氣候變化對南極冰面湖的影響研究：以埃默里和拉森A冰架為例

王輝 盧善龍 丁俊 邱玉寶 唐海龍,3 閆強

(1 湘潭大學(xué),土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105;2 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,中國科學(xué)院數(shù)字地球重點實驗室,北京 100101;3 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610059;4 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037)

提要 冰面湖作為區(qū)域氣候變化的靈敏指示器,對研究全球氣候變化背景下南極冰凍圈的穩(wěn)定性具有重要意義。本文基于2000—2019年區(qū)域氣象數(shù)據(jù)、Landsat ETM+/OLI 影像與LIMA(Landsat Image Mosaic of Antarctica)鑲嵌影像,選取東南極的埃默里冰架和西南極的拉森A冰架作為研究區(qū),采用歸一化水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index,NDWI)提取冰面湖面積信息,對冰面湖面積與氣象數(shù)據(jù)開展遙相關(guān)分析,探索冰面湖與區(qū)域氣候變化的聯(lián)系。結(jié)果表明:埃默里冰面湖總面積較為穩(wěn)定并有減小趨勢,拉森A冰面湖總面積則呈增加趨勢;冰面湖與氣溫和海溫之間存在正向反饋特征;兩個冰架區(qū)域的反饋特征規(guī)律明顯不同,埃默里冰面湖面積受氣溫影響顯著,但受海溫影響并不明顯,而拉森A冰面湖則對海溫變化敏感,其面積與海溫變化趨勢一致。

0 引言

聯(lián)合國氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)《第五次氣候變化評估報告》指出,以全球氣候變暖為主要特征的氣候變化已成事實,在1880—2012年間,全球陸地平均氣溫上升了0.65～1.06℃,2016—2035年預(yù)計將上升0.3～0.7℃,2081—2100年將上升0.3～0.7℃[1]。在氣候變化模式RCP 8.5(Representative Concentration Pathway)情景下,未來100年全球平均氣溫將升高3.7℃[2]。預(yù)計2300年南極冰蓋融化對海平面上升的貢獻為3～10 m[3-4]。Bronselaer 等[5]認為,在RCP 8.5 情景下,若加入冰蓋融化的影響,超過全球大氣變暖平均值(1.5～2.0℃)的時間將往后推遲10 a以上。據(jù)世界冰川監(jiān)測服務(wù)處(World Glacier Monitoring Service,WGMS)公布的數(shù)據(jù)顯示,伴隨全球氣溫上升,從2000年開始,全球所有冰川冰蝕率平均值已達0.5 m·a–1,與20世紀80年代相比提升了2倍。美國宇航局下屬噴氣推進實驗室對1996—2005年格陵蘭島進行了研究,結(jié)果指出冰川融化速度逐年加快,在2005年一年中格陵蘭島的冰川融化量是10年前的兩倍[6]。世界自然基金會(World Wide Fund for Nature,WWF)的一份報告顯示,隨著氣候變暖不斷加速,青藏高原的變暖速率也在不斷加快,自20世紀50年代以來,年平均氣溫有顯著上升趨勢,在1961—2007年,年平均氣溫的上升速率為0.37℃·(10a)–1,而且冷季溫度上升加速度要大于暖季[7],1990—2010年,青藏高原冰湖數(shù)目增加了1 099個,面積從553.9 km2增加到682.4 km2[8],這與氣候變化趨勢相符。

