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1、第 卷第 期极地研究 ， 年 月 收稿日期 年 月收到来稿， 年 月收到修改稿 基金项目 国家 计划重点项目课题（ ） 、 国家自然科学基金项目（ ） 、 教育部新世纪优秀人才支持计划项目（ ） 和江苏高校优势学科建设工程项目资助 作者简介 章睿， 硕士研究生 联系作者 柯长青， 教授。 ：櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑毀毀毀毀 研究论文 年夏季北极海冰反照率的观测研究章睿 柯长青 谢红接 孙波（南京大学地理与海洋科学学院， 江苏 南京 ； ， ， ， ；中国极地研究中心， 上海 ）提要 雪和海冰作为北极地区反照率最高的地表类型， 可以将大部分入射辐射能量反射回天空， 其表面反照率的变化对整个地表 大气
2、辐射平衡系统和全球气候变化都会有重要影响。 年中国第 次北极科学考察期间， 考察队利用 光谱仪对北极太平洋扇区不同类型海冰的表面反照率进行了现场测量。观测时段为 月 日至 月 日， 地理范围在 和 之间。观测结果表明积雪覆盖海冰的反照率最高， 干雪覆盖时均值达到 ， 融化的湿雪覆盖时反照率会有一定程度的降低。夏季北极地区存在大量融池， 融池海冰按颜色划分为白冰、 蓝冰和灰冰， 白冰的平均反照率为 ， 蓝冰的为 ， 灰冰的只有 ， 融池水的反照率只有 。融池是北极夏季反照率变化的重要原因。关键词 北极 海冰 光谱测量 反照率 融池 ： 引言表面反照率指地表反射的辐射能量占总的入射 辐射能量的比值
3、， 是地表辐射收支平衡中的重要参 数 。在北极地区， 雪和海冰作为地球上反照率最 高的地表类型， 可以将大部分入射辐射能量反射回天空， 其表面反照率的变化对整个地表 大气辐射平 衡系统和全球气候变化都会有重要影响 。近年 来， 北极海冰正在发生着巨大变化， 主要体现在海冰 外边缘线缩小、 面积减少和厚度减薄 ， 夏季海冰 覆盖范围的减少明显加速，由每 年减少 增至 ， 这其中雪 冰 反照率反馈机制的存在扮演 了重要的角色 ， 该机制主要也是由海冰融化后反 照率的迅速变化引起的。正是由于北极地区表面反照率对极地区域和全球气候的重要影响， 反照率一直是大气和海冰模式中的重要影响参数 。但是， 目前
4、的业务化大气和 海冰模式中，通常只会用到干雪的反照率， 将反照率当作常数，或者使用非常简单的参数化方案，这 些单一的简单参数化方案往往无法反映融化和冻结过渡时的反照率变化， 会对整个模式的精度造成影 响 。由于极地环境的特殊性， 现场观测的数据极 度缺乏， 对其表面反照率的精确测量和模拟， 一直是 国内外科学家关注的焦点 。中国近来也加强了 北极海冰的考察研究， 先后成功地组织开展了 次 北极科学考察活动 ， 但对反照率的观测还不够 系统， 没有精确测定不同状态下的海冰反照率的变化情况， 不能满足精确参数化的需要。北极夏季海冰处于消融状态， 由于消融和冻结过程的差异， 海冰存在的形式有多种多样
5、， 既有积雪覆盖的海冰， 也有裸露的海冰， 同时冰上有不同形态、 大小的融池， 海冰之间还有水道， 因此反照率差异也很大。晴朗的天气条件下， 干雪的反照率一般可以达到 ， 而湿雪相对较低 ， 出露的海冰按颜色可以大致分为白色、 蓝色、 灰色等几类， 反照率依次减小。裸露海冰的反照率会比有积雪覆盖海冰的低， 当海冰表面处于消融状态时， 反照率会进一步降低。此外， 因海冰运动所造成的海冰表面的凹凸不平， 也会对海冰的反照率产生一定影响 。本文基于中国第 次北极科学考察的海冰光谱特征测量数据， 精确计算不同类型雪、 海冰、 融池的光谱和总反照率， 并对比分析不同条件下， 北极地区表面反照率的变化规律
