2024年斯瓦尔巴边缘冰区观测网络：揭示北极海-冰-气相互作用的关键数据集

《Scientific Data》：Svalbard Marginal Ice Zone 2024: A distributed network of temperature, waves, and sea ice drift observations

本刊推荐：为提升北极天气、海冰、海洋及波浪耦合预报能力，研究人员在斯瓦尔巴北部边缘冰区(MIZ)部署了由34个开源气象浮标(OMB)组成的分布式观测网络，成功捕获了冷空气爆发和暖空气侵入事件下温度、海冰漂移及波浪能谱的协同变化。该数据集为验证耦合模型、理解MIZ内多尺度物理过程提供了宝贵资源，对促进北极预测系统发展具有重要意义。

　　

随着北极地区气候变化的加速，边缘冰区(Marginal Ice Zone, MIZ)——这片海冰与开阔海洋交汇的过渡带——正经历着前所未有的动态变化。这里不仅是海冰、海洋、波浪和大气过程激烈相互作用的舞台，更是制约北极预测准确性的关键区域。然而，由于环境恶劣、仪器寿命短、观测难度大，特别是缺乏具有空间代表性的分布式观测数据，科学家们一直难以精确捕捉MIZ内复杂的物理过程。这种数据匮乏严重限制了耦合预报模型的改进，而随着北极航道的逐步开辟，对高精度冰情、波浪和天气预报的需求正变得日益紧迫。

为解决这一挑战，由挪威气象研究所Malte Müller和Jean Rabault领衔的国际团队，在《Scientific Data》上发布了题为“Svalbard Marginal Ice Zone 2024: A distributed network of temperature, waves, and sea ice drift observations”的数据论文。研究团队于2024年4月4日至21日，利用挪威海岸警卫队船舶KV Svalbard，在斯瓦尔巴群岛以北的MIZ成功布放了一个由34个开源气象浮标(OpenMetBuoy, OMB)组成的观测网络。该研究首次在如此大的空间尺度上，同步获取了空气温度、海面温度、海冰漂移轨迹和波浪能谱等多要素现场数据，精准捕获了一次持续的冷空气爆发和一次伴随强波浪系统的暖空气侵入事件，为理解极端天气事件下的海-冰-气相互作用提供了独一无二的视角。

关键技术方法概述

本研究核心是开源的OMB-v2021浮标平台，其优势在于低成本、高定制性和极地适应性。每个浮标集成了全球导航卫星系统(GNSS)（每30分钟定位一次）和惯性测量单元(IMU)（每2小时测量一次波浪，原始运动数据采样率800赫兹）。本研究为其增配了四个DS18B20数字温度传感器，分别测量1米高气温、0.1米高气温、雪面温度和雪冰界面温度。研究人员对每个温度传感器进行了严格的线性校准，使其绝对精度从出厂时的±0.5°C提升至约±0.0625°C。此外，在每个浮标布放点约5米处，同步测量了海冰厚度、雪深和雪密度。所有数据通过铱星短脉冲数据(SBD)传输，并以netCDF-CF和CSV格式在Zenodo平台公开。

研究结果

数据记录与时空代表性

34个浮标的轨迹清晰地展示了2024年4月期间斯瓦尔巴北部海冰的漂移和演变过程。观测网络在约13天的峰值期内，维持了10个以上浮标同步工作，平均间距在40至100公里之间，形成了对MIZ具有良好空间代表性的观测阵列。数据清晰记录了4月19日前后两种截然不同的大气模态：之前是气温约-15°C的冷空气爆发，之后是气温骤升约15°C的暖空气侵入。

波浪在冰中的传播

波浪能谱数据揭示了波浪能量在MIZ中的衰减情况。三个位于MIZ不同位置的浮标（从近冰缘到冰内）记录的频谱显示，随着向冰内深入，高频波浪能量含量显著降低。这表明海冰对波浪，特别是短周期波浪，有强烈的耗散作用。在暖空气侵入事件后，随着海冰破碎和冰缘北退，部分浮标位置的波谱表现出与开阔水域相似的特征，高频能量明显增加，直观反映了海冰覆盖变化对波浪环境的直接影响。

温度测量的质量验证与技术挑战

研究对新增的温度测量进行了详尽的技术验证。1米高气温传感器置于3D打印的小型防辐射罩内，验证发现其测量误差与太阳辐射强度密切相关。当模拟的太阳入射短波辐射(rsds)超过100 W/m²时，测量值会产生超过2°C的正偏差，因此数据集中提供了基于AROME Arctic模型的辐射数据，建议用户据此进行质控。雪面温度传感器的测量则受到热耦合和太阳辐射的显著影响，与船载红外传感器对比显示，其虽能捕捉温度变化趋势，但存在正偏差，且无法记录最低温度，因此该数据被视为探索性数据。雪冰界面温度传感器不受太阳辐射影响，数据可靠，但其读数常因冰面被海水淹没而稳定在海水冰点温度（约-1.6°C）附近，这本身也成为判断浮标所处环境状态的指标。

结论与意义

SvalMIZ-24活动成功获取的分布式观测数据集，是迄今为止在北极MIZ获得的时空覆盖度最高的同步温度、海冰漂移和波浪观测数据之一。它独特地捕捉了在两种 contrasting 天气事件驱动下，海冰条件从密集到破碎的完整演变过程。该数据集的价值不仅在于其丰富的变量和高质量的控制标志（如针对温度测量的temp_con_quality_flag和temp_1m_quality_flag），更在于其空间分布特性使得它能够与格点化的模型数据（如AROME Arctic天气预报系统或海冰浓度产品）进行更具代表性的比较。这为准确评估和改进现有的北极耦合预报模型系统、深入理解MIZ内多尺度物理过程提供了不可替代的验证基准。此外，研究所依托的完全开源的OMB平台及其低成本特性，为未来开展更大规模的协同观测、促进数据共享指明了可行路径，将有力推动北极环境预测科学的发展，服务于气候研究、航行安全等多个重要领域。