北极海冰覆盖海域海浪传播物理机制研究

Waves in the Arctic Ocean are keeping growing due to the ice cover retreat over past 30 years. On one hand, unprecedented waves are playing more and more important roles in shipping activities, Arctic environmental studies and so on. On the other, wave-ice interactions become more and more significant in the marginal ice zone, which potentially influence Arctic climate change in the future. With complicated wave-ice interactions, previous theories and numerical models of ocean waves cannot be directly used in the Arctic Ocean. Currently, there are still many defects on interpreting wave propagation in ice covered sea areas, such as unclear propagation mechanisms and inconvenient application of theoretical models. Thus, with inaccurate wave simulation, it is difficult to analyze wave effects on sea ice quantitatively. For the purpose of improving such situation, this project will conduct a thorough research on propagation mechanisms of waves in ice covered seas by theoretical studies, comparisons with measurements, numerical tests and statistic methods. A new parameterization will be proposed to calculate wave damping and the change of propagation velocity caused by sea ice. The spherical multiple cell grids will be also adopted to improve the capability of simulating Arctic waves. Then it will be feasible to analyze the space-time distribution characteristics of wave radiation stress and stokes drift in the marginal ice zone of the Arctic Ocean, which provide proofs for studying wave effects on the sea ice.

过去三十年，北极海冰融化引起海浪迅速成长，前所未有的北极海浪不仅在航道通行、环境研究等方面扮演着越来越重要的角色，而且也使得海冰边缘区的海冰-海浪相互作用愈发显著，甚至潜在影响未来北极的气候变化。也正是由于海冰和海浪之间存在复杂的相互作用，使得以往的海浪研究、数值模型无法简单地照搬到北极海域使用。然而针对海冰覆盖海域海浪的研究，目前却依然存在着传播机理不清晰、理论模型应用难等问题，海浪的模拟不够准确也就直接导致难以定量分析海浪对于海冰的作用。基于此，本项目将通过理论研究、实测对比、数值模拟并引入应用统计学的方法，深入研究海冰覆盖海域海浪的传播机理，建立并完善新的参数化方案计算海冰引起的海浪能量衰减及速度改变，同时结合球面倍格元网格技术，显著提升北极海浪数值模拟的能力。然后通过数值计算，分析北极海冰边缘区的波浪辐射应力及斯托克斯漂的时空分布特征，为探究北极海浪对海冰的作用提供科学依据。

受全球气候变化的影响，近年来北极海冰的减少引起了海浪迅速成长，前所未有的北极海浪在航道通行、环境研究等方面扮演着越来越重要的角色，并且潜在影响着未来北极气候变化。尽管海浪的运动规律是具有普适性的，但是由于海冰的存在，却不能将过去适用于其他海域的研究理论直接应用于北冰洋，特别是在海冰边缘区，海冰形态复杂多样，二者间的相互作用愈加复杂。.为充分认识北极海浪的变化规律，本项目针对北极海冰覆盖海域海浪传播物理机制开展了研究。定性分析了多种经典的海冰-波浪理论，定量研究了不同类型的海冰对海浪的消能作用以及海浪传播过程中频散关系的改变。基于实测数据的参数反演与相应的数值计算研究，综合考虑不同的作用机理，自行建立、完善了等效剪切模量、等效运动粘性系数等参数在相应海冰-海浪理论中的参数化方案，并能较好地运用于北极海浪的数值模拟。在此基础上，进一步对不同情况下的风能输入、波浪非线性相互作用等机制进行了源项分析与计算，并结合球面倍格元网格技术，完善了相关传播方案，对北极海域开展了大范围、长时间的海浪数值模拟，定量研究了北极海浪与海冰空间分布的关系。.通过与观测数据的对比，本项目自行参数化的粘弹性海冰波浪模型与频率相关的经验公式能够较好地模拟北极海冰覆盖海域的海浪。基于多年的数值追算，定量给出了整个北冰洋及子海域海冰覆盖范围变化（含北极无冰的情况）与有效波高、风涌浪比例、大浪发生概率变化间的关系，斯托克斯漂的空间分布特征及其与背景欧拉流场之间的关系。研究发现，北极海冰覆盖范围的减少会使得北极海浪的有效波高、大浪发生概率和涌浪占比增加，与再分析海流数据相比，表层的斯托克斯漂对于大部分海冰边缘区（平均密集度<60%）而言约占欧拉流场的30%，并且在楚科奇海和东西伯利亚海等海域达到相当的量级。本项目以上的各研究结果对于人们进一步深入认识北极海浪，以及其在北极环境系统中的重要作用有着十分重要的意义。