6、。对于认识北极地区夏季海冰反照率变化， 提高海冰反照率在不同海冰和气候模式中参数值的精度， 以及地表 大气辐射平衡系统和全球气候变化研究方面具有重要意义。 反照率测量 研究区域反照率样本测量地点位于北极太平洋扇区， 年 月 日开始至 月 日结束， 主要对 个短期冰站和 个长期冰站不同类型海冰、 融池、 积雪、 海水等地物进行光谱反照率和总反照率测量。数据 采 集 的 地 理 范 围 在 和 之间， 其中长期冰站的观测时间是 年 月 日， 由于海冰会随海流漂浮， 所以地理位置也在不断地变化之中， 介 于 ， 和 ， 之间。数据采集时间为当地时间每天 ： ： 。降水形式以降雪为主， 正午气温高时也
7、有降雨发生。海水表层温度在 左右。海水深度大约在 之间变化。海冰厚度大约在 之间变化， 在冰脊处也有超过 的， 表层有 不等厚度的积雪。采集的地表类型包含新雪、 融化状态的雪、 冻结状态的雪、 不同干湿状况的雪、 不同粒径的雪、 海水、不同深度的融池水面、 不同冻结状态的融池水面、 融池剖面线、 不同积雪覆盖状态的海冰、 不同厚度的裸露海冰、 不同颜色的海冰等。表 记录了冰站分布的基本情况， 包括冰站位置、 天气条件以及当天数据采集时的太阳最大高度角。图 是测量区域冰站分布地理位置示意图。表 冰站位置、 采集时间和基本特征 ， 站点日期天气太阳高度角经度纬度号冰站 号冰站 号冰站 号冰站 号冰
8、站 号冰站 号冰站 号冰站 长期冰站 注： 天气类别当中 类天气为完全晴朗无云的天气； 类天气为晴朗少云的天气； 类天气为完全被云覆盖， 但是可以看到太阳； 类天气为天 空完全被云覆盖且看不见太阳 仪器和方法海冰表面反照率测量采用 便携式地物光 谱 仪， 测 量 光 谱 波 段 范 围 为 ， 其中 的光谱分辨率是 ， 采样间隔为 ； 的光谱分辨率是 ， 采样间隔为 。为了避免冰雪方向性散射对反照率测量结果带来的影响， 利用半球全视角余弦接收器。将半球全视角余弦接收器垂直向上对准天空可测量太阳的入射辐射， 垂直向下对准冰雪表面可测量出射辐射， 求出二者的比值即可获得光谱反照率变化曲线（ 公式（
9、 ） ） ， 进一步积分得到总反照率（ 公式（ ） ） 。 （ ）（ ） （ ）（ ）式中 为波长， （ ） 为光谱反照率， 为出射光谱 辐照度， 为入射光谱辐照度极地研究第 卷图 冰站地理位置 ， （ ） （ ） （ ） （ ） （ ）（ ）式中 为窄波段反照率， 反应在 ， 之间较短 的波长范围内的反射和入射的辐射能量的比值， 本文中采用的总反照率的概念， 是将窄波段的波长范围扩大到 的状态， 又称之为宽波段反照率。 结果和分析 光谱反照率考察期间是北极的夏季极昼期， 海冰处于消融状态， 不同消融过程中的海冰差异明显， 产生多种地表类型。这里将地表类型主要划分为海冰和融池以及海水， 具体类
10、型包含干雪、 湿雪和冻结状态的积雪覆盖的海冰， 不同颜色的海冰， 如白冰、 蓝冰、 灰冰，不同深度的融池水面、 不同冻结状态的融池水面， 开阔海水等。不同地表类型的反照率差异明显， 即便只是海冰， 结构、 冻融状态、 表层积雪和周边环境状况的不同也会导致反照率大小的差异。图 反映了不同地表类型的光谱反照率分布情况， 由于 光谱仪的测量结果在 左右、 ， 左右存在明显的水和大气吸收带的影响， 导致光谱反照率变化异常， 特别是在湿度较大的北极地区这种影响尤为显著。而且 范围内的积雪、 海冰以及海水的光谱反照率差异并不明显， 辐射能量多被吸收， 所以在光谱反照率的图示中选择波段范围 进行比较。数据源自短期和长期冰站光谱数据总共 的观测数据， 其中 月 、 、 、 、 日天气条件较差， 不参与计算比较， 利用剩下的 数据，从中挑选能明确分类的共计 条光谱数据， 剔除异常点， 并做光滑和平均处理， 得到图示光谱反照率结果。图 不同地表类型的光谱反照率
