Page 7 - 《高原气象》2025年第5期

5 期 张 功等：极地冰区海-气湍流热量交换的研究综述 1125
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13 W·m ； 在 亚 南 极（58° S -43° S）， SH 不 超 过
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5 W·m ， LH 占主导地位并且从 MIZ 边缘附近的小
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于 10 W·m 逐渐向低纬度增加（Yu et al， 2017）。
南大洋夏季 LH 占主要地位， LH 年际变化较小， SH
变化大， 受大气环流和洋流的影响， 南大洋的热源
和热汇也会发生转变， 但在 50°S 以南的大部分海
域 SH 为正， 并且 SH 和 LH 随纬度高、 低交替分布，
其中低值区与海表温度低值槽具有一致性（李诗明
等， 1997）。数值产品资料表明， 南大洋海-气交换
的 SH 比 LH 小 3~4 倍， 海表与大气的温度梯度决定
了 SH 和 LH 的最大值； 由于风速的季节性变化， LH
和 SH 最大值出现在冬季， 最小值出现在夏季（Yu 图1 海冰对海-气能量收支影响示意图（改自Bourassa et
al， 2013）
et al， 2011）。
R 表示太阳辐射， R 为长波辐射， SH是显热通量，
综上所述， 太阳辐射作为南北极海表能量的主 sw lw
LH为潜热通量， Q表示海洋存储的热量
要来源， 主要用于海冰融化、 SH 和 LH， 但由于海 Fig. 1 Illustration of the impacts of sea ice on the energy
冰较高的反照率， 海冰区域吸收的辐射较小。由于 balance between sea and air （modified from Bourassa et al，
海表与大气的温度梯度、 湿度梯度等影响， 海冰对 2013）. R is solar radiation， R is longwave radiation，
lw
sw
海-气能量交换影响显著， 这种差异不仅体现在南 SH is sensible heat flux， LH is latent heat flux
北极的差异上， 如海-气热量交换在北极以 SH 为 and Q is heat stored in the ocean
主， 而在南极以 LH 为主， 而且也体现在距离海冰
的位置， 如在冰缘以 SH 为主， 而距离海冰较远处
以 LH 为主。南北极海-气的 SH 和 LH 具有季节性
变化特征， 同时也受区域位置的影响， 其中南极大
陆沿海区域， 辐射和 SH 会因下降风而受到抑制。
此外， 北极放大现象已经明确， 但目前尚未观测到
南极放大现象（Cowtan and Way， 2013； Smith et al，
2019）， 南北极海-气通量的驱动机制仍然需要进一
步了解。 图2 海冰的风速廓线、 冰/水与大气的温差（ΔT）和边界层
厚度h的变化图（改自Marcq and Weiss， 2012）
3 极地冰区海表湍流热量交换的机制 Fig. 2 Schematic of wind speed profile on sea ice， tempera‐

ture difference between ice/water and air （ΔT）， and
海冰由于外力作用（如风、 洋流）发生了漂移、
variations in boundary layer thickness h （modified
变形、 破裂， 形成了冰间水道， 改变了海冰的分
from Marcq and Weiss， 2012）
布， 进而改变了海表粗糙度， 影响着 SH 和 LH（Fai‐
rall and Markson， 1987； Marcq and Weiss， 2012）。 界层厚度会随着下风的距离而加深。湍流由垂直
海冰的融化与变薄导致海冰更容易被风和洋流驱 风切变（强制对流）和水面附近暖大气与冰表面上
动， 造成海冰的进一步破碎（刘骥平等， 2021）。此 方冷大气间的浮力差（自由对流）驱动。当大气柱
外， 由于冰间湖、 融池以及不断扩大的 MIZ 区域， 向水面倾斜时， 原本的逆温和逆湿结构减弱， 甚至
造成了极区海-气热量通量的差异性与不均匀性 转向， 有利于湍流输送的突然增强。
（图 1）。这些变化导致海-气湍流热量交换的动力 当从开放水面或完全海冰覆盖区域向海冰边
与热力因素均发生了变化。 缘接近时， 风速会出现增大， 并且在开放水面， 海
海冰和大气之间的 SH 和 LH 在很大程度上由 表温度与风速呈现负相关关系， 而在 MIZ 区域， 海
开放水面上的热通量主导， 冷而干燥的大气和海表 表温度与风速呈正相关（Zhang et al， 2018）。由于
通过对流过程直接进行湍流热量交换， 其发生机制 MIZ 的开放水面与海冰相互接近， 允许冷大气在开
如图 2所示。即当大气从较冷（即冰）的表面移动到 放水面上出现平流， 由于大气、 水和冰界面处的热
较暖（即水）的表面时， 会形成一个对流边界层， 边 和盐度引起的浮力、 形状阻力和剪切力， MIZ 中的