威德爾海海冰年際變化特征

劉境舟 趙亮 王圣 白雨

研究論文

威德爾海海冰年際變化特征

劉境舟 趙亮 王圣 白雨

(天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院, 天津 300457)

南大洋海冰在全球氣候變化中扮演著重要的角色, 威德爾海作為南大洋最大的海灣更是研究南大洋海冰變化的熱點(diǎn)地區(qū)?；?993—2017年GLORYS12V1海冰密集度數(shù)據(jù), 分析了威德爾海海冰分布和25年間的海冰面積的年際變化特征。研究結(jié)果表明, 威德爾海海冰密集度分布具有較強(qiáng)的季節(jié)性, 威德爾海海冰在南極半島一側(cè)堆積的重要成因是風(fēng)場(chǎng)的分布差異, 毛德皇后地外海海冰向開闊大洋漂移進(jìn)而消融, 具有“西高東低、近岸高遠(yuǎn)海低”的空間分布特征。威德爾海海冰面積存在27個(gè)月、35個(gè)月、75個(gè)月和120個(gè)月的周期, 春、秋、冬三季海冰面積變化趨勢(shì)并不顯著, 夏季海冰面積增加趨勢(shì)顯著, 約為0.15×105km2·a–1。南極海冰面積的年際變化主要受到熱力學(xué)因素的影響, 海表溫度、氣溫和凈太陽短波輻射與海冰面積的27個(gè)月、35個(gè)月、75個(gè)月的周期存在關(guān)聯(lián), 海冰面積與氣溫和海表面溫度在春、夏、秋三季有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與凈太陽短波輻射在全年有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

威德爾海 海冰面積 海表面溫度 氣溫 凈太陽短波輻射

0 引言

南極是地球的最大冷源之一[1-2], 在全球冷熱循環(huán)中扮演著重要角色[3]。隨著全球氣候變化異常加劇, 南大洋逐漸成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)地區(qū)。海冰是形成極地冷源的關(guān)鍵因素[4-5], 也是地球表面最重要的覆蓋類型之一[6]。海冰覆蓋海域的反照率遠(yuǎn)高于開闊水域[7-8], 且能隔絕海洋向大氣的散熱效應(yīng)[9-10], 阻隔海氣間的水汽交換[11-12]。海冰生消時(shí)潛熱的改變影響著高緯度地區(qū)大氣的熱收支與全球海洋的底層水, 底層水的變化導(dǎo)致大尺度環(huán)流的變化[13],進(jìn)而影響全球生態(tài)系統(tǒng)[14-15]。因此研究南極海冰對(duì)于全球熱循環(huán)、氣候異常和生態(tài)系統(tǒng)都有重要作用。威德爾海是南大洋最大的海灣[16-17], 其海冰變化對(duì)南大洋整體有著很重要的影響[19], 研究威德爾海, 有助于更全面地認(rèn)識(shí)南大洋海冰變化。

威德爾海占有南大洋40%的海冰面積[19], 作為南大洋年際變化最明顯的海域之一, 威德爾海海冰變化對(duì)南大洋整體海冰變化影響顯著, 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)威德爾海海冰變化趨勢(shì)進(jìn)行了大量研究。沈春等[20]發(fā)現(xiàn), 威德爾海海冰面積在1979— 2012年間的年際變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 年變化率約為8.48×103km2·a–1; 沈校熠等[21]在對(duì)2002—2011年南極海冰變化的分析中發(fā)現(xiàn), 威德爾海海冰面積年變化率為0.64×104km2·a–1, 并呈現(xiàn)增加的趨勢(shì); 舒蘇[19]發(fā)現(xiàn), 在2011—2018年間, 威德爾海在1—8月份時(shí)海冰面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì), 在9—12月時(shí)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。在威德爾海海冰變化影響因子研究方面, 解思梅等[22]認(rèn)為威德爾海下降風(fēng)的分布差異是導(dǎo)致夏季威德爾海海冰融化差異的重要原因; 劉伊格等[23]發(fā)現(xiàn), 威德爾海海冰在1979—2014年間的運(yùn)動(dòng)速度加快導(dǎo)致了海冰輸出至緯度更低的海域, 使海冰覆蓋面積擴(kuò)大; 唐述林等[13]指出東風(fēng)會(huì)使海冰在威德爾海聚集, 威德爾回旋的北支會(huì)使海冰向北方漂移進(jìn)而形成開闊水域; 柯長(zhǎng)青等[3]發(fā)現(xiàn)月平均海冰面積的變化緊隨氣溫的變化, 氣溫和海冰面積的年際變化具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性; 舒蘇[19]發(fā)現(xiàn)威德爾海海冰面積的年際變化與輻射存在負(fù)相關(guān)關(guān)系; Weiss等[24]認(rèn)為相對(duì)溫暖的海域或新形成的海冰具有較低的反照率, 而相對(duì)寒冷的覆冰區(qū)反照率較高。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)威德爾海海冰密集度空間分布特征、海冰面積變化趨勢(shì)、氣候指數(shù)對(duì)威德爾海海冰影響以及對(duì)威德爾海海冰環(huán)境建模等方面展開研究, 對(duì)于大氣強(qiáng)迫對(duì)威德爾海海冰影響的關(guān)注較少。