南極獨特的自然條件使其成為對全球氣候變化最為敏感的指示器,科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)從20世紀50年代到20世紀末這40 多年里,南極地面平均溫度上升了2.5℃,這與全球氣候變暖同步[9-10]。冰架是南極冰蓋邊緣最為顯著的物質(zhì)交換區(qū),同時也是南極冰蓋邊緣最為活躍的特征區(qū),它們的動態(tài)變化對南極乃至全世界都有著深刻影響。冰架表面融水流經(jīng)冰蓋會形成冰面湖,而冰面湖可能引發(fā)冰架的崩解[11],這使得冰面湖成為冰蓋響應(yīng)氣候變化的一個日益重要的因素[12]。拉森B 冰架(Larsen B Ice Shelf)崩解后其所對應(yīng)的補給冰川流速明顯加快,該冰架表面的冰面湖已經(jīng)成為儲存融水破壞性的象征[13]。在氣候變暖情況下,隨之增加的冰面湖加速了南極未來冰量的損失[14]。隨著全球范圍的氣候變暖,越來越多的冰面湖將在南極冰架表面形成[15],南極冰面湖的關(guān)注度也在不斷提高。Bell 等[16]研究了冰面湖與南極冰蓋質(zhì)量平衡間的關(guān)系,DeConto和Pollard[17]的研究模型顯示南極冰面湖有很大可能會造成冰架邊緣的坍塌,Stokes 等[18]利用2017年的遙感影像分析得到東南極冰面湖的大致分布,Langley 等[19]對南極東部朗霍夫德冰川冰面湖進行了研究,結(jié)果顯示冰面湖是東南極冰川動力學(xué)的重要部分,LaBarbera和MacAyeal[20]則通過構(gòu)建模型探討了西南極喬治六世冰架與接地線運動之間的聯(lián)系?？偟膩碚f,南極冰面湖的研究多集中在冰川動力學(xué)和冰架崩解等方面,對冰面湖關(guān)于氣候變化的響應(yīng)關(guān)注較少。

東南極最大的埃默里冰架(Amery Ice Shelf)是區(qū)域內(nèi)重要的冰流入?？?也是與南大洋主要的熱量與物質(zhì)交換區(qū)。南大洋氣候變化會對埃默里冰架產(chǎn)生重大影響,同時,埃默里冰架的融冰狀態(tài)也可能會潛在影響海平面上升[21],而冰面湖作為冰蓋反饋氣候變化的重要組成部分,會影響冰蓋上的冰融化和冰流,并可能導(dǎo)致冰架解體。拉森A冰架(Larsen A Ice Shelf)位于西南極的南極半島上,是西南極冰蓋的重要組成部分。目前南極冰蓋融化的主要因素依然存在爭議,本文以埃默里冰架和拉森A冰架為例,研究南極冰面湖的變化特征及其影響因素,這對于理解南極冰川與區(qū)域氣候以及南極冰川與海洋環(huán)境間的相互作用關(guān)系具有重要意義。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

埃默里冰架(63°E～74°E,68°S～73°S)位于東南極北查爾斯王子山與拉斯曼丘陵之間,地勢較高,平均海拔約2 500 m。冰架長約500 km,寬在50～100 km 之間,面積約 71 260 km2,厚度在300～2 500 m 之間[22],與蘭伯特冰川(Lambert Glacier)組成的蘭伯特冰川-埃默里冰架系統(tǒng)(Lambert Glacier-Amery Ice Shelf System)是東南極地區(qū)最大的冰流冰架系統(tǒng)。埃默里冰架外延長度只占整個南極洲海岸線的1.7%,但冰流量卻占東南極的14%[23]。由于夏季埃默里冰架冰面湖集中于冰架西部,故本文冰面湖數(shù)據(jù)主要取自該冰架西部。拉森A冰架(59°W～61°W,64°S～65°S)位于威德爾海西北部(Northwest Weddell Sea),接近于南極半島的頂端,除極少數(shù)裸露的巖石之外,幾乎完全被永久性積雪和冰川所覆蓋。拉森A冰架于1995年1月發(fā)生崩解,研究區(qū)為拉森A冰架崩解后的區(qū)域范圍,面積約700 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)分布圖.底圖為南極洲陸地衛(wèi)星鑲嵌圖LIMA,長城站位于拉森A 西北部南設(shè)得蘭群島喬治王島上,中山站位于埃默里冰架拉斯曼丘陵上(圖中紅點位置),放大圖中的紅色方框部分為精度驗證樣本分布的位置Fig.1.Location of study area.The base image is LIMA,a Landsat Image Mosaic of Antarctica.Great Wall Station is located on King George Island in the South Shetland Islands northwest of Larsen A,and Zhongshan Station is located on the Larsemann Hills of the Amery Ice Shelf (red dot).The red box in the enlarged figure shows the location of the sample distribution for accuracy verification

