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海冰热力学模式的盐度方案改进及其应用

摘要

海冰盐度作为影响极地地区海冰热通量和质量平衡的关键因素，在夏季对海冰物

理性质影响显著。考虑到海冰内卤水运动对极地生物化学过程研究的重要性以及海冰

微观特征和形态对极区夏季通航的威胁，为海冰热力学模式引入海冰盐度演变过程有

着良好的应用前景。

一维高分辨率海冰热力学模式HIGHTSI被广泛应用于季节性海冰、南北极极地海

冰和寒区高原湖冰的物理过程研究和业务预报服务中，该模式侧重于冰表热平衡以及

海冰湖冰与积雪之间的相互作用的精细描述，对海冰温盐耦合变化的处理则相对简单，

盐度被视作恒定值或定常剖面参与模式计算，忽视了夏季海冰融化导致的盐度改变对

海冰温度和质量平衡造成的影响。为改进模式夏季海冰模拟的准确性，本文对

HIGHTSI模式中盐度计算的参数化方案进行了改进和升级，在HIGHTSI中耦合了包括

冻结排卤、海水浸漫、重力排卤和冲刷排卤过程在内的新盐度参数化方案，使模式得

以模拟海冰内部的卤水移动，产生随时间变化的海冰盐度。

本文采用2019/2020北极气候研究多学科漂流观测站（MOSAiC）全年考察获取的

海洋气象观测数据，对考察站点布放的海冰质量浮标在漂移轨迹上的海冰进行了数值

模拟，并利用漂流站点观测的海冰盐度剖面对HIGHTSI模拟的盐度时空演变进行了检

验评估。结果表明，增加盐度参数化方案的改进版HIGHTSI能够计算模拟出合理的盐

度剖面。模式能较好地再现海冰夏季表层盐度迅速下降的过程。冬季海冰内部平均盐

度约为5PSU，在深度方向上呈现C型分布，从5月中下旬开始，随着气温的升高，模

拟的海冰盐度从5月上旬的3~5PSU迅速下降至6月中旬的1PSU以下，与观测冰芯盐

度变化相符。该工作填补了HIGHTSI模式原有海冰盐度处理计算简单的空白，极大地

完善了HIGHTSI模式对海冰盐度随时间变化模拟计算的能力，使其海冰融化计算更加

合理。

此外，本文还将海冰模拟应用于北极航道的风险评估研究中。北极海冰逐渐减少

的趋势，使得北极冰区航行日趋频繁，定量精确的海冰风险评估成为保障北极航道船

舶安全运行的重要支撑。本文以维利基茨基海峡为例，利用改进的HIGHTSI模式，结

合AMSR-2海冰密集度数据，对2012-2021年北极维利基茨基海峡的冰厚分布进行数值

模拟，利用极地作业限制风险评估指标系统（POLARIS）评估了该海峡区域不同年份

和不同季节的通航风险。结果显示：维利基茨基海峡12月至翌年5月常年被海冰覆盖，

哈尔滨工程大学硕士学位论文

平均密集度在0.8以上，平均冰厚在5月达到最大值1.97m，海冰自6月起开始融化，

开阔海域面积在9月中旬达到最大，平均厚度降低为0.19m。维利基茨基海峡西部存在

一个冰厚和密集度高值区，平均厚度全年均在1m以上，夏季密集度仍大于0.15。该区

域较周边区域更为寒冷，是导致出现冰厚高值区的一个直接因素。对于不同冰级的船

舶来说，PC3级以上的破冰船几乎全年皆可通行维利基茨基海峡，PC5级多年平均可

通航天数为183天，B1级与无冰级（≤CCSIceClassB）的船舶分别为64天和60天。

对CCSIceClassB1级及以下的船舶而言，9月份维利基茨基海峡海域皆为低风险区，

其余月份因为海峡西部风险值较高，需要避开该区域或者破冰船护航才可通行。

关键词：北极；东北航道；海冰盐度；HIGHTSI；数值模拟

海冰热力学模式的盐度方案改进及其应用

ABSTRACT

Seaicesalinity,asacrucialfactorinfluencingtheheatfluxandmassbalanceofseaicein

thepolarregions,significantlyinfluencesthephysicalpropertiesofseaiceduringsummer.

Consideringtheimportanceofbri