當(dāng)前南極生態(tài)環(huán)境以及全球氣候?qū)δ蠘O海冰變化響應(yīng)的研究, 均對(duì)威德爾海海冰的年際變化及其影響因素研究提出需求。本文將利用GLORYS12V1(Global Ocean Reanalysis and Simu-lations)再分析數(shù)據(jù), 給出1993—2017年間威德爾海海冰年際變化特征, 并從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素兩方面對(duì)影響海冰密集度分布以及面積年際變化特征進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文研究區(qū)域選定60°W～20°E、80°S～53°S的威德爾海海域。海冰密集度、海表面溫度數(shù)據(jù)取自1993—2017年的GLORYS12V1數(shù)據(jù), 本數(shù)據(jù)為CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)全球再分析產(chǎn)品, 使用模型為NEMO3.1(Nucleus for European Modelling of the Ocean), 水平分辨率為(1/12)°, 垂向分50層, 使用ERA-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Interim Re-Analysis)數(shù)據(jù)的3小時(shí)和24小時(shí)包括降水和輻射通量等大氣強(qiáng)迫進(jìn)行修正, 輸出結(jié)果為天平均位溫、鹽度、流速、海面高度、混合層厚度、海冰密集度、海冰厚度、和海冰漂移速度[25]。文中使用的風(fēng)場(chǎng)、凈太陽短波輻射、氣溫?cái)?shù)據(jù)取自NCEP-NCAR(National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research)日平均再分析資料, 時(shí)間分辨率為24 h, 空間分辨率為1.875°×1.875°, 垂向分層17層[26], 由于大氣數(shù)據(jù)和海冰密集度數(shù)據(jù)的空間分辨率不一致, 在使用氣象數(shù)據(jù)前, 將氣象數(shù)據(jù)插值到海冰密集度的網(wǎng)格上, 保證兩者數(shù)據(jù)相匹配。

本文使用海冰密集度描述海冰分布特征, 海冰密集度選取海冰數(shù)據(jù)網(wǎng)格中密集度大于15%的網(wǎng)格以排除浮冰等影響。使用密集度大于15%的海冰密集度網(wǎng)格乘以其網(wǎng)格面積, 計(jì)算得到該網(wǎng)格海冰面積, 將研究區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格海冰面積求和得到總冰量。本文將海冰分為一年冰和多年冰進(jìn)行分析, 多年冰指存在時(shí)間大于一年的海冰, 夏季沒有融化的海冰一般為多年冰[27], 以每年海冰面積的最小覆蓋值作為當(dāng)年多年冰面積。一年冰指存在不超過一年的海冰[21], 以每年海冰面積最大覆蓋值減去多年冰面積作為當(dāng)年一年冰面積。

為驗(yàn)證GLORYS12V1數(shù)據(jù)的可靠性, 本文選取1993—2017年NOAA/NSIDC被動(dòng)微波海冰密集度月平均數(shù)據(jù)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證, 該數(shù)據(jù)由國防氣象衛(wèi)星(Defense Meteorological Satellite Program, DMSP)和Nimbus-7衛(wèi)星搭載的SMMR(Scanning Multichannel Microwave Radiometer), SSMI(Special Sensor Microwave/Imager)和SSMIS(Special Sensor Microwave Imager/ Sounder)傳感器獲取, 并根據(jù)CDR算法得到的海冰密集度遙感數(shù)據(jù), 空間分辨率為25 km×25 km[28]。本研究首先從分布上對(duì)兩種數(shù)據(jù)的多年平均季節(jié)分布特征進(jìn)行定性比較, 再以計(jì)算得到的月平均海冰總面積、標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)量和相關(guān)分析進(jìn)行定量比較。

