南北极透明海洋科学和技术体系建设助力中国北极科学考察

2020-10-2052

  2020928日,雪龙2破冰船靠泊于上海长江口的极地码头,宣告为期76天的中国第11次北极科学考察任务圆满结束。物理海洋实验室成员王晓宇博士、海洋与大气学院博士后刘一林参与了本次科考任务,承担了北极环境调查中的冰下海洋长期自动观测、海雾走航探测以及冰站海冰(融池)光学观测任务。其中,所布放应用于冰下海洋长期自动观测的冰基海洋剖面浮标(英文简称DTOP)和应用于海雾观测的极区海雾光学探空仪,皆来自海洋试点国家实验室山东省重大科技创新工程专项“‘透明海洋技术创新工程子项目南北极透明海洋科学和技术体系构建(2018SDKJ0104的资助。

  截至目前,布放于北冰洋中央冰区内的DTOP工作状态良好,以一天2次的观测频率实时传输温盐剖面数据,目前已获得温盐剖面超过140个。从已获取的温度、盐度随漂流轨迹的变化来看,该浮标可以清晰地捕捉到冰下上层海洋在秋季海冰恢复冻结时的混合层加深过程以及由此带来的海洋冷却失温。此外,在冷却尚未影响到的次表层,则可以看到北冰洋不同环流流系带来的温度、盐度和密度空间差异。初步的观测结果表明,该浮标既可以刻画北极上层海洋的季节变化,也可以揭示北极水文环境的空间差异,成为未来构建中国北极实时观测网的重要保障技术之一,这也标志着实验室和学校继续向着实现冰下海洋透明的目标稳步前进。


图:2020年中国11次北极考察期间于86°N长期冰站布放冰基海洋剖面浮标(DTOP


  本航次在北冰洋中央区遭遇冰面融池过多、海冰破碎严重的不利冰情,对于DTOP的布放以及随后浮标在夏季融冰期的存活都造成极大的挑战。在科考队周密的计划安排和坚持不懈的搜寻下,最终通过全体队员的密切配合与努力,成功在86°N的北极中央区找到相对理想的浮冰并顺利完成布放。


图:红圈标示了最终选定的剖面仪布放位置,位于轻微隆起的冰脊之上,从而减少海冰破碎对仪器安全造成的威胁


图:采取直升机吊运的方式运输浮标主体结构,避免雪橇拖曳重物经过融池和冰裂隙时引发危险


图:截止至20201014日,冰基漂流浮标随海冰在北冰洋中央区的漂流轨迹,右图为浮标

DTOP外,由实验室极地团队自主研发的新型极区海雾光学探空仪也首次应用于北极中央航道海雾监测。该探空仪采用全新的独立通道滤光技术,同时可以获得5个分谱段以及一个总谱段的太阳短波辐射强度。较2018-2019的初代型号,新型的海雾探空仪在数据精确度、系统稳定性以及低空协调性等方面均获得显著提高。第11次北极考察期间对北冰洋中央航道海域的海雾雾情及其光学衰减性质展开集中观测,探空作业39次,累计获得35个有效光学探空剖面,为揭示海冰减退背景下北极航道海雾垂向结构变化、研究北极大气边界层内能量吸收和分配过程等科学问题提供关键性数据。该新型海雾剖面仪在北冰洋气象观测领域的成功应用,彰显了实验室和我校在极区多学科综合观测系统和装备研发方面的深厚实力,为未来南北极海--气多圈层协同观测网的建立打开坚实的技术基础。


图:第2代海雾光学探空仪的结构、实物图以及在北极中央航道海雾监测中的现场应用


  此外,在第11次北极考察队的大力支持和帮助下,实验室还借助短期冰站和长期冰站开展海冰光学和融池热力学观测。当前发生在北极的快速增暖过程并没有减缓的迹象,随着北极夏季气温升高、积雪融化,即使在北冰洋85°N以北的中央区内部,其海冰表面形态也呈现融池、冰脊、冰面大面积共存特征。而这三者的相对覆盖率以及各自结构制约了对冰面整体反照率和透射率大小的评估,这为揭示北冰洋海--气边界层内的能量收支以及与此相关的气候效应带来了挑战。而对这些不同冰表面的光学特性进行测量,并借此对比、优化海冰数值模式中的相关参数化方法,将有助于改善海冰模式的模拟结果,提高海冰预报模式的准确度,从而服务北极科学研究和航道利用。


图:使用刻度钎对表层已冻结的融池深度开展观测


背景介绍:由于海冰的存在,对极区海洋开展水文观测主要依托破冰船来进行。特别是在冬季极夜期间,北冰洋内的水文资料非常匮乏。而对于距离两极相对较远的我国来说,高昂的船只成本、有限的活动区域以及固定的调查时间均限制了对极区水文资料的获取。因此,发展一套可以在两极冰区使用的海洋剖面自动观测系统是对当前极地海洋观测领域装备短板的重要补充。目前,国际上应用最为成熟的系统是美国伍兹霍尔研究所的冰基拖曳浮标(ITP),此外法国推出的IAOOS浮标也获得广泛认可。而中国、韩国、日本等国也相继投入人力和资金用于研发可以实时传输的极区水文气象浮标。实验室极地团队最早于2013年开始冰基海洋浮标的研发工作,并于2014年中国第六次北极科学考察期间布放了首次2个样机。由于北极冰情海况复杂、天气条件恶劣,且缺少对故障浮标进行回收研究的机会,这对前期的浮标研发带来了极大的困难。在中国海洋大学和海洋试点国家实验室科研人员的不断努力和推动下,维持每年平均约2套的样机测试和布放,积累了丰富的技术和现场经验,为研究两极冰下海洋的时空变化以及海-冰-气相互作用过程提供了关键数据支撑。