北极海冰的快速变薄与面积缩减，是全球气候变化最显著的信号之一。为深入探究这一变化，国际于2019—2020年组织实施了近20年来规模最大的北冰洋现场综合观测计划——北极气候多学科漂流冰站观测计划（MOSAiC）。MOSAiC以破冰船“极星号（Polarstern）”锚定海冰，随冰漂流为核心构建了覆盖海冰—海洋—大气的分布式观测网络，为揭示海冰物理过程季节变化提供了前所未有的支撑（图1），中国极地研究中心（中国极地研究所）（以下简称“极地中心”）负责组建了MOSAiC的海冰物质平衡浮标阵列。

图1.（a）2019年10月至2020年4月MOSAiC期间随冰漂流轨迹；（b）分布式观测网络内浮标布设概况（本研究使用了15个浮标）;（c）研究期间不同浮标与观测中心（破冰船）的距离变化。

      在海冰物质平衡研究中，海冰厚度/体积变化的定量评估高度依赖关键物理参数的准确表征。其中，海冰密度尤为关键：它既能反映海冰内部结构与热力学状态的变化，又直接影响基于卫星测高的海冰厚度反演以及基于数值模型的海冰生长-融化过程模拟。同时，海冰密度也是决定海冰孔隙率、渗透性、力学强度等关键物理量的基本参数。然而，由于现场观测的缺失，长期以来北极海冰密度及其季节变化存在严重的认知不足，常被简化为“常数”处理，忽略了其受温度、盐水及空气含量等因素的调控作用而产生的季节变化和空间异质性，制约了用于卫星遥感反演和海冰数值模式模拟的参数化。

      近日，极地中心自然资源部极地科学重点实验室极地气–冰–海相互作用研究团队在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》发表题为“Seasonal Variability of Sea Ice Bulk Density During the MOSAiC Expedition: Results from Synergistic In-Situ, Airborne, and Satellite Observations”的研究论文。该研究依托MOSAiC期间获取的多源协同观测资料，综合了海冰物质平衡浮标数据、定点冰芯采样测量数据、人工雪坑积雪测量数据与断面积雪和海冰厚度观测数据，以及机载激光雷达和ICESat-2卫星测高数据，系统刻画了北极冬季海冰密度的季节演变特征及其影响因素（图2-3）。揭示其季节变化主要包括2个阶段：

      1.阶段1（10月下旬—12月中旬）：海冰密度在冬季早期呈显著上升，由约 880 kg/m³ 快速增至约 910 kg/m³。该增密过程与海冰厚度的快速增长同步，并伴随卤水体积分数与空气体积分数的显著降低，指示初期海冰内部孔隙（卤水/气体）结构发生快速调整与重分配。

      2.阶段2（12月下旬—4月下旬）：海冰密度均接近910 kg/m³的准稳态峰值，且与同期历史观测结果非常吻合。随季节演进，一年冰与二年冰的热力学状态逐渐趋同，尤以空气体积分数的变化最为明显：自1月中旬起，两者空气体积分数均维持在2%以下，表明冬季中后期海冰内部孔隙结构趋于稳定。

图2. 2019年10月至2020年4月MOSAiC期间获取的多尺度海冰观测数据，包括（a, d）海冰厚度；（b, e）积雪深度；以及（c, f）总干舷（海冰出水高度+表面积雪）。

图3. 基于MOSAiC观测数据提取的海冰密度季节性变化，其中FYI表示一年冰，SYI表示二年冰。

      在此基础上，研究进一步提出了多种海冰密度参数化方案，并给出了适用于不同冰龄条件的适应当前海冰物理特性的参数化方案更新建议，为卫星反演与数值模式中海冰密度参数设置提供了可操作路径。其研究意义包括： 1.提高了卫星测高海冰厚度/体积反演精度，进而提升了北极海盆尺度海冰物质平衡长期变化监测与评估的能力；2. 改进了海冰热力学模拟中的物理参数设置，增强模式对海冰生长与能量收支过程的可解释性与可预报性；3.为理解“新北极”背景下海冰物理性质演变及其气候效应提供了关键支撑。

      论文第一作者为极地中心与上海交通大学联合培养博士生周意，通讯作者为极地中心雷瑞波研究员以及上海交通大学王显威副教授。此外，来自极地中心、上海交通大学、挪威极地研究所、上海海洋大学的多名研究人员共同参与了此项工作。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42325604、42276237、42376231、42130402）、上海交通大学“深蓝计划”（项目编号：SL2022PT205、SL2022ZD107）、 挪威研究理事会（项目编号280292）、国家重点研发计划（项目编号2019YFA0607001）以及上海市自然科学基金（项目编号22ZR1427400）的共同资助。

论文链接：Y. Zhou, X. Wang, R. Lei, D. V. Divine, C. Zhang and Y. Zhang (2026), Seasonal Variability of Sea Ice Bulk Density During the MOSAiC Expedition: Results from Synergistic In-Situ, Airborne, and Satellite Observations. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. https://doi.org/10.1109/TGRS.2025.3650353  

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）