2021-2022年北极跨极漂流区海冰运动与变形的季节和空间变化及其对风暴的响应机制研究

《Journal of Glaciology》：Seasonal and spatial variations in sea ice kinematics and their response to storms in the Arctic Transpolar Drift region in 2021–2022

本文针对北极跨极漂流（TPD）区域海冰运动学特征及其对极端天气事件的响应机制展开研究。通过分析2021-2022年期间布放的24个浮标观测数据，揭示了从夏季融化期到冬季冻结期再至次年融化期三个阶段中，海冰运动速度、变形率（TSE）和惯性运动指数（IMI）的显著变化。研究发现，超级气旋（Se3事件）和冰缘区（MIZ）海洋条件的共同作用显著改变了海冰运动机制，而基于海冰浓度变异性的MIZ定义更能有效捕捉海冰运动特征。该研究为理解北极海冰输出机制及气候变化下的海冰动力过程提供了重要观测依据。

　　

在北极快速变化的背景下，海冰通过跨极漂流（Transpolar Drift, TPD）向北大西洋的输出已成为影响全球气候系统的关键环节。然而，由于观测数据匮乏，人们对TPD区域海冰运动学和变形特征的季节变化规律及其对极端气旋事件的响应机制仍知之甚少。特别是在海冰密集度变化剧烈的冰缘区（Marginal Ice Zone, MIZ），海冰动力学过程与大气、海洋的相互作用尤为复杂。2022年1月发生的创纪录低气压北极气旋（中心气压935 hPa），为揭示这一科学问题提供了难得的研究契机。

在这项发表于《Journal of Glaciology》的研究中，研究人员利用2021年夏季中国北极科学考察（CHINARE-2021）布放的9个海冰浮标和来自国际北极浮标计划（IABP）的14个浮标数据，系统分析了2021年8月至2022年2月期间TPD区域海冰运动学特征。研究首次通过轨迹拉伸指数（Trajectory-Stretching Exponents, TSE）等方法，揭示了海冰从喀拉海北部的MIZ，经北极中央海域的密集冰区（Pack Ice Zone, PIZ），最终漂移至斯瓦尔巴群岛以北冰缘区的全过程动力学变化。

研究采用浮标轨迹分析、惯性运动指数（Inertial Motion Index, IMI）计算、小波分析和风暴事件追踪等关键技术方法。通过对比TPD下游主浮标阵列、上游季节性浮冰区（CA阵列）和中央海域多年冰区（CB阵列）的观测数据，结合ERA5再分析资料和卫星遥感产品，量化了不同冰情条件下海冰运动对风应力、潮汐强迫的响应特征。

3.1 浮标运行期间的大气和海冰条件

根据月尺度海冰浓度变异性和由绝对离散确定的动力机制变化，将整个研究期划分为三个阶段。阶段1（2021年8月-9月）主阵列在MIZ表现出亚扩散动力机制；阶段2（2021年10月-2022年1月）随着海冰冷却，主阵列在PIZ漂移；阶段3（2022年2月）在超级气旋Se3过后，主阵列在TPD下游的MIZ表现出超扩散动力机制。研究表明，基于海冰浓度变异性的MIZ定义能更有效捕捉海冰运动特征的变化。

3.2 海冰运动学

主浮标阵列的平均漂移速度为0.14 m·s^-1，是CB阵列（0.07 m·s^-1）的两倍。冰-风速度比（IWSR）在三阶段呈现明显变化：阶段1为2.7%，阶段2降至2.0%，阶段3在MIZ条件下增至3.3%。惯性运动指数（IMI）分析显示，阶段1平均值为0.22，阶段2降至0.07，阶段3虽气温低于-15°C，但因冰盘破碎化仍保持在0.08的高位。在斯瓦尔巴以北的浅水区，半日潮强迫成为影响海冰运动的主要因素。

3.4 海冰变形

轨迹拉伸指数（TSE）分析表明，阶段1中海冰变形活跃，TSE中位数为5.7 d^-1；阶段2因海冰固结降至2.3 d^-1；阶段3在MIZ中又增至3.4 d^-1。风暴事件导致TSE出现局部峰值，其中Se1和Se3事件均伴随大面积冰间水道形成。小波分析显示，在7-14天的天气尺度上，风应力是海冰变形的主要驱动力（r=0.91）。

研究结论表明，TPD区域海冰运动学和变形特征受季节性转换、海冰条件空间异质性以及极端气旋事件的共同影响。超级气旋可使局部海冰变形增强2-3倍，且影响可持续3-5天。值得注意的是，虽然Se3事件发生在巴伦支海，但其对海冰运动学的影响可延伸至北极点区域。斯瓦尔巴以北的耶尔马克高原浅水地形通过增强潮汐强迫，进一步改变了该区域的海冰运动机制。

这项研究首次系统揭示了TPD区域海冰运动学特征的季节变化规律，强调了冰缘区动力过程的特殊性。研究结果对改进海冰-气候耦合模型参数化、预测北极海冰输出对全球气候系统的反馈具有重要意义。未来需要在冰缘区开展更持续的观测，以进一步揭示海冰动力学与海洋生态、生物地球化学循环的相互作用机制。