2 結(jié)果

整體上GLORYS12V1數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的海冰密集度具有較強(qiáng)的季節(jié)性, 兩者都表現(xiàn)為西高東低、近岸高遠(yuǎn)海低的特征(圖1), 密集度高于90%高值區(qū)在春、夏、秋三季集中于南極半島與沿岸一側(cè)的小范圍海域, 在冬季明顯擴(kuò)張。GLORYS12V1數(shù)據(jù)夏季(1—3月)海冰整體分布在55°S以南海域, 海冰范圍全年最小, 密集度95%以上高值區(qū)僅在南極半島沿岸的70°S南北兩側(cè)小范圍海域分布; 秋季(4—6月)海冰范圍向北擴(kuò)張, 30°W附近以及毛德皇后地外海部分海域海冰范圍到達(dá)55°S以北, 密集度95%以上高值區(qū)范圍向北擴(kuò)展至65°S, 向南擴(kuò)張至陸地沿岸海域, 西邊界達(dá)到30°W; 冬季(7—9月)海冰范圍達(dá)到最大, 位于南極半島一側(cè)的海冰海域范圍向北擴(kuò)張至55°S以北海域, 海冰密集度90%以上海域幾乎完全覆蓋60°S以南海域, 密集度95%以上高值區(qū)向東擴(kuò)張, 沿岸高值區(qū)達(dá)到15°W, 但南極半島一側(cè)海域高值區(qū)退縮至45°W以西; 春季(10—12月)海冰融化邊緣線退縮, 15°W以西的南極半島一側(cè)海冰邊緣線位置萎縮至53°S以南海域, 密集度95%以上高值區(qū)完全退縮至南極半島沿岸海域。1993—2017年間兩種數(shù)據(jù)的威德爾海海域月均海冰面積相關(guān)系數(shù)為0.93, 并通過95%置信區(qū)間檢驗(yàn), 表現(xiàn)出較高的相關(guān)性, 模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)差為0.93, 并且多年平均海冰面積差異較小(表1)。相比遙感數(shù)據(jù), 模型數(shù)據(jù)夏季海冰密集度低值區(qū)分布范圍有所高估, 冬季海冰密集高值區(qū)范圍有所低估。但總體而言GLORYS12V1數(shù)據(jù)較好地給出了威德爾海海冰密集度分布特征和季節(jié)變化, 且再分析數(shù)據(jù)具有更高的分辨率以及更多的變量, 因此選擇GLORYS12V1數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。

表1 GLORYS12V1再分析資料及NOAA/NSID遙感數(shù)據(jù)的威德爾海海冰年均海冰面積、標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)差與相關(guān)性

威德爾海海冰年際差異在季節(jié)上表現(xiàn)出很大差異(圖1b), 圖中黑線和紅線分別表示海冰面積最小和最大年份海冰外緣線, 其中夏季海冰范圍年際差異最為明顯, 秋季威德爾海南極半島一側(cè)海域海冰范圍的年際差異不明顯, 主要差異體現(xiàn)在毛德皇后地外海45°W～15°W之間海域; 冬季年際差異相對(duì)春、夏、秋三季較小, 最大最小面積邊緣線幾乎平行分布; 春季年際海冰范圍差異較大, 45°W以東的冰邊緣線差異明顯。

為探求威德爾海海冰面積的年際變化特征, 分季節(jié)給出了威德爾海1993—2017年期間總海冰面積、一年冰和多年冰的年際變化(圖2)。夏季海冰面積最大值為2.30×106km2, 出現(xiàn)在2015年, 最小值為0.96×106km2, 出現(xiàn)在1999年, 多年冰面積大于一年冰面積, 并且多年冰與海冰總面積變化趨勢(shì)相似, 多年冰的變化在夏季占據(jù)主導(dǎo)地位。秋季海冰面積較夏季增加, 年際變化波動(dòng)加劇, 海冰面積最大值為4.23×106km2, 出現(xiàn)在2003年, 最小值為2.97×106km2, 出現(xiàn)在1999年, 一年冰面積超過多年冰面積, 但秋季海冰面積變化仍與多年冰面積變化趨勢(shì)相似。冬季海冰面積達(dá)到最大值, 海冰面積最大值為6.25×106km2, 出現(xiàn)在2007年, 海冰面積最小值為5.43×106km2, 出現(xiàn)在2017年, 威德爾海一年冰面積達(dá)到多年冰面積的5倍, 并且變化與冬季整體變化相近, 一年冰的變化在冬季占主導(dǎo)地位。春季海冰面積最大值為5.50×106km2, 出現(xiàn)在2002年, 最小值為4.13×106km2, 出現(xiàn)在2017年。春季威德爾海海域一年冰面積仍遠(yuǎn)大于多年冰面積, 一年冰面積變化與春季整體變化趨勢(shì)相似, 一年冰的變化在春季海冰面積變化中占主導(dǎo)地位。由于威德爾海地區(qū)季節(jié)性差異較大, 夏季溫度相對(duì)溫暖, 這導(dǎo)致夏季一年冰融化, 多年冰面積大于一年冰, 因此在夏季多年冰變化占據(jù)主導(dǎo)地位。相對(duì)寒冷的秋、冬、春三季, 一年冰覆蓋了威德爾海的大部分海域, 導(dǎo)致一年冰的變化主導(dǎo)了威德爾海海冰面積的變化。

