南极罗斯冰架冰间湖产冰量时空变化研究

摘要

冰间湖是指达到结冰温度的天气条件下较长时间保持无冰或薄冰状态的冰间开阔水域，是发生在极地地区的一种中尺度（水平尺度在几十到几百公里）海冰现象。在潜热冰间湖地区，温暖的海水与寒冷的空气发生强烈的热量交换，伴随着持续的产冰和产盐过程。由于潜热冰间湖对海冰生产和南极底层水的生成起到了很大作用，跟踪冰间湖的动态变化、精确估算冰间湖的产冰量具有十分重要的研究价值。罗斯冰架冰间湖(RISP,Ross Ice Shelf Polynya)是南极沿岸面积最大、产冰量最高的潜热冰间湖，位于南极底层水的主要生产地之一——罗斯海，因而一直备受研究者的关注。研究者们用多种方法估算得到的RISP产冰量结果存在较大差异，得到的时间变化趋势也有所不同。由于极地极端的自然环境，对冰间湖的实地观测受到了很大限制，产冰量的估算大多是通过模型模拟实现的，由于受到多种因素影响，产冰量模型的结果具有较大的不确定性。本文针对RISP时空分布和产冰量精确估算的问题，开展了以下几个方面的研究: 一、RISP范围和产冰量的时空变化。 1.不同方法提取RISP范围。使用被动微波海冰密集度产品和亮度温度产品，基于密集度阈值和冰厚阈值分别提取2003-2017年RISP每日范围。对比发现两种RISP范围存在较大差异。用冰厚提取的范围比密集度提取的范围更大，且更集中于冰架前沿。用冰厚提取的冰间湖范围容易受到冰架、固定冰、冰山的影响，需要结合精确的掩膜数据才能得到更加准确的冰间湖范围。 2.RISP产冰量的空间变化。通过密集度阈值提取RISP面积，结合再分析气象数据建立产冰量模型，得到2003-2017年的RISP产冰量空间分布。RISP分布于罗斯冰架前沿，呈条带状，在紧邻冰架前端的地区产冰量最高，离冰架越远，产冰量越低。高产冰量区域最远距冰架20-30km左右，西部比东部向北延伸得更远，产冰区域最远延伸至距冰架100km左右。RISP年产冰量在2003-2017年里大部分地区呈明显上升趋势，但在距冰架前沿约6km内的海域呈明显下降趋势，罗斯岛和富兰克林岛之间的海域则呈略微下降趋势。 3.RISP产冰量的时间变化。基于RISP面积、产冰量的空间分布，计算了年尺度、月尺度的RISP面积和产冰量的时间序列，结果显示RISP产冰量没有明显的年际变化和季节变化。通过对冰间湖面积、产冰量时序数据的极值分析，探测和确定了两段冰间湖极端事件:2005年10月RISP面积达到极大值，RISP面积和产冰量的偏差也达到极大值;2007年6月RISP产冰量达到极大值。 二、产冰量模型参数敏感性分析及热通量组分分析。 1.产冰量模型参数敏感性分析及参数化方案的改进。本研究建立了适用于研究区域的产冰量估算模型，根据当地环境变量推算出精确的模型输入参数值，对比分析历史文献中使用的相关参数，选取了几个典型参数值对产冰量模型进行参数敏感性测试。测试结果显示，参数对产冰量模型结果的影响由大到小依次为:湍流交换系数、海冰熔化潜热系数、确定冰间湖面积的海冰密集度阈值和海冰密度。其中湍流交换系数对模型结果的影响高达87％。通过分析测试结果，并与历史文献结果进行对比，优选了几个对结果影响较大的参数取值:湍流交换系数取0.002;海冰熔化潜热系数取2.79×105J·kg-1（针对罗斯海地区）;海冰密集度阈值取75％;海冰密度取普遍使用的平均数值920kg·m-3。 2.热通量组分分析。计算得到了RISP产冰量中各个热通量组分的占比，并分析它们的变化规律。结果显示，感热通量导致的产冰占总产冰量的60.1％，长波辐射通量占26.9％，潜热通量占20.4％。短波辐射通量为负值，占-7.5％，在十月占-54.9％。长波辐射通量、感热通量和潜热通量与冰间湖面积呈正相关。短波辐射通量表现出明显的季节变化规律，在四月至九月影响很小，在十月影响急剧增强，增强幅度与冰间湖面积相关。 3.解释2005年10月发生的极端事件。通过热通量组分分析发现，短波辐射的季节性变化是造成2005年10月冰间湖面积与产冰量不一致的原因。研究地区十月开始进入极昼，短波辐射通量起到融冰作用，削减RISP总产冰量。而短波辐射通量又与冰间湖面积相关。在十月，当冰间湖面积变大时，由于短波辐射的削减作用，总产冰量只是略微增加甚至减少，并不与冰间湖面积的增加成正比。反而冰间湖面积越大，削减作用越强。2005年10月就是这个现象的典型例子，冰间湖面积达到极大值造成短波辐射通量对总产冰量的削减作用达到极大值，冰间湖面积与产冰量出现最明显的不一致。 三、影响RISP产冰量的环境因素。 1.不同风速数据与RISP面积的相关性。本研究对比6种风速时序数据与RISP面积时序数据，相关性分析的结果表明整个研究区域的平均再分析风速与冰间湖面积相关性最强，优于罗斯冰架附近的两个自动气象站的实测风速以及单个像素点的再分析风速数据，是研究RISP时空变化的最佳风速数据。在两个自动气象站中，Vito站的风速比LaurieⅡ站的风速对RISP面积影响更大。 2.风力对RISP的影响机制。风速与RISP面积、产冰量有着显著的相关性。在极端事件期间RISP的空间变化与风场的动态变化有关，持续的离岸强风是导致RISP出现极大面积和产冰量的原因。风速对冰间湖产冰量的影响分为两个方面:对冰间湖面积的影响，和对热交换及冰水相变的影响。前一种影响机制存在约为一天的延迟效应。这两种机制的影响程度都很明显，在特定时段它们表现出的重要程度不同。由于短波辐射的影响，不同季节的强风事件对RISP产冰量影响不同。四月至九月发生的极端风速事件会导致冰间湖面积和产冰量剧烈上升，但发生在十月的极端风速事件会导致冰间湖面积剧烈上升但产冰量只是略微上升甚至下降。 3.冰山、冰架活动对局地产冰量的影响。RISP的局部产冰量空间变化是由冰山和冰架活动造成的。B-15a和C-16冰山在罗斯岛附近的搁浅和漂移导致罗斯岛和富兰克林岛之间的海域在2003-2017年里呈产冰量略微下降趋势。罗斯冰架前沿的扩张导致冰架前沿约5km呈产冰量明显下降的趋势，其他冰间湖地区呈产冰量明显上升趋势。

