动力要素在北极海冰演变过程中的作用

With decreasing of the sea ice mass in the Arctic, some fresh problems, such as global climate changing, summer transportation, resource exploitation and environmental protection,etc., are appearing. In the evolution of Arctic sea ice, the dynamic action, coupling with thermodynamic action, has obvious influence on sea ice deformation, drifting and distribution. Thus, this project investigates the mechanism of sea ice rupturing, ridging and drifting, and establishes the mechanical model based on the observed data in the Arctic. According to the mechanics and breaking characteristics of Arctic sea ice, the numerical model is developed to simulate the evolution of sea ice in local region under different dynamic conditions. Based on the data assimilation, the MITgcm numerical model for sea ice-ocean coupling is studied to analyze the evolution of sea ice on various temporal-spatial scales under dynamic effects. Using the observed and simulated sea ice data comprehensively, the present work is also to study the influence of dynamic factors on sea ice mass balance in the Arctic, and to determine the major dynamic factors on sea ice evolution characteristics in the Arctic. With the research above, it will be beneficial to develop the basic mechanism of sea ice evolution trend in the Arctic, and also to provide scientific foundations for numerical simulation and forecasting in polar regions.

近年来，随着北极海冰的持续缩减，全球气候变化、北极夏季航运、寒区资源开发和极区环境保护等问题不断涌现。在北极海冰的动力-热力耦合过程中，动力作用对海冰的形变、运移和分布特征有着显著的影响，并通过对热力作用的反馈共同决定着海冰的演变趋势。为此，本申请项目将结合现场观测数据，对北极海冰在不同环境条件下的动力变化过程进行数值模拟，分析北极不同区域海冰的破碎、成脊、运移等动力特性及其形成机理；基于海冰数据同化方法，采用冰-海耦合模式对北极海冰的演变规律进行数值分析，研究不同时空尺度下动力作用对北极海冰演变过程的影响；综合海冰监测数据和数值分析结果，评估动力要素在北极海冰总量动态平衡中的作用。该申请项目通过系统地分析动力要素在北极演化过程中的作用，为极区海冰的数值模拟和预报提供科学依据。

针对本申请项目的研究内容和研究目标，利用现场观测和卫星遥感等资料，结合北极气象与海洋要素以及地形特点，对比分析了北极中心区和各边缘海区海冰的动力特点，以及各区域海冰破碎、冰脊、水道和漂移特征；分析了不同时间尺度上的北极海冰运动特征、弗雷姆海峡及其附近海域的海冰运动特征以及海冰运动速度与风速的相关性；分析了海冰漂移对北极东北航道和西北航道海冰分布的影响，利用离散元数值模式对局地海冰运动和分布的变化规律进行了模拟实验分析；基于MITgcm冰-海耦合模式，结合海冰密集度和厚度同化技术，对北极海冰演变过程进行了数值模拟，获得了冰厚的再分析数据集，结果与实测数据符合较好；结合近30年海冰漂移数据和冰龄分析数据，分析了海冰运动与多年冰变化的关系。综合以上分析结果表明，北极海冰动力特征明显，各区域冰厚分布很不均匀，冰脊明显，北极大尺度冰间水道主要分布于波弗特海和弗雷姆海峡，北极的水道分布主要受地形和风、流作用力的影响；随着低纬区域海冰减少，在风和流作用下，北极中心区海冰易于向南运移，漂移至东北航道和西北航道区域，尤其是西北航道北侧为多年冰区，当多年冰运移至狭窄的海峡处，极易造成航道堵塞；近年来冬季海冰漂移主模态向穿极流模态的转化，以及穿极流态流轴位置的偏移加速了北极多年冰的输运，促进了多年冰的减少，此外，波弗特海区域海冰减少、运动加速，对于多年冰的输运亦起到了重要的作用。