原文以 Ship-based estimates of momentum transfer coef?cient over sea ice and recommendations for its parameterization 为标题发表在Atmos. Chem. Phys.上
作者: Piyush Srivastava等
翻译：李蓉、刘晓迪、子毅

北极地区地表升温速度是全球平均水平的两倍以上，这被称为北极放大效应（Arctic Amplification）。如此迅速的变暖正在改变北极地区的自然景观，显著的是海冰范围缩小、厚度变薄，冰龄变小，这将影响与之相关的许多生物地球化学过程。另外，这种变化也能通过改变天气模式和海洋环流来影响低纬度地区。

北极放大效应Credit: Data from GISTEMPv4, chart by Zack Labe.

尽管气候模型能再现北极放大效应，但这些模型在预测海冰的季节动态方面不太成功。对极地表面动量、热量、水汽传输研究不足，是预测出现偏差的主要原因。

对解析模型变量和表面输送系数参数化，是研究湍流交换的关键。由于缺乏在极地环境中的实测数据，导致对动量（CD）、热量（CH）和水汽（CE）输送系数的参数化存在很大不确定性。

本研究中，研究者们着重关注动量输送系数 CD 的参数化。

大气与海冰之间的动量交换直接影响大气边界层和海冰的动力学演化，其交换过程取决于地表的物理特性。随着北极海冰的持续性减少和极地冰缘区（Marginal Ice Zone, MIZ）的扩大，这种交换过程的性质会发生改变。因此，深化对极地表面物理过程的理解至关重要。

最近的研究表明，未来海冰厚度和范围、以及极地演化模型都对海冰表面动量交换的参数化敏感。

大多数模型均使用简化方法来参数化海冰上的输送系数，如为所有海冰的等效中性输送系数规定一个恒定值，或规定两个不同的值，分别对应于极地冰缘区（Marginal Ice Zone, MIZ）、和海冰形态经验参数。之后，使用经典的“马赛克”或“通量平均”方法，在每个网格内分别估算海冰和开阔水域的通量，并使用海冰和开放水域的分数加权，计算“有效”湍流通量。

对于假设海冰上CD10n （10m高度处的中性条件下的动量交换系数）固定的模型，通量平均法导致整个 MIZ 的 CD10n 单调增加，而观察结果并不支持这一点，海冰比例一般在50%–80%时，该值会达到峰值。

Andreas等人 (2010) 建议，应根据海冰密集度的二次函数对 CD10n 进行基于经验的参数化。 基于理论推导，Lüpkes 等人为 CD10n 开发了一种基于物理的分层参数化方法，其复杂性低，只需要将海冰覆盖度作为自变量。

最近，Elvidge 等研究者使用飞机，在北极 MIZ 上空进行了测量，开发了一个包含有 195 个独立估算的 CD10n 数据集（MIZ上空），这是之前观测数据的两倍多。然而，他们发现，CD10ni（有100% 冰覆盖的 CD10n）存在很大变异，这表明，CD10ni在很大程度上取决于海冰的物理形态。

由于海冰动量交换参数化的复杂性，需要研究极地实测的数据集。

为此，英国利兹大学等机构的研究者们，使用2014年7月至10月Arctic Clouds in Summer Experiment实验(ACSE)和2016年8月-9月the Arctic Ocean 2016 experiment实验(AO2016)中的海冰表面动量交换实测数据，估算了海冰表面的动量输送系数，并对其进行了参数化。

这些数据由安装在Oden号破冰船桅杆顶部的LI-COR涡度相关通量观测系统采集，从夏末到初秋，涵盖了多种地表、大气稳定性条件。

Oden号破冰船和搭载在桅杆顶部的LI-COR涡度相关通量测量系统（图中最左侧）
 图源/Vüllers J等（2018）

LI-COR涡度相关通量观测系统

研究发现，CD10n在海冰覆盖度为0.6-0.8时，达到峰值，这与最近基于飞机的观测结果一致。优化后的参数化方程极大提高了与实测结果的吻合度，这将有助于气候模型对北极地区海冰季节动态的预测和模拟。

Oden号破冰船桅杆顶部安装了LI-COR涡度相关通量观测系统，距离水线20.3 m。在ACSE实验（2014）中，该系统由LI-7500开路式CO₂/H₂O分析仪（LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA）、Metek USA-100三维超声风速仪（带加热功能）组成。在三维超声风速仪底部，安装有Xsens MTi-700-G运动姿态测量系统。

根据Edson(1998年)和Prytherch等人(2015年)提出的方法，对20 Hz的原始湍流风分量进行了平台运动校正。之后，计算得到每30min的动量、热量和水汽通量。

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原文中的主要数据图