融化过程诊断其变化和差异机制；利用海冰热力学模式进行敏感性试验，定量分析不同数量级的海洋热通量对海冰生消过程的影响。本项目的研究成果可直接优化固定冰预报系统的海洋强迫场，提高冰厚的预报准确度，为我国南极科考队的冰上作业提供更可靠的保障，具有重要的实际意义。

中国南极中山站所在的普里兹湾常年被海冰覆盖，站区以北的固定冰可达60-100公里宽，1.0-1.5米厚，对雪龙船抵近站区和实施冰上卸货造成严重阻碍和巨大安全风险。固定冰的厚度和融化情况，是考察队和雪龙船需要掌握的重要参数。目前除了零星的现场钻孔观测外，卫星遥感尚无法提供这些产品。在这种情况下数值预报产品可以填补空白。对海洋热通量的研究是建立科学、合理预报模型的重要基础，本项目的实施为我国南极考察队在普里兹湾的考察活动提供了有力的支撑。本项目依托我国南极科学考察队，利用中山站越冬观测平台，分别于2020-2021年度、2021-2022年度、2022-2023年度开展冰底海洋热通量的直接现场观测，建立了全年度高频率的海冰-海洋相关参数（海冰温度和厚度、海水温度和流速）数据集；采用不同参数化方法分别计算了冰底海洋热通量；基于观测数据分析了海洋热通量的日、月、季节和年际等不同时间尺度的变化规律，以及不同站点间的空间分布差异；结合地形、水深、气象、海洋环流、潮汐、海冰等过程诊断了其变化机制；利用海冰热力学模式设计敏感性试验，定量分析了不同数量级的海洋热通量在不同季节对普里兹湾海冰生长和消融过程的影响。在本项目的支持下，研发了南极普里兹湾固定冰预报系统（Fast Ice Prediction System, FIPS），该系统可在经向、纬向和垂向上模拟积雪和海冰热力学过程的三维变化，预报积雪和海冰厚度、温度、积雪的融化、海冰内部的融化、雪冰的比例等。上述预报系统，以欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）的大气预报资料作为强迫场，采用集合预报方法，对固定冰进行周预报，应用于中国南极科学考察的中山站卸货保障作业服务。