海冰模式中盐度参数化方案和侧边界融化过程的数值模拟分析

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1、第一章绪论北极海冰面积最大时超过北半球面积的5％，南极海冰面积最大时超过8％，卫星反演海冰覆盖面积资料表明：在过去二十年北极海冰面积每10年以3％的速度在减少(Comiso，2006)【l】，这种变化极大刺激人类的神经。相对于南极冰盖和格陵兰冰盖，海冰是比较薄而且对于环境变化响应最迅速的物质，因此海冰不但是气候变化的重要因子，也是气候变化的重要指示信号，成为气候变化研究的重要领域。近年来对海冰研究不但关注海冰与地球气候系统的相互作用以及海冰对气候变化的可能响应的机制(程彦杰等，2002，2003；陆龙骅等，

2、2006；Liu，J．P，2004；Rigor，2002)[2-6】，同时也很关注目前的气候模式对极地海冰的模拟能力的研究(刘钦政等，2000，2004；刘喜迎等，2003；C．M．Bitz，2001；W．H．Lipscomb，2007)[7～1¨。由于极地地理位置的原因以及观测资料的稀缺，近几十年的科学研究中，数值模式已经成为研究极地海冰的重要工具，但数值模拟的能力的提高也受到一些限制，其主要原因之一是对北极和南极地区冰雪与大气和海洋的相互作用过程认识不足。因此，必须对极地的辐射平衡、水汽、动量输送和能量

3、交换过程及其参数化方案进行深入的研究，为数值模式提供更适合的物理特征参数。众所周知，参数化方案是决定数值模式模拟能力关键因素之一，表征某一物理过程的参数化方案往往有若干个，但各种参数化方案在设计原理、复杂程度、计算耗费机时和成熟程度等方面存在差异，研究者须根据研究目的和计算条件等情况综合判断、对比选择。要做出正确的选择，前提就需要对各种参数化方案以及各种物理量进行数值模拟分析，比较方案之间的差异和优劣。1．1海冰在气候系统的作用海冰对气候系统的作用主要表现在以下几个方面：海冰在高纬度和大气以及海洋存在强烈相

4、互作用，会影响大气环流和海洋环流(Walsh，1979．符淙斌，1981：Chapmaneta1．，1993：Desereta1．，2000；武炳义等，2001)[12—61；海冰变化导致表面反照率的改变会显著影1第一章绪论响地球表面吸收太阳辐射(Shine，ICEandR．GCrane，1984)07]；海冰的存在会抑制海洋的能量损失；海冰的会影响地球表面的能量收支以及海．气的能量交换(Hollandeta1．，2006a)08】：海冰由于其自身存在正反馈机制，使得海冰能快速又敏感的响应气候变化(Budy

5、ko，1969)[19]；覆盖在海冰上的雪对于极地气候也有重要作用。1．2海冰盐度以及盐度参数化方案海冰的盐度是指其融化后海水的盐度，一般为3-7％0左右。海水结冰时，是其中的水冻结，而将其中的盐分排挤出来，部分来不及流走的盐分以盐水的形式被包围在冰晶之间的空隙里形成“盐泡”。此外，海水结冰时，还将来不及逸出的气体也包围在冰晶之间，形成“气泡”，因此海冰不同于淡水冰，海冰实际上是淡水冰晶、盐水(brine)和气泡的混合物，可将盐水和气泡总称为盐水泡。海冰由于盐水泡的存在，使得海冰相对于淡水冰，其热力特征、光

6、学特征以及海冰的力学特征变得更为复杂。盐水泡对海冰的热力特征影响主要表现在两个方面，第一方面是影响海冰的热传导。海冰内部的热量传递主要依赖于热传导，但因为盐水泡的存在使其传递方式变得复杂，即海冰内部的热传递是由冰中的热传导和盐水泡的热流综合起作用，因此海冰热传导率于海冰内部盐水泡体积的大小有密切关系㈣。第二方面是影响海冰的比热。在海冰内部盐水没有析出时，盐水泡始终和周围海冰处于热力学平衡状态，夏季海冰内部的盐水泡吸收部分透过海冰的太阳辐射通量，导致盐水泡体积膨胀，从而抑制盐水周围海冰的温度升高：而秋季结冰时

7、恰好相反，海冰内部的盐水的热惯性会抑制海冰温度的下斛211。因此海冰的温度和盐度成为海冰比热的函数，而盐水泡所占的海冰的总体积是决定其特征的主要原因。尽管知道海冰内部盐水泡的重要作用，但是要准确能理解和预测海冰盐度随时间和空间的演变是极其困难的。海冰模式出现了不同盐度参数化方案，用来表征海冰盐度在海冰数值模拟中的作用，海冰盐度参数化方案都基于一些实际观测的基础来设计的，南极多年冰中观测到这种盐度的均匀分布(Eichen，1992)㈣，但事实上多数的观测结果为海冰盐度为向上递减的盐度分布(Schwerdtfe

8、ger，1963：MaykutandGrenfell，1975：Weeksand2第一章绪论Ackley，1986)[23～2s]。这是因为海冰的生成主要发生在海冰底部，另外，也与海冰内的裂缝和排水坑产生的向下流动的盐水流有关。用于描述海冰盐度在空间和时间上的变化的盐度参数化方案也有研究(Vancoppenolle，eta1．，2005，2008)[26-271，但参加世界气候研究计划(WCRP)组织开展的耦合模