全球气候变化背景下，不同于北极海冰的长期持续衰减^[1-2]，南极海冰范围总体呈现出1.5±0.4%/10年的缓慢增长趋势^[3].极地海冰是全球气候系统的重要组成部分，气候模式只有准确计算出表面反照率，才能更好地反映雪/海冰-反照率反馈机制，进而可能对将来的气候变化给出可靠预测.然而，目前模式对南极地区的气候预测差异很大^[4]，这至少部分归因于南极海冰区是目前地球上观测最少的区域之一，海冰辐射和反照率观测尤为稀缺^[5-6]；气候模式中使用的反照率参数化方案都基于北极观测，而南极和北极的海冰属性具有显著差别^[7].因此，急需获取能够连续记录季节变化的较长时期的南极海冰反照率观测，并分析各个因子对反照率变化的影响程度，为发展适用于南极海冰的反照率参数化方案提供数据基础.

固定冰是附着于海岸、冰架前沿或着地冰山的海冰^[8-9]，它普遍存在于南极沿海地区，在海冰范围最大的9月，固定冰约占南极海冰总体积的14%~20%^[10].由于生消过程固定不动，南极近岸固定冰调查提供了一种可靠的海冰连续观测手段^[11].中山站沿岸固定冰多为一年冰，一般1月或2月完全破碎并融化，2月底或3月初开始重新冻结，不封冻的时间一般不超过1个月；我国学者曾于2005-2006年在中山站附近成功实施了连续两年的固定冰生消过程观测，获取了完整的冰季冰厚和冰温变化^[12].同时，由于中山站地区为南极大陆性气候，天气干燥，降水形式主要为降雪，且由于大风频繁，很少出现镜面被霜花或雪花粘附等影响辐射观测的情况，因此，中山站附近固定冰是开展南极海冰辐射连续观测研究的理想平台.为了加深对南极海冰反照率的理解，于我国第26次南极科学考察中山站越冬期间，自2010年7月27日至12月15日在中山站附近固定冰进行了近5个月的连续冰面辐射观测.

反照率受表面性质、太阳天顶角、大气属性（含云量）等变量的复杂影响.雪的反照率依赖于颗粒大小和形状、雪层厚度及下表面的光学性质、表面粗糙度、液态水含量和杂质等^[13]；海冰反照率取决于冰类型（新冰、多年冰）、冰厚、卤水泡和气泡，以及表面条件，如表面的冰壳、新冰上结成的霜花等.除表面性质外，反照率随太阳天顶角增加而增加，较小的太阳天顶角可以穿透到雪冰深处，因此易被吸收；而随着太阳天顶角加大，入射光更易逃脱雪冰粒子的吸收，反照率相应增加^[14].降雪和吹雪等天气事件可通过改变表面积雪性质显著影响反照率^[15].反照率也受云量影响，云层可改变入射太阳辐射的光谱分布和天顶角，进而增加雪、冰表面反照率^[16].同时，雪、冰反照率还具有明显的季节变化特征，干雪期反照率高，随着温度升高、表面融化开始，反照率显著减小^[17].

晴天时，反照率具有显著的日变化特征.阴天时，入射通量多为散射且各向同性，太阳天顶角对反照率的影响很小；而晴天时，受积雪变性和太阳天顶角变化的共同影响，反照率日变化幅度较大，忽略反照率对太阳天顶角的影响会导致较大的辐射日循环和云强迫估算误差^[14].Pirazzini^[14]讨论了南极夏季内陆淡水冰和积雪表面的反照率日变化特征，并给出了简单参数化方案；Vihma^[5]简单讨论了南极夏季威德尔海冰积雪表面反照率日变化曲线.

本文基于2010年观测结果，首先分析了该年春夏过渡时期的南极中山站沿岸固定冰表面反照率及表面性质变化，探讨了雪厚、表面温度变化，降雪、吹雪等天气事件，云量等因子对反照率的影响.进而刻画了南极海冰积雪表面晴空反照率的日变化特征，并研究了太阳天顶角变化和积雪变性的叠加影响，提出了一个计算晴天时固定冰雪面反照率日变化的简单近似方法.

中山站位于东南极普里兹湾拉斯曼丘陵沿岸（69°22.17′S，76°22.38′E；图 1），沿岸海域有大量的冰山滞留.普里兹湾与南极其它海区一致，每年海冰覆盖范围9月达到最大，次年2月最小^[12].5月下旬至7月中旬为极夜时间，11月下旬至次年1月中旬则是极昼时间.