研究數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星影像、氣溫以及海溫。影像數(shù)據(jù)用于提取冰面湖面積信息,影像包括南極洲陸地衛(wèi)星鑲嵌圖LIMA(Landsat Image Mosaic of Antarctica)[24]和Landsat ETM+(Enhanced Thematic Mapper)/OLI(Operational Lander Imager) 15 m分辨率影像。LIMA 影像由超過1 000 景成像于1999—2003年間的陸地衛(wèi)星ETM+影像鑲嵌而成,這些影像在南極洲上空拼接成一幅幾乎無云的影像。LIMA 有真彩色組合與假彩色組合兩種,空間分辨率均為15 m。本文因使用歸一化水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index,NDWI)方法提取水體,故下載的影像為假彩色組合。冰面徑流特征通常比其周圍冰的顏色更深更藍,利用LIMA 影像可明確識別冰面湖徑流。Landsat為美國國家航天局(NASA)的陸地衛(wèi)星,Landsat-7 衛(wèi)星上的Landsat 增強型專題制圖儀(ETM+)傳感器以16天為重復(fù)周期自1999年7月以來幾乎連續(xù)獲得了全球的影像。Landsat-7 ETM+影像由8個光譜段構(gòu)成,1～7波段的空間分辨率為30 m,全色波段8的分辨率為15 m。所有的頻段均可以采集兩種增益設(shè)置(高或低)中的一種,以達到提高輻射敏感度和動態(tài)范圍的目的,其中第6波段可以采集所有場景的高低增益。每景影像的圖幅近似大小為南北長170 km,東西長183 km。Landsat-8在 2013年 2月 11日發(fā)射升空,攜帶有OLI(Operational Land Imager,陸地成像儀)和TIRS(Thermal Infrared Sensor,熱紅外傳感器)兩個主要載荷。其中OLI 由科羅拉多州的鮑爾航天技術(shù)公司研制,TIRS 由NASA的戈達德太空飛行中心研制。

冰架表面融化多發(fā)生在南半球的夏季,為避免云、極夜等不利因素的影響,數(shù)據(jù)獲取時間為每年的1—2月。另因2000—2003年、2011年和2013年Landsat 受云量影響較大,缺少有效的影像數(shù)據(jù),導(dǎo)致這6年的數(shù)據(jù)缺失,所以本文搜集了埃默里冰架2004—2010年、2012年Landsat-7 15 m 分辨率的數(shù)據(jù)影像,以及2014—2019年Landsat-8 15 m 分辨率的數(shù)據(jù)影像。受云量等因素影響,本文只搜集到拉森A冰架2003—2008年、2012年和2016年的影像,其中2003年數(shù)據(jù)是利用LIMA 影像提取獲得,2005—2008年和2012年為Landsat-7 影像,2016年為Landsat-8 影像,為方便研究,本文將 2003年的冰面湖面積看做1999—2003年間冰面湖面積的平均值。

一年中若出現(xiàn)多景質(zhì)量較好的影像,選擇冰面湖面積最大的影像為研究數(shù)據(jù)。Landsat 系列影像數(shù)據(jù)通過美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS)的官方網(wǎng)站(http://earthexplorer.usgs.gov/)獲得,LIMA 影像通過網(wǎng)站(https://lima.usgs.gov/)獲得。具體如表1所示。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)Table1.Remote sensing image data

