基于溫度鏈浮標(biāo)獲取南極普里茲灣積雪和固定冰厚度的研究

趙杰臣，楊清華，程斌，汪寧，惠鳳鳴，沈輝，韓曉鵬，張林, Timo Vihma

(1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；3.芬蘭氣象研究所，芬蘭 赫爾辛基 00101；4.海軍北海艦隊(duì) 海洋水文氣象中心，山東 青島 266003；5.北京師范大學(xué) 全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875)

基于溫度鏈浮標(biāo)獲取南極普里茲灣積雪和固定冰厚度的研究

趙杰臣1,2,3，楊清華1，程斌3，汪寧4，惠鳳鳴5，沈輝1，韓曉鵬1，張林1, Timo Vihma3

(1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；3.芬蘭氣象研究所，芬蘭 赫爾辛基 00101；4.海軍北海艦隊(duì) 海洋水文氣象中心，山東 青島 266003；5.北京師范大學(xué) 全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875)

極地積雪和海冰厚度是氣候變化的重要指標(biāo)，也是船舶在冰區(qū)航行需要掌握的主要參數(shù)。2014和2015年在南極普里茲灣中山站附近布放了一種新式的溫度鏈浮標(biāo)，該浮標(biāo)每天進(jìn)行4次常規(guī)溫度觀測(cè)和1次加熱升溫觀測(cè)，用于實(shí)時(shí)獲取積雪和海冰剖面溫度及厚度數(shù)據(jù)的研究。通過(guò)分析剖面溫度曲線和升溫曲線反映出的大氣、積雪、海冰和海水4種介質(zhì)的熱傳導(dǎo)特性差異，可利用人工識(shí)別的方法(人工經(jīng)驗(yàn)法)獲得大氣/積雪、積雪/海冰和海冰/海水界面的位置。根據(jù)統(tǒng)計(jì)不同介質(zhì)在升溫響應(yīng)和垂直溫度梯度等方面的特性，找到合理閾值，可通過(guò)編寫程序自動(dòng)判斷各界面的位置(自動(dòng)程序法)。本文利用這兩種方法來(lái)判斷不同物質(zhì)界面位置從而計(jì)算得到積雪和海冰厚度。與現(xiàn)場(chǎng)人工觀測(cè)的海冰厚度相比，人工經(jīng)驗(yàn)法的平均偏差和均方根偏差分別為2.1 cm和6.4 cm(2014年)以及4.3 cm和6.5 cm(2015年)，自動(dòng)程序法的平均偏差和均方根偏差分別為-6.8 cm和6.4 cm(2014年)以及4.5 cm和 6.6 cm(2015年)；對(duì)于積雪，人工經(jīng)驗(yàn)法與現(xiàn)場(chǎng)人工觀測(cè)的平均偏差和均方根偏差分別為0.5 cm和 8.5 cm，而自動(dòng)程序法的平均偏差和均方根偏差分別為4.7 cm和10.8 cm。自動(dòng)程序法誤差較人工經(jīng)驗(yàn)法偏大，但考慮到整體冰厚和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的誤差，兩種方法的結(jié)果均是可信的，精度是可以接受的。利用新式的溫度鏈浮標(biāo)實(shí)時(shí)獲取南極普里茲灣積雪和海冰厚度是可行的。

海冰質(zhì)量浮標(biāo)；積雪；海冰；溫度；厚度；南極；普里茲灣

1 引言

極地是全球氣候變化的敏感地區(qū)，海冰是氣候變化的重要指標(biāo)。在全球氣候變化背景下，1979年以來(lái)夏季北極海冰面積顯著減少(52×103km2/a)[1]，海冰厚度和多年冰的范圍也在不斷減小[2]。而南極海冰面積卻呈現(xiàn)略微增加的趨勢(shì)(17×103km2/a)[3]。海冰最重要的量化指標(biāo)是覆蓋范圍、密集度和厚度。目前利用衛(wèi)星遙感手段可以獲取連續(xù)和高質(zhì)量的海冰范圍和密集度[4]，利用CryoSat和SMOS系列衛(wèi)星反演海冰厚度的技術(shù)取得一定進(jìn)展，但反演精度還有待驗(yàn)證[5]。

