气候变化是当今社会面临的一个严峻问题,南极地区对全球气候变化敏感,因此研究南极地区尤其是南极地区海冰变化对研究全球气候变化具有重要意义。目前对于南极地区海冰研究主要基于两点:首先是对南极地区海冰分布范围进行研究,其次是对固定冰的冰厚变化进行研究。对于海冰分布范围的观测主要依靠卫星等设备,而海冰生消过程的观测还主要依靠于人工现场观测。但由于南极地区条件恶劣,难以进行长期的人工观测,因此需要设计一种能够适应南极等气候条件恶劣的地区的冰厚自动检测设备。本文针对南极海冰厚度和积雪深度的连续自动化检测问题,针对性的设计了一种基于空气、积雪和冰盖温度梯度特性差异原理的冰雪环境检测系统。该系统可以对南极等地区的冰雪情等相关参数进行连续自动监测。研究内容与研究结果如下:(1)查阅文献总结与分析海冰的类型、形成过程以及基本物理特性。根据海冰与积雪的温度特性设计了一种可以实现对南极海冰厚度与积雪深度进行自动检测的冰雪情自动检测系统。(2)与国家海洋环境预报中心进行合作,在南极中山站附近普里兹湾海域布设了A1、A2、A3三套冰雪情检测传感器,运行时间长达220天,传感器每隔一小时采集一次数据,实时获取了被测点空气、积雪、海冰和海水的剖面温度数据。通过对不同介质剖面温度的分析,得到空气、积雪、海冰和海水的热传导特性差异。通过寻找合理阈值,编写MATLAB程序对海冰、积雪界面进行自动判断,从而可以得到整个实验期间的海冰厚度与积雪深度变化过程,并且与人工观测值进行比较,结果表明:传感器安装时间开始,海冰持续增长,10月开始海冰增长速度放慢,直至10月末达到最大海冰厚度170cm左右。A1、A2、A3传感器采集的冰厚值与人工观测值之间平均误差分别为5.1cm(A1)、3.4cm(A2)、3.6cm(A3);积雪深度的平均误差分别为3.2cm(A1)、3.5cm(A2)、2.7cm(A3),传感器测得的积雪、海冰厚度结果可以较好的体现出被测地点冰雪情的演变过程,该传感器可以应用于南极等条件恶劣地区,对冰雪环境进行长期有效的自动检测。(3)海冰的冻结过程主要是受气温影响,对海冰内部温度廓线进行分析认为:海冰温度会随着空气温度的波动发生变化,但波动性随着海冰厚度的增加而减弱,海冰较厚时,海冰底部随气温变化具有一定的滞后性,且冰厚越大,滞后性越明显。除此之外,积雪也会对海冰起到一定的保温作用。当无积雪覆盖时,海冰上表面温度基本与空气温度相同,但当海冰表面有较厚积雪覆盖时,海冰表面温度受空气温度变化影响程度降低。(4)本文基于“温度梯度法”,根据海冰内部温度及海冰厚度变化,计算并分析了海冰顶部与底部热传导通量,同时利用“剩余能量法”建立了冰层底部热量平衡关系并计算了冰底水热通量,并对海水热通量进行分析。其中冰底海水热通量主要受到冰底热传导通量与潜热通量影响。