图 1

Fig. 1

图 1 中山站地图，“A”所示为冰上辐射位置 Fig. 1 Locations of fast ice radiation measurements around Zhongshan Stationin 2010

本文所用的逐日累积降雪量（水当量深度）观测数据来自俄罗斯进步2站气象台，该站离固定冰观测区约1500m；其他气象资料来自中山站气象观测站，该站离固定冰观测区约500m，海拔高度15m.本文采用南半球季节约定标准，即12月至次年2月为夏季，3至5月为秋季，6至8月为冬季，9至11月春季.观测期间，气温呈明显回升趋势，最低和最高气温分别达-36.9和5.9 ℃，12月3日最高气温首次超过0 ℃，12月7日日最高气温开始连续超过0 ℃（图 2a）.中山站空气干燥，各月平均相对湿度介于52%~62%之间（图 2b）；降水总量较少且都为固态降雪，除9月降雪量达到46.9 mm外，其他各月均不足21mm（图 2f）.8月平均风速最高，为8.0m/s，其余各月平均风速介于4m/s和6 m/s之间，观测期间的最高风速26.7m/s（图 2c）；中山站风向较为稳定，常年以东风和偏东风为主.气压也呈明显上升趋势，8月最低，12月最高，冬季气旋过境和降雪相对较多（图 2d）.观测期间，9月云量最多，11月云量最少，两个月份的平均云量分别是85%和56%；100%、50%以下及0%云量出现频率分别为34.8%，30.6%和16.2%（图 2e）.

图 2

Fig. 2

图 2 2010年8月1日-12月15日每小时表面气温Ta（a）、相对湿度Rh（b）、10m风速W10（c）、气压Pa（d）、逐日平均云量C（e）和逐日累积降雪量Sf（水当量深度；f）时间序列 Fig. 2 Time series of (a) hourly measured air temperature Ta, (b) hourly measured relative humidity Rh, (c) hourly measured wind speed W10, (d) hourly measured air pressure Pa, (e) mean daily observed cloudiness C, (f) daily solid precipitation Sf (in water equivalent depth) from 1 Aug. to 15 Dec. 2010

冰面向下、向上短波（Sw_in，Sw_out）和长波辐射通量（Lw_in，Lw_out）采用荷兰Kipp & Zonen公司生产的4分量辐射计（CNR4），短波、长波辐射表观测的波长范围分别为310~2800nm和4.5~42μm.辐射数据采样间隔均为1 min.为避免传感器与冰/雪面之间的多重反射，传感器安装在离冰面1.5 m高度处的水平支架上.在天气允许的情况下，每天12:30~13:00（本文时间均指当地时）都对观测仪器和安装支架进行维护，确保支架稳定、水平，以及传感器镜面没有被污染等.由于中山站天气干燥、降雪量较少且风速较大，观测期间很少出现传感器镜面被雪或霜粘附的情况.雪厚（H_s）测量于每天中午仪器维护时进行，测量精度约±0.2cm，同时使用一个带刻度的放大镜粗略测量表面雪颗粒大小.冰厚（H_i）观测每7~10天一次，测量精度约±0.5cm.雪厚和冰厚测量均采样3组取平均.反照率（α）通过计算向上和向下短波通量的比值求得，即

(1)

表面温度（T_s）由观测的向上长波辐射通量反演求得^[18]：

(2)

其中，σ是史蒂芬-玻尔兹曼常数（取σ=5.67× 10-8），ε是表面辐射率（取ε=0.98）.由于反照率在太阳天顶角过大、入射通量过低时观测误差较大^[14]，我们仅考虑了太阳天顶角小于80°的情况，即从2010年8月25日12:00开始.

图 3示出了2010年8月25日-12月15日的向下短波、向上短波、反照率、表面温度、雪厚和冰厚时间序列，向下、向上短波、反照率和表面温度间隔1min，雪厚为逐日观测结果，暴风雪等恶劣天气时缺测；冰厚观测为每7~10天一次的观测结果.

图 3

Fig. 3

图 3 2010年8月25日-12月15日的向下短波Swin（a）、向上短波Swout（b）、反照率albedo（c）、表面温度Ts（d）、雪厚Hs（e）和冰厚Hi（f）观测时间序列 Fig. 3 Time series of (a) incoming shortwave radiation Swin, (b) out going shortwave radiation Swout, (c) albedo for solar zenith angles less than 80°, (d) Surface temperature Ts, (e) daily snow thickness Hs, and (f) daily ice thickness Hi from Aug.25toDec.15, 2010

观测期间，响应于春夏过渡的季节变化，Sw_in和Sw_out都有显著的增加趋势，两者的最大值分别达到1286.0 W/m²和724.2 W/m²（图 3（a、b））.表面温度也有显著的增加趋势（图 3d），日平均温度最低-26.0 ℃，最高-0.2 ℃，其中12月3日起最高表面温度达到0 ℃.平均雪厚4.0 cm，多数时间低于2 cm，仅在9月15-27日及11月3日超过10 cm，对应极大值分别是29.0和15.0 cm.虽然有时积雪很薄，但测站表面没有出现过全是裸海冰的情况（图 3e）.冰厚在8月28日为134±2 cm，9月中旬至10月下旬的增长速度较快，至11月10日增长到176±2 cm；之后保持基本稳定，12月8日的冰厚为173±2 cm（图 3f）.