南極大陸被大洋環(huán)繞，自然環(huán)境惡劣，積雪和海冰厚度的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)稀少。關(guān)于南極海冰厚度的變化存在不同的觀點(diǎn)，譬如基于ICESat衛(wèi)星的反演結(jié)果表明，南極海冰厚度呈3.0 mm/a的減小趨勢(shì)[6]，但數(shù)值模式研究卻表明南極海冰厚度可能存在1.5 mm/a的增大趨勢(shì)[7]。為提高衛(wèi)星反演產(chǎn)品和數(shù)值模式結(jié)果的可靠性，需要大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)冰厚數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。持續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累，能幫助我們認(rèn)識(shí)南極海冰厚度的變化趨勢(shì)，理解氣候變化背景下海冰的響應(yīng)。對(duì)海冰鉆孔利用冰尺直接測(cè)量是觀則海冰厚度最準(zhǔn)確和可靠的方式。但由于極地環(huán)境的特殊性，人工海冰觀測(cè)效率低，危險(xiǎn)性高，難以持續(xù)開展，因此自動(dòng)海冰觀測(cè)設(shè)備是主流的發(fā)展方向[8]。

加拿大METOCEAN公司與美國(guó)CRREL實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)的極地海冰質(zhì)量浮標(biāo)(The Ice Mass Balance Buoy，IMB)是進(jìn)行自動(dòng)海冰厚度觀測(cè)的經(jīng)典設(shè)備，包括溫度鏈、俯視/仰視聲吶、氣溫和氣壓傳感器等。這種冰浮標(biāo)在極地科學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用[1]，但其成本高、重量大以及安裝復(fù)雜等特征，不利于大面積使用。另外一種新式的觀測(cè)設(shè)備是基于溫度鏈的海冰物質(zhì)平衡浮標(biāo)(Snow and Ice Mass Balance Array, SIMBA)。該浮標(biāo)采用一根軟性溫度鏈自動(dòng)觀測(cè)大氣-積雪-海冰-海水垂直溫度剖面。溫度傳感器間隔為2 cm，垂向分辨率高；其周期性的脈沖加熱設(shè)計(jì)，可獲取各傳感器的升溫響應(yīng)，用于數(shù)據(jù)分析；造價(jià)低，設(shè)計(jì)輕巧，使用5 cm直徑螺旋鉆一人便可輕易安裝，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)回傳，易于在極地地區(qū)大面積重復(fù)性使用，目前全球布放量約為200套[9-10]。

我國(guó)在南極擁有4座科學(xué)考察站，其中中山站沿岸每年至少10個(gè)月時(shí)間被固定冰覆蓋。固定冰是指附著在海岸邊的不隨海流和潮汐移動(dòng)的海冰。中山站沿岸固定冰在冬季可向北延伸50 km以上，厚度可達(dá)150 cm，是理想的南極海冰觀測(cè)場(chǎng)地[11]。每年12月“雪龍”船都需要穿越數(shù)十千米的固定冰，將物資和人員送抵中山站。海冰厚度是“雪龍”船破冰和雪地車冰上卸貨的重要參考數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備獲取實(shí)時(shí)積雪和海冰厚度不僅有利于極地海冰的科學(xué)研究，也對(duì)我國(guó)南極科考保障意義重大。

2014和2015年在南極中山站近岸固定冰觀測(cè)場(chǎng)各布放了一套SIMBA浮標(biāo)，以開展積雪和海冰的自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)。本文介紹了SIMBA浮標(biāo)布放情況，分析了觀測(cè)數(shù)據(jù)并發(fā)展了兩種方法判斷大氣/積雪界面、積雪/海冰界面和海冰/海水界面，計(jì)算了積雪和海冰厚度，并與人工觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

2 SIMBA浮標(biāo)簡(jiǎn)介

SIMBA浮標(biāo)，是蘇格蘭海洋學(xué)會(huì)下屬的SRSL公司(http://www.srsl.com/)研發(fā)的新一代海冰物質(zhì)平衡浮標(biāo)，由儀器箱和溫度鏈組成。儀器箱中包括控制器、數(shù)據(jù)采集器、GPS天線和銥星模塊等。溫度鏈長(zhǎng)480 cm，內(nèi)置240個(gè)間距為2 cm的溫度傳感器(Maxim DS28EA00)，測(cè)量精度為0.062 5℃。溫度鏈在海冰內(nèi)垂直布放，記錄大氣-積雪-海冰-海水的垂直溫度剖面，最短觀測(cè)間隔為15 min?？紤]到耗電量和數(shù)據(jù)傳輸成本，南極的SIMBA浮標(biāo)觀測(cè)間隔設(shè)為6 h。除環(huán)境溫度觀測(cè)外，SIMBA浮標(biāo)還具備另一個(gè)重要功能——加熱整條溫度鏈并記錄環(huán)境溫度的響應(yīng)，加熱后溫度傳感器記錄的升溫，取決于周圍介質(zhì)的熱傳導(dǎo)特性。通常大氣和積雪的升溫大于海冰和海水的升溫，因?yàn)榍罢叩臒醾鲗?dǎo)能力較弱，這些差異將有助于界面的判斷。SIMBA浮標(biāo)通過(guò)GPS獲取經(jīng)緯度位置，得到漂移軌跡。銥星模塊將觀測(cè)數(shù)據(jù)定期傳輸給用戶，以保證數(shù)據(jù)的安全和時(shí)效[12]。

