自然资源部极地科学重点实验室极地气-冰-海相互作用团队在北极冰间水道遥感识别和动力响应研究方面取得新进展

      北极冰间水道是在风力和洋流等动力驱动下海冰不规则运动形成的线状断裂带，是大气和海洋间物质、能量和动力传输的重要窗口。冬季，水道区域产冰脱盐，释放大量海洋热量，一方面能够加热大气内部边界层，从而对全球气候变暖背景下的“北极放大”效应做出贡献；另一方面，促进了冰下过冷却水的形成，加强了上层海洋的对流混合。春季，冰间水道区域能够吸收更多太阳辐射，促进海冰的侧向和底部融化，进一步导致了海冰的变薄、运动增强和水道形成，这种正反馈机制可能是导致季节性海冰预报中出现“春季壁垒”问题的潜在因素。此外，冰间水道的遥感识别对于基于卫星测高反演海冰厚度和海-气热交换参数化等研究具有重要意义。现有研究表明，冰间水道的宽度呈幂率分布，即愈窄的冰间水道，其数量愈多、分布的频率愈高。北极海冰的快速减少减薄会弱化冰场固结度，在相同的大气和海洋强迫作用下更容易破碎形成冰间水道，亚公里级的小尺度冰间水道更加广泛发育。然而，由于对小尺度冰间水道对大气和海洋动力响应机制的认识不足，现有的海冰数值模式对次网格尺度冰间水道分布及其关联的海-气热交换的参数化和模拟能力存在明显不足，限制了模式的发展和海冰预测水平的提高。

      近日，自然资源部极地科学重点实验室极地气-冰-海相互作用团队在遥感技术领域顶级学术期刊《Remote Sensing of Environment》（IF=13.5）上发表了题为“Arctic sea ice leads detected using Sentinel-1B SAR image and their responses to atmosphere circulation and sea ice dynamics”的学术论文，该研究利用2018-2019年冬季Sentinel-1B卫星获取的双极化SAR影像，识别了在9北期间布放的浮标阵列漂流轨迹50km半径内（图1）的冰间水道分布，研究揭示了波弗特环流和穿极流两大流场海冰形变和冰间水道活动的区域差异，阐明了冰间水道分布和表面能量收支对气旋等大气环流的响应机制。

图 1 2018年10月到2019年2月间的浮标阵列漂流轨迹、哨兵1号SAR影像分布和气象变化

      研究结果表明，随着秋冬季节的转化和区域流场的变化，研究区域内冰间水道的面积比例从前期的1%迅速升高到3%（图2）。冰间水道走向和冰流速的方向也从侧面验证了海冰动力环境的变化。研究区域内，海冰形变场由剪切主导，同时，形变场呈辐散态势。冰间水道的宽度和面积与辐散div的大小呈正比（P<0.05）。在穿极流区域，水道主要走向与冰流方向的夹角为59.5°±22.1°，反映出辐散对冰间水道形成的贡献更大。研究识别了与研究区域水道活动密切相关、分别来自太平洋扇区和大西洋扇区的6个气旋。研究区域内的风速、冰流速和海冰形变场对不同来源、强度的气旋呈现出差异化的响应机制。气旋活动期间，研究区域内的冰间水道面积平均增加了34.1%，水道长度平均延长了41.7%（图3）。研究捕捉到分别由气旋和反气旋驱动的两次极端的冰间水道活动事件，期间均伴随着强烈的大气和海冰动力环境变化。极端事件期间，水道表面释放的热量随着水道活动和气象环境演变而剧烈变化，其中，长波辐射和湍流通量的占比大约是1:2，开阔水道和薄冰水道表面释放的海洋能量比例约为7:3（图4）。该研究进一步推进了海冰运动、动力形变以及水道形成与演化对气旋和反气旋活动响应机制的认识，为海冰数值模式中冰间水道演化过程的参数化提供了精细化的观测数据支撑。

      论文第一作者为中国极地研究中心（中国极地研究所）助理研究员屈猛，雷瑞波研究员为该论文的通讯作者，刘玥博士和李娜副研究员为论文的合作作者。研究得到了国家自然科学基金（42325604，42206259和52192691）、国家重点研发计划（2021YFC2803300）、上海学术带头人计划（22XD1403600）和上海市启明星（培育）扬帆计划（22YF1453600）的支持。

论文链接：Meng Qu, Ruibo Lei, Yue Liu, Na Li. Arctic Sea ice leads detected using sentinel-1B SAR image and their responses to atmosphere circulation and sea ice dynamics, Remote Sensing of Environment, Volume 308, 2024, 114193, https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114193.

图 2 研究区域的冰间水道分布和海冰形变：a. 不同表面类型的冰间水道面积比例；b.水道面积比例和宽度；c.海冰形变分量；d.浮标三角形面积和海冰总形变率

图 3 气旋活动期间的大气环境、海冰动力和冰间水道分布：a.研究区域表面气压；b.波弗特高压异常指数；c.气旋与研究区域的距离；d.研究区域的10m风速；e.研究区域的冰流速；f.海冰辐散div；g.研究区域水道面积比例；h.水道平均宽度

图 4 极端事件期间水道表面能量收支：a.2018年10月底气旋活动期间研究区域水道表面热通量变化；b.2019年1月初反气旋活动期间水道表面热通量变化

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）