为了尽量减少太阳天顶角的影响，以每日12点反照率为例分析反照率的逐日变化.观测期间平均反照率为0.70，随着气温升高、表面渐近融化，反照率呈显著减小趋势，平均反照率从9月的0.80下降到12月的0.62.高反照率多出现在降雪、吹雪过程中或积雪厚度较厚时，共有26天的反照率高于0.8. 9月13-28日陆续发生几次降雪/雪暴天气过程，期间积雪较厚，反照率均接近或高于0.8，特别是9月14-17日反照率超过0.9，最大值0.95出现在9月15日（图 3c），对应29cm的新雪层（29cm），雪粒径小于1mm；由于表面气温远低于0 ℃（图 2a），9月18日雪面形成一层硬壳，反照率相应减小至0.81，直至9月24日1cm的新雪使反照率增加至0.86；9月25-28日，表面积雪变硬，反照率介于0.76~0.83.9月28-29日大风将积雪几乎完全吹走，30日反照率减小至0.68.对应2.0~4.0cm的新干雪，10月14日和15日的反照率分别达0.90和0.83（图 3c）.11月1-2日出现较强的降雪过程，反照率达0.89；11月3日，降雪停止，天空有50%的云量，虽然表面仍有15cm新雪，但反照率减小至0.79.

观测期间有24天反照率低于0.6，多对应很薄的硬雪或融雪表面（0~1cm）.10月1-8日无降雪过程，表面0~1cm硬雪，晴空（少云）/阴天下的反照率分别是0.58~0.60和0.62~0.65.11月12-23日，测站表面0~1cm薄湿雪层，雪粒湿、圆，颗粒大小1~3 mm，晴空/阴天时的反照率0.51~0.54和0.56~0.63.12月6-13日的日平均表面气温高于0℃，表面积雪和海冰处于融化状态，表面有0~1cm薄湿雪层；除12月9日的小雪使反照率增加至0.70外，12月6-15日晴空/阴天时的反照率分别为0.50~0.51和0.54~0.63，最小值0.46出现在12月12日下午（图 3c）.

目前，气候模式中使用了多种复杂度的雪/冰反照率参数化，少数几个比较复杂的参数化考虑了雪厚、冰厚和表面温度的影响；前人研究表明，当新冰生成、冰厚较小时，反照率随冰厚增加而迅速增大，而当冰厚超过0.8 m时冰厚变化对反照率的影响可忽略不计^[19-20].为了分析雪厚和表面温度变化对反照率的影响程度，计算了观测期间的相关系数；由于雪厚观测均在中午进行，同时为了尽量减少太阳天顶角的影响，反照率和表面温度均取当日12时结果.反照率和雪厚呈正相关，且相关系数较高（0.61），这同前人研究结论一致^[21].观测期间反照率同表面温度呈负相关，但相关系数仅有-0.28；11月1日之后，随着表面温度的逐渐升高和次表面融化的开始，二者的相关系数达-0.50，这是由于随着Ts逐渐升高接近融点，雪颗粒半径增大，且随着积雪融化，表面液态水含量显著增大，增强了对红外、近红外光的吸收，进而减小了表面反照率^[14].我们认为11月10日开始的反照率迅速减小（图 3c）是由表面融化开始引起的.

进一步使用偏相关确定表面温度和雪厚对反照率的相对影响.去除雪厚或表面温度后，反照率和表面温度或雪厚的偏相关系数分别是-0.31、0.62；11月1日之后，偏相关系数分别是-0.46、0.75.这表明，表面温度仅对融化前期的反照率有较大影响，干雪期反照率对表面温度并不敏感；雪厚比表面温度对反照率的影响更大，需要在反照率参数化方案中考虑进来.