3 浮標(biāo)布放和界面判斷

3.1 浮標(biāo)布放

南極中山站位于南極普里茲灣(圖1a)，69°22′S，76°22′E，是我國(guó)第二個(gè)南極常年科考站，也是目前唯一可進(jìn)行冬季海冰厚度觀測(cè)的中國(guó)考察站。中山站多年平均氣溫為-9.8℃，氣候態(tài)月平均最低氣溫(-16.1℃，1989-2008年氣候平均值)出現(xiàn)在7月；多年平均風(fēng)速為7.1 m/s，風(fēng)向以偏東風(fēng)為主[13]。中山站海冰觀測(cè)點(diǎn)P1位于考察站西北方向1 km的內(nèi)拉峽灣口(圖1b)。P1點(diǎn)每年3-12月被固定冰覆蓋，厚度在冬季可達(dá)170 cm。

圖1 中山站的位置和SIMBA浮標(biāo)觀測(cè)位置P1點(diǎn)衛(wèi)星圖像Fig.1 Map of the surroundings of the Zhongshan Station in the Antarctic and the location of the ice mass balance buoy SIMBA (P1)

2014和2015年秋季海冰凍結(jié)后，觀測(cè)隊(duì)員在P1點(diǎn)分別布放一套SIMBA浮標(biāo)，冰面以上利用竹竿支撐，保證溫度鏈在空氣中垂直(圖2a)；溫度鏈末端加載一個(gè)重塊，保證其在海冰和海水中保持垂直(圖2b)。安裝時(shí)記錄各個(gè)界面的傳感器編號(hào)，并測(cè)量積雪和海冰厚度(表1)。2015年6月對(duì)出現(xiàn)故障的溫度鏈進(jìn)行了更換。

表1 SIMBA浮標(biāo)布放時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況

注：*數(shù)值為傳感器編號(hào)。

圖2 中山站SIMBA浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)布放圖(a)和垂直剖面示意圖(b, c)Fig.2 Photo of the ice mass balance buoy (SIMBA) (a), and a schematic illustration of SIMBA and thermistor chain vertical distribution in the field (b,c)示意圖中黑色直線代表溫度鏈，數(shù)字代表各界面處的傳感器編號(hào)The black lines in b and c represent the thermistor chain, and the numbers at the interfaces represent the sensor numbers during the deployment stage

3.2 界面判斷

3.2.1 人工經(jīng)驗(yàn)判斷界面

圖3a是SIMBA浮標(biāo)觀測(cè)到的溫度剖面示例，空氣溫度(傳感器20～97)在一天中的不同時(shí)刻變化明顯，相鄰時(shí)次的溫差約2℃左右，日最大溫差約6℃；海冰溫度呈現(xiàn)較大梯度(傳感器110～140)；海水溫度(傳感器140～240)保持在-1.7℃至-1.9℃之間，大氣、海冰和海水的熱傳導(dǎo)率差異造成垂直溫度梯度的明顯差別?？諝鈱?duì)加熱的響應(yīng)明顯，升溫約2.5℃，海冰和海水升溫幅度接近，約0.5～1.0℃(圖3b)。結(jié)合圖3a和圖3b，可以判斷海冰上表面對(duì)應(yīng)傳感器110，下表面對(duì)應(yīng)傳感器140。利用同樣的方法，每隔7 d繪制一組溫度剖面圖和升溫剖面圖，對(duì)比分析，憑借人工經(jīng)驗(yàn)法判斷積雪和海冰上、下表面的位置，從而得到積雪和海冰厚度的時(shí)間序列。