氣溫與海溫在氣候變化中扮演著重要角色,在當(dāng)前全球變暖的趨勢下,氣溫的升高正導(dǎo)致南北極冰川融化加劇[25],而海溫的變化則可反映海洋對大氣和陸地的影響[26]。本研究選用氣溫與海溫兩項指標(biāo)來分析氣候變化背景下冰面湖的變化與大氣系統(tǒng)和海洋系統(tǒng)之間的關(guān)系。其中,氣溫數(shù)據(jù)選用2000—2019年中山站(海拔18 m)與長城站(海拔10 m)的地面氣象站氣溫數(shù)據(jù),用于區(qū)域氣候變化分析。中山站的氣象數(shù)據(jù)最初是人工觀測,在2002年之后有線遙測自動觀測系統(tǒng)被用于氣溫等氣象數(shù)據(jù)的觀測。其中,月平均數(shù)據(jù)由日平均數(shù)據(jù)計算得到,而日平均數(shù)據(jù)采用國際標(biāo)準(zhǔn)時,即通過每天的00:00、06:00、12:00 以及18:00的觀測數(shù)據(jù)得到。長城站自建立之后,其數(shù)據(jù)就被一些學(xué)者作為研究南極半島氣候變化的重要參考[27-28]。文中所用氣象站數(shù)據(jù)通過由南極科學(xué)委員會資助的READER數(shù)據(jù)庫獲得[29]。海溫數(shù)據(jù)選用美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)地球系統(tǒng)研究實驗室(Earth System Research Laboratory)物理科學(xué)部(Physical Sciences Division)的COBE-SST2 數(shù)據(jù)集(2000—2017年兩個冰架區(qū)域的海表面溫度數(shù)據(jù))。COBE-SST2 數(shù)據(jù)源為日本海洋資料中心(Japanese Oceanographic Data Center)的監(jiān)控數(shù)據(jù),空間分辨率約100 km。該數(shù)據(jù)集通過估算全球平均海表溫度長時間序列的偏差,對海表面溫度進行了修正[30-31]。數(shù)據(jù)使用前根據(jù)研究區(qū)范圍進行了裁剪和均值處理。

2 研究方法

2.1 冰面湖邊界提取

在每年的1—2月的南極冰蓋消融期,冰架表面分布著大量的消融中的冰、雪,以及被水體滲透而產(chǎn)生的藍冰。在近紅外波段,水體有極低的反射率,而在藍綠波段水體卻有極高的反射率,所以本文使用歸一化水體提取指數(shù)NDWI 提取水體,公式如下:

式中,Band1為綠色波段,Band2為近紅外波段,兩者在經(jīng)過全色波段與多光譜波段的融合后,空間分辨率由原先的30 m 提高到了15 m。閾值的選擇通過參考相關(guān)文獻資料和提取效果最終確定[18],每年的具體閾值見表1。

因研究區(qū)域沒有更高分辨率衛(wèi)星遙感影像可供使用,本文采用目視對比方法對遙感提取的水體結(jié)果進行了對比。樣本以分布在冰架不同區(qū)域為原則,分別從兩個冰架隨機抽取了不同形狀冰面湖12 組。直觀目視比較結(jié)果表明,利用水體指數(shù)提取的冰面湖冰水邊界與人工目視解譯的結(jié)果具有較好的一致性(圖2)。面積統(tǒng)計對比結(jié)果表明,遙感提取的冰面湖面積的總體精度為0.948(表2),其中:

目視解譯是指憑借人的眼睛或光學(xué)儀器,依靠解譯者的經(jīng)驗、知識和相關(guān)資料,通過分析、推理、判斷,提取遙感圖像中有用的信息的遙感圖像解譯手段,是地學(xué)研究和遙感應(yīng)用的一項基本技能,該方法優(yōu)點在于能夠獲得較高精度的數(shù)據(jù),缺點是操作繁瑣,耗時長。本文中總體精度是指12 組樣本重合區(qū)域之和與目視解譯結(jié)果之和的比值。

圖2 NDWI 結(jié)果與目視解譯結(jié)果對比Fig.2.NDWI results were compared with visual interpretation results

表2 NDWI 結(jié)果與目視解譯面積對比Table2.Comparison of NDWI results with visual interpretation area

2.2 冰面湖面積統(tǒng)計

對二值化后(這里是指圖像的二值化)的研究區(qū)域影像進行預(yù)處理,得到冰架冰面湖區(qū)域矢量圖。格式轉(zhuǎn)換后,通過統(tǒng)計冰架研究區(qū)域的像元面積和像元數(shù)量,就可以得到每一年冰架的冰面湖面積。通過分析統(tǒng)計每一年的冰面湖面積值,可以獲得冰架表面冰面湖的動態(tài)變化情況。