降雪、吹雪（大风）等天气事件可通过改变表面积雪性质对反照率产生显著影响^[15].降雪增加雪厚，还使表面覆盖了细小的积雪颗粒，两者均导致反照率显著增加.我们统计了2010年观测期间降雪时的反照率相对降雪前、晴天（或少云）时的反照率变化（为了去除反照率日变化的影响，以12时为例）：有14组降雪个例，降雪时的反照率增量从0.13到0.29不等，平均增加0.18.2010年8-12月，中山站共计出现降雪天数达67天，占总天数的44.7%，说明虽然南极大陆沿岸地区降水总量较少，但较多的降雪过程会对反照率产生较大影响，因此需要在反照率变化中加以考虑.相比之下，现场观测表明，吹雪（大风）可能使表面雪厚增加、表面积雪粒径减小，但也可能将表面积雪全都吹走，因此对反照率的影响较为随机，存在使反照率显著增加或显著减小两种可能性，不易在参数化方案中考虑.

云层可吸收太阳光中的近红外辐射，而雪、冰对近红外波段的吸收较强，故阴天时的反照率要高于晴空^[21].我们统计了相似冰雪表面在相邻晴（或少云）、阴天的反照率变化（仍以12时为例），计有9组个例；阴天均高于晴天反照率，增量从0.03到0.09不等，平均增加0.06.Grenfell和Perovich^[13]研究指出，阴天时的反照率要比晴空高5%~10%，Brandt^[22]认为阴天时的南极海冰干雪和湿雪反照率分别比晴天时的反照率高0.07和0.06，我们的观测数据与这些研究结果一致.2012年8-12月中山站阴天的出现频率占34.8%，阴天对反照率的影响也应被考虑进参数化方案中.

除反照率的逐日变化外，叠加于反照率变化的还包括日循环变化.观测表明，晴天或少云时的固定冰雪面反照率存在显著的日变化特征，日变化幅度可达0.20以上（图 2c），同整个观测期间的平均反照率变化幅度相当.这是太阳天顶角和表层冰雪变性共同作用的结果.我们分别以2010年11月4日/ 5日，11月29日/30日，11月17/18日为例，分析了晴空下厚干雪（Hs≥3cm），薄干雪（Hs<3cm）和湿雪的情况，3组个例的雪厚为5.7cm/5.3cm，1.0cm/1.0cm及0.2cm/0.2cm，日最大表面温度为268.0K/265.9K，268.2K/268.9K和270.6K/ 271.4K，代表了尚未发生显著变性的情况（图 4）.

图 4

Fig. 4

图 4 反照率日变化曲线，左侧为上午值，右侧为下午值；6条黑色直线段是方程（3）-（5）的计算结果 Fig. 4 Daily albedo cycle over fresh snow surface. (left) Morning values and (right) afternoon values. The 6 straight solid lines are calculated from equations (3)-(5). The blue, green, and red group represent thick dry snow (Hs < 3 cm), thin dry snow (Hs≥3 cm) and wet snow, respectively

6条反照率曲线表现出相似的变化特征，凌晨反照率最高，上午的反照率随太阳天顶角呈准线性递减，下午的反照率则几乎没有变化，最小值均出现在下午.Pirazzini等^[18]和Vihma等^[5]分别在波罗的海和南极威德尔海观测到类似的冰上雪面反照率日变化曲线.随着夜间冷却，冻雪表面覆盖有一层细小的高散射性晶粒，前人研究指出，即使很薄的一层高散射颗粒也能明显减少入射光的穿透深度，进而显著增加表面反照率^[15]，故反照率最高值均出现在凌晨.随着时间推移，表面小晶粒在上午后期逐渐融化，湿雪颗粒出现，相应地，反照率在上午均以约0.006/°的速率随太阳天顶角准线性递减.上午的反照率变化速率同波罗的海观测结果（0.005/°）^[18]相当，但比南极内陆冰观测结果（0.01/°）偏低，比南极内陆干雪结果（0.003/°）^[14]偏高，反映了海冰、内陆冰雪表面的不同属性.下午的反照率则变化较小，且主要取决于雪层厚度，11月4/5日反照率最高，11月29/30日次之，11月17/18日最低.反照率变化在上、下午并不对称，这是太阳天顶角和积雪变性共同作用的结果：太阳天顶角对反照率的影响是产生上午下降、下午回升的U型反照率日变化，但积雪内部融化和水分输送过程使雪颗粒在下午变圆变大，热传导促使表面下的积雪冷却，但冷却速度比辐射加热慢，增大的雪晶颗粒得以保持到下午很晚的时间.积雪变性过程倾向于减小反照率，进而推迟了太阳天顶角使反照率在下午回升的时间^{[5, 14]}；其中，湿雪表面由于蕴含的水分较多，其变性增大的雪晶颗粒持续时间最长，因此反照率的回升最晚（图 4红线）.