圖3 SIMBA浮標(biāo)觀測(cè)到的溫度剖面示例，a為一天四次的溫度觀測(cè)剖面，b為分別加熱60 s后(藍(lán)點(diǎn))和120 s后(紅點(diǎn))的升溫?cái)?shù)據(jù)Fig.3 The SIMBA measured vertical temperature within the air-snow-ice-water system， a is 4 times daily measured tem-perature profiles; b is the heating temperature readings after heating periods of 60 s (blue dots) and 120 s (red dots)

3.2.2 自動(dòng)程序判斷界面

對(duì)于自動(dòng)程序判斷而言，人工經(jīng)驗(yàn)判斷的方法簡(jiǎn)單易行，但效率低且存在主觀差異，尋找內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)程序判斷十分必要。圖3b的升溫剖面圖顯示，前60 s加熱后各傳感器升溫明顯，后60 s加熱升溫不大，因此對(duì)兩個(gè)年份大氣、積雪、海冰和海水4種介質(zhì)前60 s加熱的升溫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4所示。大氣的升溫范圍集中在2.0～4.0℃，積雪集中在2.5～5.0℃，海冰集中在0.8～1.0℃，海水集中在0.6～1.2℃(圖4)。大氣和積雪的升溫范圍接近，而海冰和海水的升溫范圍接近，因此積雪與海冰的升溫幅度差異可以作為自動(dòng)程序判斷積雪/海冰界面的依據(jù)。

圖4 空氣(a)，海冰(b)，海水(c)，積雪(d)對(duì)60 s加熱的升溫響應(yīng)，N指介質(zhì)中的傳感器個(gè)數(shù)Fig.4 The SIMBA heating temperature response of different media after 60 s heating for air(a), sea ice(b), sea (c) and snow(d)， N represents the total number of samples

圖5 空氣(a)，海冰(b)，海水(c)，積雪(d)的垂直溫度梯度，N指介質(zhì)中的傳感器個(gè)數(shù)Fig.5 The SIMBA temperature gradient in different media for air(a), sea ice(b), sea (c) and snow(d)， N represents the total number of samples

P1點(diǎn)海冰在10月底以前處于生長(zhǎng)狀態(tài)，理論上海冰下表面應(yīng)保持冰點(diǎn)溫度，因此冰點(diǎn)溫度可以作為自動(dòng)程序判斷海冰/海水界面的依據(jù)。

相較于大氣，通常積雪具有較低的熱傳導(dǎo)率，積雪內(nèi)的剖面溫度會(huì)表現(xiàn)出較大的溫度梯度。通過(guò)統(tǒng)計(jì)垂直溫度梯度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，空氣和海水中的溫度梯度基本為0，而積雪的溫度梯度介于10～20℃/m，海冰的溫度梯度介于二者之間(圖5)?？諝夂头e雪之間顯著的溫度梯度差異可以作為自動(dòng)程序判斷大氣/積雪界面的依據(jù)。

基于以上的分析，確定了判斷各個(gè)界面的依據(jù)和閾值，編寫并運(yùn)行自動(dòng)程序。按照?qǐng)D6所示的流程，可以利用自動(dòng)程序法判斷大氣/積雪界面、海冰/海水界面和積雪/海冰界面，進(jìn)而得到積雪和海冰厚度。

圖6 自動(dòng)程序判斷界面的流程圖Fig.6 A schematic illustration of the interface-detecting algorithm

利用自動(dòng)程序判斷界面時(shí)，閾值的取值將影響界面的位置，因此需要研究不同取值對(duì)界面判斷的影響。對(duì)3個(gè)界面的閾值均取兩組數(shù)值進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)大氣/積雪界面的閾值as分別取為10℃/m和20℃/m時(shí)，二者的平均偏差為2.1 cm，均方根偏差為5.6 cm；積雪/海冰界面的閾值si分別取為1.5℃和2.0℃時(shí)，二者的平均偏差為3.8 cm，均方根偏差為3.4 cm；海冰/海洋界面的閾值iw取為-1.9℃和-2.0℃時(shí)，二者的平均偏差為2.2 cm，均方根偏差為3.4 cm。不同閾值對(duì)界面位置的影響不大，差異介于1～3個(gè)傳感器之間。