2.3 相關(guān)性分析

分別對埃默里冰架與拉森A冰架冰面湖數(shù)據(jù)、氣溫數(shù)據(jù)、海溫數(shù)據(jù)進行時間序列分析,總結(jié)兩區(qū)域冰面湖變化特征,分析區(qū)域氣候變化規(guī)律,并利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)將冰面湖數(shù)據(jù)分別與氣溫數(shù)據(jù)、海溫數(shù)據(jù)進行遙相關(guān)分析,探討氣候變化與冰面湖之間的聯(lián)系。皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算如下:

式中,X、Y代表輸入變量,E為數(shù)學(xué)期望,D為方差,Cov(X,Y)為兩個變量的協(xié)方差。

3 氣候變化對冰面湖的影響分析

3.1 氣溫變化

冰面湖的形成多發(fā)生于1—2月,本文著重分析1—2月的氣溫變化。利用中山站與長城站2000—2019年1—2月的地面站氣溫數(shù)據(jù),計算得到每年1—2月的平均溫度值并繪制曲線圖。圖3顯示,2000—2019年間,中山站月均氣溫最低的年份發(fā)生于2000年,為–3.1℃,月均氣溫最高的年份則為2003年,溫度0.05℃。2000—2003年,氣溫有明顯上升趨勢,2003年后氣溫開始下降,直至2008年,氣溫達到–2.45℃,下降趨勢消失,并出現(xiàn)為期4年的波動。2011—2015年,氣溫逐漸上升,直至2015年,氣溫再次出現(xiàn)波動,但在2011年之后,最低氣溫下限一直在上升,這表明該區(qū)域氣溫總體呈上升趨勢。圖中趨勢線為該區(qū)域氣溫的二次多項式擬合,二次項系數(shù)為負,開口向下。趨勢線顯示該區(qū)域在2000—2019年,氣溫存在上升趨勢,但增速趨緩。需要說明的是,文中圖3—圖8中的趨勢線都為數(shù)據(jù)的二次多項式擬合。

長城站氣溫1—2月月均氣溫有輕微降低趨勢(圖4),但下降速度趨緩。2000—2009年氣溫呈階段性上升,2010年可能經(jīng)歷了極端天氣,氣溫出現(xiàn)短暫的急劇下降,達到這 20年來最低值0.35℃,在2011年回暖之后,氣溫再次出現(xiàn)波動。趨勢線二次項系數(shù)為正,開口向上,同樣在2010年出現(xiàn)最低值,趨勢線總體顯示該區(qū)域氣溫存在先減小后上升的趨勢。

圖3 中山站2000—2019年1—2月月均氣溫變化Fig.3.Average temperature change at Zhongshan Station from January to February of 2000—2019

圖4 長城站2000—2019年1—2月月均氣溫變化Fig.4.Average temperature change at Great Wall Station from January to February of 2000—2019

3.2 海溫變化

2000—2017年埃默里冰架海域1—2月月均海溫呈上升趨勢(圖5),2007年為月均海溫最低的一年,只有–1.843℃,最高的月均海溫發(fā)生在2017年,為–1.712℃。2000—2007年,氣溫一直在上下波動,周期約為3—4年。2008—2017年,除2011和2014年海溫有所下降外,其余年份皆上升。圖5中趨勢線二次項系數(shù)為正,且整體同樣呈上升趨勢。拉森A區(qū)域海溫上升趨勢也較為明顯(圖6),最低海溫出現(xiàn)在2000年,為–0.217℃,在經(jīng)歷2000—2006年的海溫快速上升后,2006年達到18年來最高月均海溫0.643℃,期間只有2004年有小幅度下降。2006—2012年,海溫經(jīng)歷了兩次下降,周期為3—4年。2013—2017年,海溫在經(jīng)歷2014年的短暫下降后再次回升。趨勢線二次項系數(shù)為負,開口向下,趨勢線顯示,在2009年前,該區(qū)域海溫增加趨勢較為明顯,增速較快,但在2009年后,海溫增速明顯減緩。

