北极增暖背景下垂向混合增强对北极海冰生消过程影响的数值模拟研究

Over the past couple decades, Arctic sea ice extent declined continuously with earlier melt and later freeze onset. The expansion of ice-free regions would be expected to benefit the input of wind-driven inertial energy, thus enhance the strength of vertical mixing. As a key factor, which affects heat flux at the ice-ocean interface, the impacts of enhanced vertical mixing on Arctic sea ice freeze-melt process were still unclear. The study aimed to explain the mechanism of how enhanced vertical mixing affected Arctic sea ice freeze-melt process through numerical simulations using different vertical mixing parameterizations. Key points of this study included influences of enhanced vertical mixing on the upward heat transport of Atlantic Water and Pacific Summer Water, evolution of halocline and upper mixing layer, heat budget of sea ice, as well as the interaction between sea ice and the underlying ocean.

近二十年来北极海冰范围持续缩小，融冰期提前，结冰期延后。无冰区范围的扩张势必增加海洋风生近惯性能量的输入，引起垂向混合水平的提升。作为影响冰-海界面热通量的要素，垂向混合增强在北极海冰生消过程变化中的作用尚不明确。本研究将围绕垂向混合增强如何影响北极海冰生消过程这一核心问题，基于多套垂向混合参数化方案的对比实验，重点研究垂向混合增强对大西洋水和太平洋夏季水热量向上的传递过程，盐跃层和上混合层的演变，海冰的热量收支平衡的影响，以及海冰变化与冰下海洋的相互作用过程。

全球变暖的背景下，北极表层大气温度升温速率是全球平均升温速率的2-3倍，北极气温的升高致使海冰加速融化，更多的无冰水域面积有利于风对海洋能量输入的增加，激发更强的北极海洋垂向混合。另一方面，根据克劳修斯-克拉贝龙关系，气温每升高1度，大气水分含量将增加7%，伴随着北极增暖，降水和河流径流量势必增加，导致北极上层海洋层结进一步趋于稳定，抑制北极海洋垂向混合。在以上两种机制的共同作用下，未来气候背景下北极海洋的垂向混合如何变化将无法预估。.遍布欧亚海盆和加拿大海盆200-800米深度层内的大西洋水团携带着巨大的热量，在目前气候背景下，位于欧亚海盆和加拿大海盆50-200米深度层内的盐跃层相对稳定，大西洋水层的热量无法突破盐跃层的阻碍进入海洋表层而对海冰产生明显影响。.在未来气候背景下，北极海洋垂向混合的变化势必会对北极海洋的垂向温盐分布以及海冰的状态产生影响。在本研究中，我们假设未来气候背景下北极海洋垂向混合增强，我们使用北极冰海耦合数值模式进行数值模拟，分析北极冰海耦合系统对不同强度海洋垂向混合水平的响应。研究发现，如果北极海洋垂向混合增强，将会导致海洋垂向温度和盐度的交换加速，使得次表层及以下水层暖而咸的海水进入表层，导致海冰总量的减少。海冰密集度的减少在夏季比较明显，海冰厚度的减小在全年都很明显。北极海洋垂向混合增强会使得盐跃层和大西洋水层温度降低，使得表层盐度增加，盐跃层和大西洋层盐度降低。不同深度处海水盐度的变化导致海洋层结变弱，继而引发北极海洋环流场的调整，在海洋表层和700米以下的深层海洋引发气旋式流场异常，在大西洋层和盐跃层引发反气旋式流场异常，波弗特流涡加速。.本研究是对北极海冰海洋未来状态的一种预测，对于国际社会在气候变暖背景下认识北极、开发北极具有一定的指导意义。相关科研成果已发表在Journal of Geophysical Research-Oceans(第一资助)和Journal of Atmospheric and Oceanic Technology(第二资助)上。