4 數(shù)據(jù)分析

2014年的SIMBA浮標(biāo)在極端低溫環(huán)境下的工作狀態(tài)不太穩(wěn)定，導(dǎo)致該年未取得完整數(shù)據(jù)，共計(jì)獲取110 d有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，極夜期間(5月底至7月底)和8月底至9月底無(wú)數(shù)據(jù)(圖8)。圖8中3條白線分別是自動(dòng)程序判斷的大氣/積雪界面(閾值as取20℃/m)、積雪/海冰界面(閾值si取1.5℃)和海冰/海水界面(閾值iw取-1.9℃)；黑色的星號(hào)和十字分別是人工經(jīng)驗(yàn)判斷的大氣/積雪界面和海冰/海水界面。越冬隊(duì)員的定期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄表明，2014年P(guān)1點(diǎn)基本無(wú)積雪覆蓋，降雪帶來(lái)的積雪會(huì)在幾小時(shí)內(nèi)被大風(fēng)刮走，因此大氣/積雪界面和積雪/海冰界面基本重合。圖8a是溫度鏈觀測(cè)到的空氣、海冰和海水溫度的時(shí)間序列，冬季7-8月海冰表面溫度低至-30℃，海冰內(nèi)部溫度梯度明顯；夏季11月之后，海冰表面溫度升高，海冰內(nèi)部處于恒溫狀態(tài)。浮標(biāo)布放時(shí)的海冰上表面設(shè)定為0位置，如灰虛線所示，裸露在空氣中的溫度傳感器具有較大的溫度日變化，而海冰溫度的日變化很小。P1點(diǎn)處于淺水峽灣，海水溫度基本恒定，無(wú)明顯垂直梯度；10月底以前氣溫較低，海冰的垂直溫度梯度大；11月份以后氣溫升高，海冰垂直梯度接近0，海冰開始融化(圖8b)。因?yàn)楹１臒醾鲗?dǎo)率較空氣大，因此前60 s加熱后空氣升溫明顯，圖8c可以清楚的分辨大氣/海冰的界面，并揭示在10月底之后出現(xiàn)了表面消融。

圖8中冰點(diǎn)溫度較好的區(qū)分了垂直梯度大的海冰和基本恒溫的海水，并且與人工經(jīng)驗(yàn)判斷的海冰/海水界面基本一致。但是在11月，氣溫升高導(dǎo)致海冰內(nèi)部甚至空氣中可能出現(xiàn)-1.9℃，此閾值不再適用。因此，通過(guò)分析冰點(diǎn)溫度的位置快速判斷海冰/海水界面的方法，只適用于中山站的海冰生長(zhǎng)期。

圖7 自動(dòng)程序利用不同閾值判斷的界面位置Fig.7 The detection of various interfaces using different threshold temperature values in the automatic algorithm

圖8 2014年SIMBA浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果Fig.8 Results from SIMBA deployment in 2014a為自上而下的大氣-海冰-海洋的溫度剖面隨時(shí)間的變化；b為垂直溫度梯度(相鄰傳感器溫度差值的絕對(duì)值)；c為前60 s加熱的升溫。0刻度對(duì)應(yīng)的灰虛線是設(shè)備安裝時(shí)的海冰上表面位置，3條白線是自動(dòng)程序判斷的界面，黑星號(hào)和十字是人工經(jīng)驗(yàn)判斷的界面a. Temperature evolution from air through ice down to water, b. the vertical temperature gradient between nearest sensors (the absolute value), c. temperature increments after 60 s heating. The grey lines along zero represent the initial sea ice surface. The white lines represent the interfaces based on automatic detection. The black stars and crosses represent the manually estimated interfaces

圖9 2015年SIMBA浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果Fig.9 Results from SIMBA deployment in 2015a為自上而下的大氣-海冰-海洋的溫度剖面隨時(shí)間的變化；b為垂直溫度梯度(相鄰傳感器溫度差值的絕對(duì)值)；c為前60 s加熱的升溫。0刻度對(duì)應(yīng)的灰虛線是設(shè)備安裝時(shí)的海冰上表面位置，3條白線是自動(dòng)程序判斷的界面，黑星號(hào)和十字是人工經(jīng)驗(yàn)判斷的界面a. Temperature evolution from air through ice down to water, b. the vertical temperature gradient between nearest sensors (the absolute value), c. temperature increments after 60 s heating. The grey lines along zero represent the initial sea ice surface. The white lines represent the interfaces based on automatic detection. The black stars and crosses represent the manually estimated interfaces