目录

声明

摘要

图索引

表索引

1．1研究背景及意义

1．2研究现状

1．2．1冰间湖分布提取的研究现状

1．2．2冰间湖产冰量研究现状

1．2．3产冰量计算的误差来源

1．3研究目标与技术路线

1．3．1研究目标与内容

1．3．2技术路线

1．4论文章节安排

2．1研究区域

2．1．1南极概况

2．1．2海冰概况

2．1．3罗斯海概况

2．2研究数据

2．2．1被动微波遥感数据

2．2．2再分析气象数据

2．2．3AWS自动气象站风速数据

2．2．4陆地和冰架掩膜数据

2．2．5冰山轨迹数据

2．2．6海洋盐度数据

2．3研究方法概述

2．3．1冰间湖地理分布的提取

2．3．2冰间湖产冰量参数化方案

2．3．3产冰量模型敏感性分析

第三章罗斯冰架冰间湖地理分布及产冰量时空变化

3．1概述

3．2冰间湖地理分布

3．3产冰量空间变化

3．4产冰量时间变化

3．4．1产冰量时间序列分析

3．4．2产冰量季节变化

3．5小结

第四章模型参数敏感性分析及热通量组分研究

4．1概述

4．2模型参数敏感性分析

4．2．1测试结果

4．2．2结果分析

4．3热通量组分与模型参数的相关分析

4．4小结

第五章影响罗斯冰架冰间湖产冰量的环境因素

5．1概述

5．2风力对冰间湖的影响分析

5．2．1风速对冰间湖面积的影响分析

5．2．2风速对产冰量的影响分析

5．2．3极端天气过程分析

5．3冰山对产冰量空间变化的影响分析

5．4冰架对产冰量空间变化的影响分析

5．5小结

6．1主要研究结论

6．2展望

参考文献

攻博期间的科研成果

致谢