无人机观测揭示鄂霍次克海南部边缘冰区融化过程：基于浮冰尺寸分布的热力学机制解析

本研究通过无人机航测技术首次获取鄂霍次克海南部边缘冰区（MIZ）亚米级浮冰尺寸分布（FSD）数据，揭示浮冰累积尺寸分布符合幂律（α=1.51）且具有自相似几何特征（长宽比1.73），发现0.9 m以下浮冰因热力学破碎导致FSD偏离幂律，结合ERA5再分析数据证实开放水域热量吸收和内部融化对冰缘退缩的关键作用，为极地海冰模型参数化提供重要依据。

　　

在全球气候变化背景下，极地海冰动态变化对气候系统的影响日益凸显。边缘冰区（Marginal Ice Zone, MIZ）作为海冰与开放水域的交界带，其融化过程直接控制着海冰范围（Sea Ice Extent, SIE）的季节性变化。然而，传统观测手段难以捕捉亚米级浮冰的尺寸分布（Floe Size Distribution, FSD）特征，而这类小尺度浮冰恰恰在热力学融化过程中扮演关键角色——较小的浮冰具有更大的周长面积比，能更高效地从周围海水中吸收热量。鄂霍次克海作为北半球重要的季节性海冰区，其南部边缘冰区的融化机制尚未在亚米尺度上被充分认知。

针对这一科学空白，中国极地研究中心的研究团队在2020年2月利用大疆Phantom4无人机（水平分辨率0.02 m pixel^-1
）对鄂霍次克海南部6个站点（44.337°N 143.841°E附近）展开航测，获取了84 m×47 m范围内12,100个浮冰的高清影像。通过Image Pro Plus软件进行图像处理，测量了每个浮冰的面积（S）、周长（P）、最大/最小卡尺直径（d_max
/d_min
），并定义了等效直径d_a
=(4S/π)^1/2
和周长直径d_p
=P/π等参数。研究采用最大似然估计法（MLE）进行幂律拟合，避免传统最小二乘法的偏差，同时通过Kolmogorov-Smirnov检验评估拟合优度。结合ERA5再分析数据，量化了表面热通量（FSW、FLW、FSH、FLH）对融化过程的贡献。

研究结果揭示：1）FSD特征：d_a
≥0.9 m的浮冰累积数量分布符合幂律N(x)∝x^-1.51
，验证了FSD的自相似性；而d_a
<0.9 m的浮冰因热力学破碎导致分布偏离幂律，面积分布函数an(x_i
)在0.4-0.9 m区间出现异常峰值。2）几何特性：所有浮冰呈现稳定长宽比（1.73±0.44）和畸变指数（1.07±0.08），但d_a
<0.9 m浮冰的长宽比变异系数显著增大，暗示孔隙度增加导致的随机破碎。3）热力学机制：通过设定融化阈值d_m
=0.03 m（对应融化速率5 mm d^-1
）推算，侧向融化仅消耗开放水域吸收热量（Q₂
=15.5 MJ m^-2
）的12%，其余88%热量用于内部融化促进结构弱化。

这项发表于《Polar Science》的研究首次通过无人机观测建立了亚米级浮冰FSD数据库，创新性地提出"d_a
≤4h"的热力学破碎阈值判据（h为冰厚）。该成果不仅完善了海冰破碎的级联理论，更揭示了MIZ融化末期"热力-机械"耦合作用机制：小浮冰通过增大周长面积比加速吸热→内部融化增加孔隙度→机械强度降低诱发破碎→进一步减小尺寸形成正反馈。这些发现为改进海冰模型中的FSD参数化方案提供了关键观测约束，对预测极地海冰退缩趋势具有重要科学价值。未来研究可结合原位孔隙度测量和更高时空分辨率的热通量观测，进一步量化热力学破碎的能量分配机制。