前人研究指出，忽略反照率对太阳天顶角的影响会导致较大的辐射日变化和云强迫估算误差；但由于雪晶形状和大小通常未知，对反照率和太阳天顶角的函数关系，目前仍缺少比较成熟的处理办法，气候模式使用的反照率参数化方案都没有考虑太阳天顶角变化的影响^{[16, 21]}.我们通过如下参数化对雪面反照率日变化作了简单近似，分成3种情况：对厚干雪（Hs≥3cm），

(3)

对薄干雪（Hs<3cm），

(4)

对湿雪，

(5)

其中，αsm和αsa分别指上午和下午的反照率，z是太阳天顶角（度数），线性方程给出了z<80°时的晴天反照率变化.图 4示出了参数化和观测结果的对比；各曲线的中间空白是由于正午时刻的太阳天顶角高于45°的缘故.方程（3），（4）和（5）在6个晴天的均方根误差（RMSE）分别是0.04，0.06，0.04，0.07，0.10和0.03；相比之下，若反照率选为常数，如Brandt等^[22]给出的南极海冰反照率特征值，即晴天时干雪0.81、湿雪0.75，则相应的RMSE达0.24，0.22，1.00，0.97，1.42和1.49，说明常数反照率将会导致显著高估，特别在太阳辐射最强的近中午时间，这给表面辐射平衡计算带来很大偏差.反照率日变化受太阳天顶角、积雪变性、雪晶形成/升华等因素的共同影响，由于没有雪/冰颗粒大小或密度的精确测量，作为一个简单近似，方程（3）-（5）通过反照率和太阳天顶角的线性函数隐式考虑进了积雪变性的影响，可应用于冰面积雪尚未发生显著融化的情况.

基于2010年春季（8月25日-12月15日）南极中山站沿岸固定冰观测结果，本文首先结合反照率及表面属性变化，探讨了影响固定冰反照率的关键因子.响应于春夏过渡的季节变化，观测期间的表面反照率变化呈显著下降趋势，平均反照率从9月的0.80下降到12月的0.62.基于相关和偏相关分析确定雪厚和表面温度对反照率变化的影响程度，结果表明，雪厚是影响反照率变化的重要因子，表面温度仅对融化渐进期的反照率有一定影响，对干雪期反照率并不敏感.除通过改变表面雪厚间接影响反照率外，降雪、吹雪（大风）等天气事件也通过影响表层的雪粒属性改变反照率.降雪时的反照率比其发生前后平均增加0.18.通过吸收同样易被雪、冰吸收的近红外辐射，阴天也能导致0.06的反照率增加.由于南极大陆沿岸地区降雪及阴天出现次数较多，因此需要在局地反照率参数化中考虑进它们的影响.吹雪对反照率的影响则比较随机，存在使反照率显著增加或显著减少两种可能性，很难考虑到参数化方案中.

观测期间的反照率日变化幅度可达0.20以上，同整个观测期间的平均反照率变化数值相当.结合3组（6天）典型个例分析了厚干雪，薄干雪和湿雪的情况.6天的日变化曲线比较相似，反照率最大和最小值分别出现在凌晨和下午，上午反照率以大约0.006/°的速率随太阳天顶角增加而递减，下午反照率则变化很小，且主要取决于积雪厚度大小.太阳天顶角的日变化使反照率产生上午下降、下午回升的日循环变化，但白天的积雪变性过程使反照率减小，并推迟了反照率在下午回升的时间.我们提出了一组表述厚干雪，薄干雪和湿雪反照率日变化的参数化公式，通过太阳天顶角的线性函数隐式考虑进了积雪变性的影响.相比常数反照率方案，这组参数化有效改进了对反照率日变化的估算.这组公式是否也适用于其他时间尚未经历显著变性过程的积雪表面，我们将通过后续工作加以验证.

最后需要指出的是，以上工作都基于2010年春季观测结果，所作分析和结论有一定的局限性，如没能给出裸海冰的反照率变化特征.目前，中山站沿岸固定冰辐射观测仍在继续进行中，我们将在今后加入更多的自动观测参数（如雪厚、冰厚、表面温度等），以获取更长、更为连续的时间序列变化，并进一步评估反照率参数化，特别是考虑进雪厚和冰厚变化的复杂参数化方案在南极沿岸固定冰区的表现.

国家海洋局极地考察办公室和中国第26次南极科学考察中山站越冬队提供现场支持，中国气象科学研究院提供中山站气象观测资料，俄罗斯进步2站提供降雪观测资料，谨致谢忱.