圖10 人工經(jīng)驗(yàn)和自動(dòng)程序結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔觀測(cè)比較Fig.10 Comparison of ice thickness detected by manual estimation and automatic algorithm using borehole in situ observations as a reference

圖11 分析得到的海冰生長(zhǎng)率與觀測(cè)的比較Fig.11 Comparison of ice growing rate calculated from detected ice thickness (manual method and automatic program) and in situ observations

2015年共計(jì)獲取了184 d有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，因傳感器故障5月底至6月中旬、7月中旬至8月初無(wú)數(shù)據(jù)，6月19日進(jìn)行過(guò)新溫度鏈更換。2015年4月安裝SIMBA浮標(biāo)時(shí)，P1點(diǎn)基本無(wú)積雪，但隨后一直有較厚積雪覆蓋，因此積雪對(duì)海冰溫度的影響明顯。冬季大氣溫度低至-30℃，海冰表面溫度低至-20℃，海冰內(nèi)部溫度梯度明顯，夏季11月之后，海冰表面溫度升高，海冰內(nèi)部處于恒溫狀態(tài)，與2014年情況一致(圖9a)。自動(dòng)程序利用-1.9℃作為閾值判斷的海冰/海水界面，準(zhǔn)確區(qū)別了恒溫的海水和溫度梯度大的海冰(圖9b)，與人工經(jīng)驗(yàn)判斷的界面基本一致。自動(dòng)程序判斷的積雪/大氣界面位置，與人工經(jīng)驗(yàn)判斷結(jié)果相比偏高，但變化趨勢(shì)一致。圖9c的升溫剖面顯示該年P(guān)1點(diǎn)的積雪/海冰界面幾乎沒(méi)有變化，大氣、積雪與海冰、海水之間的升溫差異非常明顯。

5 結(jié)果驗(yàn)證

2014和2015年越冬觀測(cè)隊(duì)員在P1點(diǎn)附近開展了定期積雪和海冰厚度人工觀測(cè)，持續(xù)時(shí)間為4-12月，頻率為每周一次。利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)法和自動(dòng)程序法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如圖10所示。兩種方法得到的海冰厚度在結(jié)冰期與觀測(cè)結(jié)果基本一致，可以準(zhǔn)確的反映海冰的生長(zhǎng)趨勢(shì)，但在2014年10月底以后的融冰期，自動(dòng)程序法低估了海冰厚度，原因是利用冰點(diǎn)溫度判斷海冰/海水界面不再適用(圖10a)。人工經(jīng)驗(yàn)判斷的海冰厚度與觀測(cè)結(jié)果基本一致。因此自動(dòng)程序判斷海冰厚度在海冰生長(zhǎng)期(氣溫較低時(shí))結(jié)果可靠，但在海冰融化期(氣溫較高時(shí))會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，需要人工經(jīng)驗(yàn)方法作為補(bǔ)充。

對(duì)于海冰厚度的判斷，人工經(jīng)驗(yàn)法與觀測(cè)結(jié)果的平均偏差為2.1 cm(2014年)和4.3 cm(2015年)，均方根偏差為6.4 cm(2014年)和6.5 cm(2015年)；自動(dòng)程序法與觀測(cè)結(jié)果的平均偏差為-6.8 cm(2014年)和4.5 cm(2015年)，均方根偏差為6.4 cm(2014年)和6.6 cm(2015年)。自動(dòng)程序法在2014年負(fù)的平均偏差主要源于融冰期的海冰/海水界面的嚴(yán)重低估。

2014年P(guān)1點(diǎn)基本無(wú)積雪，不進(jìn)行分析和比較。對(duì)于2015年的積雪厚度的判斷，人工經(jīng)驗(yàn)法與觀測(cè)結(jié)果的平均偏差為0.5 cm，均方根偏差為8.5 cm；自動(dòng)程序法與觀測(cè)結(jié)果的平均偏差為4.7 cm，均方根偏差為10.8 cm。

圖11是利用圖10的海冰厚度分別計(jì)算得到的海冰生長(zhǎng)率。兩種方法得到的海冰生長(zhǎng)率和觀測(cè)一致，在凍結(jié)初期海冰內(nèi)溫度梯度大，生長(zhǎng)率處于高值，約0.8～1.0 cm/d，海冰增長(zhǎng)至一定厚度后，生長(zhǎng)率保持平穩(wěn)，約0.5 cm/d，后期隨著氣溫升高，海冰開始融化，生長(zhǎng)率出現(xiàn)負(fù)值。