圖5 埃默里冰架海域2000—2017年1—2月月均海溫變化Fig.5.Average SST change on Amery Ice Shelf from January to February of 2000—2017

圖6 拉森A冰架2000—2017年1—2月月均海溫變化Fig.6.Average SST change on Larsen A Ice Shelf from January to February of 2000—2017

3.3 冰面湖面積變化

埃默里冰架2004—2019年冰面湖面積年際變化呈減少趨勢(圖7),其中2005年冰面湖面積最大,達1 219 km2,2005—2007年,面積出現(xiàn)明顯下降,2007—2012年,冰面湖面積一直維持在較低的水平,并有一定程度的下降。2012—2019年,冰面湖面積呈現(xiàn)一定的增加趨勢,2019年冰面湖面積再次突破1 000 km2,達到1 144 km2。圖7趨勢線二次項系數(shù)為正,開口向上,R2為0.4534,說明擬合較好,趨勢線顯示埃默里冰面湖面積先減后增,且在2012 后,變化速度有增加趨勢。2003—2016年,拉森A冰面湖面積整體呈增加趨勢(圖8)。2003—2006年,冰面湖面積有明顯的增加趨勢,2006年后,則開始下降,直到2012年下降趨勢趨緩,之后再次快速增加。圖8趨勢線二次項系數(shù)為正,開口向上,R2為0.332 6,趨勢線顯示拉森A冰面湖面積增加趨勢明顯,且增速可能會有所提升。

圖7 埃默里冰架2004—2019年冰面湖年際變化Fig.7.Annual variation of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf from 2004 to 2019

圖8 拉森A冰架2003—2016年冰面湖年際變化Fig.8.Annual variation of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf from 2003 to 2016

3.4 冰面湖面積變化與區(qū)域氣溫和海溫相關(guān)性分析

3.4.1 埃默里冰架

埃默里冰面湖面積與區(qū)域氣溫的相關(guān)性分析顯示,2004—2019年兩者變化趨勢并不完全相符(圖9),相關(guān)系數(shù)為0.377 52(圖10a)。2004—2012年,冰面湖與氣溫相關(guān)系數(shù)為0.214 36(圖10b),2010年后,冰面湖面積與溫度的變化高度一致,呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)0.786 87,達顯著水平(P=0.04<0.05)(圖10c)。2004—2017年,埃默里冰面湖面積與區(qū)域海溫一致性較差(圖11),相關(guān)系數(shù)只有0.004(圖12a),2004—2012年,兩者相關(guān)系數(shù)為0.051 36(圖12b),2012年后相關(guān)系數(shù)也只有0.003(圖12c),均未超過0.1。綜合以上分析,說明該冰架冰面湖對氣溫變化敏感,但與海溫間的關(guān)系并不明顯。

上述觀點也與Golledge 等[32]的認識一致,區(qū)域尺度的風(fēng)型和局部冰反照率可以很好地解釋這一現(xiàn)象[16,33]。在冰架接地線附近低海拔地區(qū),經(jīng)常受到來自冰蓋內(nèi)部的持續(xù)的下降風(fēng)影響,當(dāng)它向下吹時會使空氣變暖并與之混合,導(dǎo)致夏季近地表的溫度可能比冰上或冰下的地區(qū)高出3℃,接近地面的融水產(chǎn)量比其他地區(qū)高出一倍[18];另一方面低反照率的藍冰、冰原島峰和冰屑因太陽能吸收的增加而加速融化[34]。藍冰來源于雪的升華、融化以及風(fēng)蝕作用[35],并且通常與冰原島峰相鄰[36]。崎嶇的地形會產(chǎn)生疾風(fēng),而低反照率的巖石會使氣溫升高[37],冰融和風(fēng)蝕作用擴大了裸巖的面積,導(dǎo)致了升溫、冰融、裸巖和藍冰之間的耦合。但形成在基巖地形和冰流相互作用的地表洼地上的冰面湖[38],面積受非氣候變化因素影響,這可能使得2010年前后冰湖對氣溫變化的響應(yīng)產(chǎn)生差異。

