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北极海冰吸收太阳辐射能的光学研究

项目名称: 北极海冰吸收太阳辐射能的光学研究
项目类型: 2011年中国极地考察战略基金资助项目
项目负责人: 李涛
项目成员:
项目编号:
父项目编号:
规划期: 十二五规划
立项时间: 2011-10-01
预期结束: 2013-09-30
实际结束:
金额(万元): 2
目录

详细描述

立项依据与研究基础:

  地球的气候系统本质上是由太阳辐射驱动的。三种基本的方式可以影响地球的辐射平衡:1)通过改变入射的太阳辐射,如太阳本身或地球轨道的变化;2)通过改变地球反射回太空的太阳辐射,如云,气溶胶,冰雪和陆地植被;3)通过改变地球发射的长波辐射,如温室气体浓度的变化.本项目的研究重点放在北极海冰吸收太阳辐射能的光学研究,主要原因是海冰在冰反照率反馈机制中扮演了关键角色,增强了高纬度地区的气候响应。较高的反照率(新雪覆盖的海冰反照率可以达到0.9)使得海冰覆盖面积的微小变化可以严重影响极地大洋的辐射能量平衡,从而进一步作用于全球气候变化。其次,海冰调整了海洋和大气之间的热量、气体和动量交换。第三,海冰通过运移引起淡水的重新分配,从而改变了大洋的浮力驱动。

近年来,北冰洋海冰覆盖面积迅速减小,海冰厚度持续变薄,尤其是多年冰的变化更为显著。北极海冰的快速变化不是某个孤立因素造成的,它是北冰洋系统综合响应的结果,与大气和海洋具有直接的关系。两种不同的机制控制了海冰的发展:热力机制和动力机制。海冰状态的变化必须要由热力、动力以及冰-洋-气相互作用共同解释。热力机制包括各种能通量对海冰的影响。如果能通量之和为负,表示海冰冷却并增长,如果为正值,表示融化正在发生。表层热收支包括太阳短波辐射和大气长波辐射的辐射通量,感热和潜热的湍通量及海冰的热传导率。其中,太阳短波辐射是引起海冰总量变化的重要因素,并通过冰反照率反馈机制加速和放大北极系统的变化。为了全面理解北极海冰快速变化条件下极区大洋的辐射能量平衡问题,有必要深入研究辐射能量平衡的重要组成部分——太阳短波辐射——与极区海冰的相互作用问题,即海冰光学性质的探讨。

由于太阳辐射在海冰中的分布状况与海冰物理属性密切相关,而海冰的物理属性在时间和空间分布上都存在显著差异,尤其是近年来,多年冰的物理性质发生了显著的变化,因此,需要对不同海域,不同季节的海冰与太阳辐射相互作用进行研究,探寻辐射能在海冰中的传播机制,进一步优化太阳辐射传输模型在海冰领域的应用,从而为全球气候模拟提供更有效的参数化方案。

申请人于2011年获得中国海洋大学物理海洋学专业博士学位,博士期间一直和指导教师赵进平老师从事北冰洋物理海洋学的研究,具有扎实的物理海洋学基础。2007年11月至2008年1月参与加拿大曼尼托巴大学主持的国际极地年考察项目——环极冰间水道系统研究,在冬季北冰洋波福特海进行为期84天的海冰光学辐射实验,2008年参加中国第三次北极科学考察,负责海冰边缘区海冰海水对太阳辐射能吸收的观测,随后在加拿大曼尼托巴大学进行的为期22个月的国家公派研究生联合培养项目,在此期间,于2009年夏季在波福特海参加两次共计42天的辐射能海洋分布调查。


研究内容与工作目标:

2.1 研究内容

(1)北极秋季新生冰对太阳辐射的吸收作用

针对波弗特海区秋季新生冰,在不同太阳高度角条件下对太阳辐射与海冰的相互作用进行研究,摸索太阳高度对海冰光学性质的影响。

(2)北极秋季新生冰对人造光源辐射的吸收作用

利用人造光源辐射角度的可调节性,研究在光线垂直入射条件下,辐射能和海冰之间的相互作用。结合太阳倾斜入射时的海冰光学性质,寻找垂直入射和倾斜入射条件下,海冰和辐射传输相互作用的关系,从而将倾斜入射的太阳能在海冰中的分布状态归一到垂直入射条件下,进而简化由太阳高度不同引起的海冰中辐射能分布差异的计算。

(3)北极夏季融化冰对太阳辐射的吸收作用

利用中国第三次和第四次北极科学考察数据,对处于融化阶段的两年冰和多年冰与太阳辐射的相互作用进行研究,重点考察夏季融化冰的透射属性,进而估算该类型海冰对太阳辐射的吸收能力。

(4)融池覆盖海冰的光学性质研究

融池是夏季北冰洋海冰覆盖的最显著特征,但由于观测难度较大,对其光学性质的研究极其有限,本项目利用中国北极科学考察的契机,深入研究夏季融池冰对太阳辐射的吸收作用。

(5)太阳辐射在海冰中传输的机制研究

利用辐射传输模型——GRIMALDI,研究在不同时间,空间和物质属性条件下,海冰边缘区海水和海冰中辐射传输的机制,通过对比现场观测数据,改进模型,从而获得更加准确的海冰和海水固有光学属性,深入理解北极快速变化条件下海冰吸收太阳辐射能力的变化,为进一步准确评估北极海冰在全球气候系统的重要作用提供依据。

2.2 工作目标

深入理解北极秋季新生冰和夏季融化冰,尤其是夏季融池冰对太阳辐射的吸收作用。依据海冰对太阳辐射和人造光源辐射吸收的观测,确定出倾斜入射和垂直入射条件下辐射能与海冰的相互作用规律,并将二者统一起来,争取从理论上简化自然条件下(倾斜入射)太阳能在北冰洋海冰及冰下海水中分布的计算。同时,利用现场观测数据,对辐射传输模型进行优化,获得更加可靠的海冰海水固有光学属性,从而更加准确预测太阳辐射在北冰洋海域的时空变化及其对区域和全球气候变化的影响。