6 結(jié)論與討論

本文介紹了溫度鏈海冰質(zhì)量浮標(biāo)SIMBA在南極中山站近岸的成功應(yīng)用，該浮標(biāo)體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單以及易于安裝，方便在野外特別是環(huán)境惡劣的兩極地區(qū)布放。經(jīng)過(guò)連續(xù)兩年的布放和運(yùn)行，獲取了大量的實(shí)時(shí)大氣-積雪-海冰-海水溫度剖面數(shù)據(jù)和加熱升溫?cái)?shù)據(jù)。布放時(shí)利用5 cm螺旋鉆在海冰上鉆孔，再垂直安裝溫度鏈。采用小口徑鉆孔有利于海冰的重新凍結(jié)，但需要注意的是這種方式導(dǎo)致孔內(nèi)干舷部分通常被積雪掩埋，在數(shù)據(jù)分析時(shí)體現(xiàn)為積雪的特性；孔內(nèi)干舷以下的海水凍結(jié)與初始冰厚密切相關(guān)，在初始冰厚為60 cm時(shí)通常需要1～2 d才能完全凍結(jié)，當(dāng)冰厚大于200 cm時(shí)凍結(jié)有可能需要30 d[14]。未凍結(jié)的部分會(huì)表現(xiàn)出海水的特性。為避免造成積雪/海冰界面和海冰/海水界面的誤判，安裝時(shí)應(yīng)該準(zhǔn)確記錄溫度鏈在各個(gè)界面的傳感器編號(hào)，以及當(dāng)時(shí)的積雪和海冰厚度。

2014和2015年各獲取了110 d和184 d觀測(cè)數(shù)據(jù)。原始觀測(cè)數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制，剔除異常值。浮標(biāo)每天進(jìn)行4次溫度觀測(cè)和1次加熱升溫觀測(cè)。對(duì)溫度剖面數(shù)據(jù)的分析顯示，一天之內(nèi)空氣溫度在鄰近時(shí)次變化最大，海水溫度基本恒定；大氣和海水的垂直溫度梯度幾乎為0，積雪為10～20℃/m，海冰為5～10℃/m。通過(guò)分析60 s加熱后的升溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大氣響應(yīng)為2.0～4.0℃，積雪為2.5～5.0℃，海冰為0.8～1.0℃，海水為0.6～1.2℃，大氣和積雪的熱傳導(dǎo)率較低，因此升溫響應(yīng)較明顯。不同介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)差異，為界面的判斷提供了依據(jù)。

獲取大氣/積雪界面、積雪/海冰界面和海冰/海水界面是分析浮標(biāo)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文依據(jù)上述不同介質(zhì)的熱力學(xué)特性，通過(guò)人工識(shí)別的方法得到了人工經(jīng)驗(yàn)結(jié)果；同時(shí)通過(guò)對(duì)垂直溫度梯度和加熱升溫響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析確定閾值，進(jìn)而利用自動(dòng)程序判斷得到了自動(dòng)程序結(jié)果。閾值的敏感性試驗(yàn)表明，在合理范圍內(nèi)取不同值對(duì)界面的判斷影響不大。兩種方法判斷的各個(gè)界面基本一致。人工經(jīng)驗(yàn)法較自動(dòng)程序法有更高的精度。

與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比表明，人工經(jīng)驗(yàn)判斷的海冰厚度與觀測(cè)的平均偏差為2.1 cm(2014年)和4.3 cm(2015年)，自動(dòng)程序的平均偏差為-6.8 cm(2014年)和4.5 cm(2015年)，前者比后者更接近觀測(cè)?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)本身有誤差，因此認(rèn)為兩種方法均可以準(zhǔn)確反映海冰厚度的變化，結(jié)果是可信的，對(duì)海冰生長(zhǎng)率的計(jì)算和對(duì)比也支持這一結(jié)論。

2014年P(guān)1點(diǎn)幾乎全年無(wú)積雪覆蓋，而2015年P(guān)1點(diǎn)積雪較厚，對(duì)海冰生長(zhǎng)的影響十分明顯。對(duì)2015年的數(shù)據(jù)分析表明，人工經(jīng)驗(yàn)法與觀測(cè)的平均偏差為0.5 cm，而自動(dòng)程序法的平均偏差為4.7 cm。兩種方法均準(zhǔn)確反映了2015年8-12月積雪厚度“增大-減小-增大”的變化過(guò)程。