海溫作用不能有效穿越冰架基底和邊緣可能是海溫與埃默里冰面湖相關(guān)性較差的重要原因。首先,埃默里厚厚的冰層會限制基底融化對冰面湖的影響,海水在冰架基底冷卻的過程中,隨著熱量與鹽分的析出會產(chǎn)生高鹽低溫的冰架水[39],這種水團溫度在–1.9℃以下,低于區(qū)域海溫[40],作為南極第三大灣的普里茲灣,其海灣地形雖然限制了冰架水與開闊海洋之間的交換,但也會促進上述過程[41];其次,因接地線附近的冰面湖沿排水系統(tǒng)向下流向冰架內(nèi)部,融冰的大量產(chǎn)生會使得冰架邊緣溫度下降[42],這會阻礙海溫透過冰架邊緣向冰架內(nèi)部傳導(dǎo)。

圖9 2004—2019年埃默里冰架冰面湖面積變化與區(qū)域內(nèi)1—2月月均氣溫變化對比Fig.9.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf and the average temperature in the region from January to February of 2004 to 2019

圖10 埃默里冰架冰面湖面積與區(qū)域內(nèi)1—2月月均氣溫相關(guān)性分析.a)2004—2019;b)2004—2012;c)2012—2019Fig.10.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf with average temperature in the region from January to February.a)2004—2019;b)2004—2012;c)2012—2019

圖11 2004—2017年埃默里冰架冰面湖面積變化與區(qū)域內(nèi)1—2月月均海溫變化對比Fig.11.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf and the average SST change in the region from January to February of 2004—2017

3.4.2 拉森A冰架

拉森A冰面湖與長城站氣溫數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明(圖13),2005—2008年,兩者雖存在短暫的一致,但兩條曲線變化趨勢總體存在較大差異,相關(guān)系數(shù)只有0.0140(圖14a)。2016年冰面湖數(shù)據(jù)與之前數(shù)據(jù)相差四年,所以在去除2016 數(shù)據(jù)后,再次進行相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)為0.370 56(圖14b),依舊為弱相關(guān)。拉森A冰面湖面積與1—2月月均海溫進行對比(圖15),在2003—2008年,兩者表現(xiàn)高度一致,雖然2009年冰面湖數(shù)據(jù)缺失，但可以發(fā)現(xiàn)2008—2012年海溫與冰面湖面積皆經(jīng)歷了先下降后上升的過程，同樣具有一致性，因2012—2016年，冰面湖面積數(shù)據(jù)存在缺失較多，所以該時段二者趨勢無法判斷。2003—2016年兩者相關(guān)系數(shù)為0.290 37(圖16a),但在2003—2012年兩者相關(guān)系數(shù)達到0.952 37(極顯著相關(guān),P=0.003<0.01,圖16b),說明拉森A冰面湖面積的變化主要受海溫變化的影響。

圖12 埃默里冰架冰面湖面積與區(qū)域內(nèi)1—2月月均海溫相關(guān)性分析.a)2004—2017；b)2004—2012；c)2012—2017Fig.12.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf with average SST in the region from January to February.a)2004—2017;b)2004—2012;c)2012—2017

拉森A 周邊海域水團眾多[43],而拉森A冰架作為海洋性冰蓋,會受到水團的劇烈影響。有研究表明拉森冰架融化與1970年以來威德爾海深層水變暖有關(guān)[44]。Nicholls 等[45]通過觀察冰架底部的流出物,推導(dǎo)出冰架水是改進的威德爾海深層水與大氣相互作用后冷卻至表面冰點的結(jié)果,這證明了溫暖的洋流可以進入冰架腔洞,進而加劇拉森冰架的融化。Nicholls 等觀察的流出物來自整個冰架,所以他們的推論是普遍適用的,從而在拉森冰架A和威德爾海洋條件之間建立起聯(lián)系,Holland 等[46]的模型也證明了這一點。除此之外,由地表融水融化冰架產(chǎn)生的熱鹽環(huán)流也會促進冰架的融化[47]。

