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北极快速变化条件下海冰吸收太阳辐射能的光学研究

李涛  
【摘要】:北极海冰作为全球气候变化的重要影响因子,最近30年发生了显著的变化,主要体现在海冰覆盖面积的快速减退和海冰厚度的持续减薄。由于海冰的反照率(~0.8)远高于海水(~0.07),因此,海冰的减少将导致海洋吸收更多的太阳辐射,这些能量的一部分用来融化海冰,导致其进一步减少,即海冰的反照率正反馈机制。自然界中的正反馈机制往往能够将较小的变化非线性的放大,导致更为严重的后果,这也是海冰在气候变化研究中不断受到重视的原因。本文在分析北极边缘海海冰面积快速变化和海冰厚度分布的基础上,详细讨论了不同类型海冰在不同季节对太阳辐射能的吸收问题,并对侧向传播光在海冰中的衰减性质进行了研究。 东西伯利亚海是北冰洋冰情比较严重的边缘海。海冰面积从1997年到2001年间小幅度增加,2002年以后,则持续大幅度减小,整体上冰情减弱的趋势非常明显。陆地径流量的增加是导致东西伯利亚海海冰面积快速减退的原因之一。另外,2000年之后,东西伯利亚海海面平均风场为偏南风,在融冰阶段有助于海冰的北向运移,冻结阶段不利于海冰的全面冻结,造成整体上海冰冰情的减弱。 北极群岛北部的博登岛地处环极冰间水道的活跃区,该区域的平整冰厚度空间范围变化较大。北侧的多年浮冰厚度为154.4±22.4cm。Prince Gustaf Adolf Sea海域SL站位的多年陆缘冰厚度为166.6±16.2cm,明显低于该海域1970年代的平整冰厚度(3-5m)。冰间水道两侧的一年冰厚度很小,分别为105.1±10.9cm(ST2站位)和124.5±13.2cm(IFL站位)。整个观测断面中厚度最大的平整冰是博登岛沿岸的多年陆缘冰,达到205.3±8.8cm。博登岛西北侧CC站位的多年浮冰的冰脊厚度分布在2.5-3m之间。 夏季融化季节,北冰洋海冰的吸收率与厚度存在明显的线性关系,薄冰的吸收率更高。海冰对太阳短波辐射的吸收率大约为到达冰面太阳辐射的20%,大部分被冰雪表面反射,少数穿过海冰进入海水。观测结果与理论计算都表明,在夏季北冰洋中央海盆区,海冰吸收的太阳辐射功率只有12.8 W m~(-2),相当于每天融化3.3mm的冰。 秋季海冰冻结时,太阳高度较低,到达冰面的太阳辐射的最显著特征是较短波长的光受到削弱,而较长波长的光得以保留,呈现明显的双峰结构。太阳高度越低,这种现象越明显。新雪覆盖的海冰的反射率随波长变化不大,基本保持为常数,而裸冰的反射率随波长增加而减少。在透射辐射光谱中,490nm的光占优势,而与入射辐射的双峰结构不同。这表明,较长波长的光在穿过海冰时受到很大的削弱。因此,在低太阳高度的条件下,大气和海冰共同作用的结果使进入冰下海水的太阳辐射能更加微弱。但是,海冰对较长波长光的吸收使海冰获取较多的热量,减缓海冰的冻结过程。 对于正在冻结的一年新冰,侧向传播光的衰减系数随波长变化较小(除蓝光和红光波段以外),基本保持为常数,但随深度变化很大。衰减系数在垂直方向上随着海冰盐度的减小而迅速减小。观测显示,侧向传播光的衰减系数大于垂向传播光的值,可能与海冰晶体的柱状结构有关。


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