中山站SIMBA浮標(biāo)數(shù)據(jù)判斷的界面位置準(zhǔn)確，得益于P1點(diǎn)在冬季極低的空氣溫度導(dǎo)致了積雪和海冰內(nèi)部較大的溫度梯度；而較淺的水深造成海水溫度的恒定以及較弱的潮流影響，這些優(yōu)勢(shì)利于人工經(jīng)驗(yàn)界面的判斷。而前人在北極等地獲取的SIMBA浮標(biāo)數(shù)據(jù)由于積雪較厚或者氣溫較高等原因，其界面判斷往往相對(duì)困難[9]。在使用自動(dòng)程序方法時(shí)，冰點(diǎn)溫度作為海冰/海水界面的閾值只適用于氣溫較低的海冰生長(zhǎng)期。另外當(dāng)處于浮標(biāo)數(shù)據(jù)覆蓋較長(zhǎng)的融化期時(shí)，空氣溫度接近甚至高于0℃，人工經(jīng)驗(yàn)法和自動(dòng)程序法很難判斷界面的位置，此時(shí)結(jié)合海冰熱力學(xué)模式和SIMBA浮標(biāo)數(shù)據(jù)得到再分析的冰雪信息是未來(lái)可嘗試的方法[16]。

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Snow and land-fast sea ice thickness derived from thermistor chain buoy in the Prydz Bay, Antarctic

Zhao Jiechen1,2,3, Yang Qinghua1, Cheng Bin3, Wang Ning4, Hui Fengming5, Shen Hui1, Han Xiaopeng1, Zhang Lin1, Timo Vihma3

(1.KeyLaboratoryofResearchonMarineHazardsForecastingofStateOceanicAdministration,NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter,Beijing100081,China; 2.CollegeofOceanicandAtmosphericSciences,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 3.FinnishMeteorologicalInstitute,Helsinki00101,Finland；4.MarineHydrometeorologicalCenteroftheNorthChinaSeaFleat,Qingdao266003,China; 5.CollegeofGlobalChangeandEarthSystemSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Snow and sea ice in the polar regions react strongly to the climate change. Sea ice thickness is also a critical parameter for navigation in the polar oceans. In this paper, we present measurements taken using a high-resolution thermistor chain (SIMBA) to monitor snow and ice thickness in the land-fast ice zone in winters 2014 and 2015 in the Prydz Bay outside Zhongshan Station, Antarctic. SIMBA measures vertical temperature profiles 4 times a day as well as two daily sensor heating temperature profiles in 60 s and 120 s. Snow and ice thickness were derived (a) manually on the basis of different linear temperature gradients in air, snow, ice, and water, and (b) applying an automatic algorithm based on temporal variation of the temperature gradients associated with analyses of heating temperature response statistics. Compared with borehole in situ measurements, the manually estimated ice thickness had a mean bias and RMSE of 2.1 cm and 6.4 cm in 2014, 4.3 cm and 6.5 cm in 2015. The mean bias and RMSE of algorithm-based ice thickness was -6.8 cm and 6.4 cm in 2014, 4.5 cm and 6.6 cm in 2015. The snow thickness was estimated only for winter 2015, and the mean bias and RMSE of manual and algorithm methods were 0.5 cm and 8.5 cm, 4.7 cm and 10.8 cm, respectively. The manual estimation, in general, yielded better results. Our results reveal that SIMBA is capable to monitor snow and ice thickness in the Prydz Bay, Antarctic.

sea ice mass balance buoy; snow; ice; temperature; thickness; Antarctica; Prydz Bay

P412.3

A

0253-4193(2017)11-0115-13

趙杰臣，楊清華，程斌, 等. 基于溫度鏈浮標(biāo)獲取南極普里茲灣積雪和固定冰厚度的研究[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(11):115-127,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.011

Zhao Jiechen, Yang Qinghua, Cheng Bin, et al. Snow and land-fast sea ice thickness derived from thermistor chain buoy in the Prydz Bay, Antarctic[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(11):115-127, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.011

2016-11-26；

2017-06-27。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41406218，41428603，41376005)；國(guó)家外專局出國(guó)培訓(xùn)項(xiàng)目(2016-51688)；南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專項(xiàng)(CHINARE-01-01)。

趙杰臣(1984—)，男，山東省乳山市人，工程師，主要從事極地海冰觀測(cè)和預(yù)報(bào)研究。E-mail：zhaojc@nmefc.gov.cn