圖13 2003—2019年拉森A冰架冰面湖面積變化與區(qū)域內(nèi)1—2月月均氣溫變化對比Fig.13.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf and the average SST change in the region from January to February of 2003—2019

圖14 拉森A冰架冰面湖面積與區(qū)域1—2月月均氣溫相關(guān)性分析.a)2003—2019;b)2003—2012Fig.14.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf with average temperature in the region from January to February.a)2003—2019;b)2003—2012

圖15 拉森A冰架冰面湖面積變化與區(qū)域內(nèi)1—2月月均海溫變化對比Fig.15.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf and the average SST change in the region from January to February of 2003—2017

南極半島周圍的冰架在最近幾十年不斷地后退,人們普遍認為與快速的大氣變暖有關(guān)[48],但拉森A冰面湖對區(qū)域氣溫變化并不敏感,這與南極西部松島冰川(the Pine Island Glacier)和斯韋茨冰川(Thwaites Glacier)的研究成果一致[16]。King等[49]就焚風(fēng)對拉森C冰架表面融化影響進行了研究,發(fā)現(xiàn)焚風(fēng)對冰架表面融化具有重要影響,而焚風(fēng)的強度由氣溫和相對濕度決定。說明氣溫對拉森A冰架表面直接影響較弱,但可與其他氣候因素綜合作用于冰面湖的形成。

圖16 拉森A冰架冰面湖面積與區(qū)域內(nèi)1—2月月均海溫相關(guān)性分析.a)2003—2016;b)2003—2012Fig.16.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf with average SST in region from January to February.a)2003—2016;b)2003—2012

4 結(jié)論與討論

本文利用中山站與長城站的2000—2019年氣溫、NOAA 2000—2017年海表面溫度數(shù)據(jù)以及遙感影像提取的冰面湖數(shù)據(jù),對埃默里冰架與拉森A冰架區(qū)域內(nèi)的氣溫、海溫、冰面湖變化進行了趨勢分析,在此基礎(chǔ)上分析了氣溫、海溫變化對冰面湖變化的影響。研究發(fā)現(xiàn)埃默里冰面湖對氣溫變化更為敏感,海溫在埃默里冰面湖形成中的影響卻并不顯著,這可能與南極東西部冰蓋下基巖地形的幾何形狀、冰層厚度的區(qū)域差異以及冰架水和融冰的綜合作用有關(guān)。拉森A冰面湖則相反,因為威德爾海深層水的存在而與區(qū)域海溫聯(lián)系較為密切,但其與區(qū)域氣溫的關(guān)系并不顯著。

埃默里冰架區(qū)域隨著氣溫上升,涌入普里茲灣的冰流和冰川融水將會增加,這很大程度會影響普里茲灣的熱鹽環(huán)流,使海溫下降,普里茲灣一直被認為是南極底層水的潛在生成地,普里茲灣海溫下降,很可能影響南極環(huán)流溫度,緩解氣候變暖。兩冰架區(qū)域海溫升高是整個南極周邊海溫升高的縮影,升高的海溫一方面會進一步促進海溫敏感區(qū)的冰川融化,加速海平面上升;另一方面通過與南大洋的物質(zhì)交換,對世界范圍的熱鹽平衡產(chǎn)生深遠影響。

由于南極影像數(shù)據(jù)的缺乏,本研究主要采用了中等分辨率的Landsat 影像和產(chǎn)品的冰面湖面積信息,未來將會綜合空間分辨率更高的Sentinel 10 m影像對冰面湖數(shù)據(jù)集進行延長,并嘗試尋找更多的遙相關(guān)證據(jù),探索氣候變化對冰面湖更為全面具體的影響機制。因為氣象觀測資料長度有限,區(qū)域氣候變化更為長期的變化規(guī)律以及對冰面湖變化的影響需要搜集更多資料做進一步研究,后續(xù)研究將使用更多的氣象資料,特別是再分析資料,并選擇更多的樣區(qū)來開展進一步工作。