夏季北冰洋海冰融化过程中能量分配的研究

摘要

海冰是北极最重要的自然现象之一，它强烈制约着海洋和大气之间的热量交换。在过去的几十年里，北极夏季海冰覆盖范围、海冰厚度、多年冰的数量都发生了剧烈的变化。特别是2007年和2008年，Beaufort海海冰边缘线一直向北退缩，在高纬度地区出现无冰区。同时在海冰边缘区，由于冰和海洋的相互作用，而使太阳短波辐射能不仅仅用来加热海洋和以净长波辐射的形式向大气释放热量，而且还有一部分太阳辐射能用于海冰的侧面融化和底面融化。气温的持续升高，使海洋以感热和潜热的形式从大气中获得热量。在海冰边缘区，冰下海洋的温度和盐度也有了独特的结构，特别是在15-40米深的海洋表层有次表层暖水和较弱的盐跃层的独特结构。 本文应用一个海洋与海冰耦合的柱模式，利用2007年月平均的太阳短波辐射能、云量和大气温度，来研究海冰边缘区海水吸收的太阳短波辐射能在海冰、海洋和大气中的热量分配。海水吸收的太阳短波辐射能主要用于海冰的侧面融化、海冰的底面融化、海洋的增温和海洋向大气释放的热量四个方面，其中海洋向大气释放的热量占太阳短波辐射的百分数随海冰面积的变化不大，维持在9％左右。而其它三方面所占太阳短波辐射的百分数与初始海冰面积的不同而变化比较大，其中海洋获得了大部分太阳短波辐射能。海洋和大气的热量交换包括感热、潜热和净长波辐射，海洋以感热和潜热形式从大气获得热量，以净长波辐射的形式向大气释放热量，但整体是海洋向大气输送能量。当海冰尺度比较小时，用于海冰侧面融化的热量占太阳短波辐射的百分数比较大，而对于比较大的海冰，用于侧面融化的热量可以忽略。在海冰边缘区，由于从海冰进入海洋的太阳辐射能较小，因此海洋获得的能量主要是从冰与冰之间的水域进入的。海冰密集度的变化受海冰尺度的影响比较大，尺度越小海冰融化的越快，因此，在夏季融冰季节，海冰破碎在海冰融化过程中起重要的作用。海冰厚度的变化受其尺度的影响比较小，其中不同尺度的海冰厚度之间的差异是由于海冰底层融化引起的。 在海冰边缘区，根据第三次北极考察所获得的海洋数据，分析了在这一特殊区域海洋所特有的温盐结构：次表层暖水和弱的盐跃层。对这一结构我们用海冰和海洋耦合模式进行分析，进而确定太阳短波辐射是形成次表层暖水的关键能量来源；海冰的侧面融化对弱盐跃层产生起重要的作用。太阳短波辐射能中有很大的比例用于了海洋的增温。由于海洋表面的温度接近冰点，海洋吸收的能量主要用来加热混合层和冰下15-40米深度的海水。同时，次表层暖水的温度极值及其在海洋中的位置与海冰的尺度、海冰密集度和海冰厚度有关。海冰破碎度是表征海冰尺度大小的表观物理量，本文考虑了不同初始海冰面积的能量分配，将海冰融化过程中的能量分配与海冰破碎度建立了联系，具有很好的代表性和实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1 海冰在极地区域气候系统中的作用和影响

1.2夏季北冰洋海冰、海洋和热量变化的研究

1.3一维冰海耦合模式的研究进展及应用

1.4本文研究内容和拟解决的问题

2冰海耦合柱模式

2.1 海冰模式

2.1.1 海冰控制方程的确立

2.1.2海冰表面热通量计算

2.1.3侧面热通量和底面热通量

2.2海洋模式

2.3海洋-海冰热力耦合方案

3海冰融化过程分析

3.1 模式设置

3.2海冰融化过程

3.3进入海洋的太阳短波辐射能分配

3.4海冰密集度对进入海洋的太阳辐射能分配的影响

3.5海冰边缘区海洋与大气之间的热量交换

4海冰边缘区次表层海水的温度和盐度特征

5结论与展望

5.1 结论

5.2展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果