海冰面積在1993—2017年間具有一定的周期性, 去除季節(jié)信號(hào)后對(duì)威德爾海的月均海冰面積進(jìn)行譜分析, 結(jié)果如圖3所示, 在1993—2017年間的海冰面積變化存在27個(gè)月、35個(gè)月、75個(gè)月和120個(gè)月的周期(圖3)。

威德爾海海冰面積在四季中都呈現(xiàn)了較強(qiáng)的年際波動(dòng)[21], 其中只有夏季具有顯著的增加趨勢(shì), 增加率約為0.15×105km2·a–1, 夏季多年冰也具有顯著的增加趨勢(shì), 以每年0.19×105km2的速度增長(zhǎng)。為了進(jìn)一步探求威德爾海海冰面積變化趨勢(shì)的分布特征, 對(duì)威德爾海每一網(wǎng)格在1993—2017年間的月均海冰面積使用最小二乘法計(jì)算了變化趨勢(shì), 圖中藍(lán)色等值線標(biāo)注區(qū)域?yàn)楹１娣e變化趨勢(shì)通過95%置信區(qū)間t檢驗(yàn)區(qū)域(圖4)。變化趨勢(shì)顯著區(qū)域幾乎全部為海冰面積變化趨勢(shì)上升區(qū),

威德爾海整體海冰面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的區(qū)域面積占比很大, 但實(shí)際上這些區(qū)域所呈現(xiàn)的下降趨勢(shì)并不顯著。夏季和冬季海冰面積變化的顯著區(qū)域范圍較大, 夏季威德爾海區(qū)域海冰面積整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì), 顯著變化區(qū)域主要集中在45°W以西的南極半島沿岸一側(cè)高海冰密集度海域、70°S以南和15°W以東的近岸海域; 冬季顯著區(qū)主要集中在南極半島一側(cè)海域的海冰密集度高值區(qū)、毛德皇后地外海65°S以南的近岸海域, 以及零星分布在海冰邊緣線處海域。而春秋兩季顯著變化區(qū)域整體面積很小, 春季只有在南極半島近岸海域和邊緣線附近有范圍極小的顯著變化區(qū), 秋季只有在近岸海域和15°W～0°之間海域有零星分布的顯著變化區(qū)。整體而言, 夏季與冬季顯著變化區(qū)范圍較大, 并具有相似的分布規(guī)律, 春季與秋季顯著變化區(qū)域范圍較小。

圖1 1993—2017年威德爾海多年平均季節(jié)海冰密集度分布情況.a)模型數(shù)據(jù); b)遙感數(shù)據(jù).其中黑線表示該季節(jié)海冰面積最小年份的海冰邊緣線, 紅線表示該季節(jié)海冰面積最大年份的海冰邊緣線

Fig.1.Average seasonal sea ice concentration of the Weddell Sea from 1993 to 2017.a) model data; b) remote sensing data.The black line indicates the sea ice marginal line of the year with the minimum sea ice area in that season, and the red line indicates the sea ice marginal line of the year with the maximum sea ice area in that season

3 討論

綜合前文對(duì)海冰密集度分布特征的分析, 發(fā)現(xiàn)威德爾海海冰密集度的分布存在較強(qiáng)的季節(jié)性變化以及“西高東低”的分布特征, 高海冰密集度區(qū)域主要集中于南極半島沿岸海域, 即便在夏季毛德皇后地外海海域海冰密集度變化劇烈時(shí), 南極半島一側(cè)的高值區(qū)仍較為穩(wěn)定, 解思梅等[22]認(rèn)為影響海冰季節(jié)性融化的主要原因?yàn)閯?dòng)力學(xué)因素, 由于南極半島的特殊地形, 南極大陸的高壓區(qū)域向外延伸形成高壓脊, 在南極半島兩側(cè)區(qū)域形成了低氣壓中心, 使威德爾海地區(qū)出現(xiàn)了氣旋性的洋流系統(tǒng)[29], 而南極半島表面壓力的變化會(huì)引起周邊地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的改變, 進(jìn)而影響威德爾海夏季內(nèi)部海冰的分布[30]。為探求威德爾海海冰密集度分布特征的影響因素, 對(duì)威德爾海海域風(fēng)場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

圖2 1993—2017年威德爾海一年冰、多年冰和總冰面積的年際變化

Fig.2.Interannual changes in one-year ice, multi-year ice and total ice area in the Weddell Sea from 1993 to 2017

圖3 威德爾海月平均海冰面積譜分析(通過紅噪聲檢驗(yàn))

Fig.3.Spectral analysis ofmonthly averagesea ice area in the Weddell Sea (Passed the red noise test)

圖5給出了威德爾海氣候態(tài)多年平均風(fēng)場(chǎng)分布圖, 全年南極半島與毛德皇后地外海所包圍的海域離岸風(fēng)均較弱, 風(fēng)速明顯低于其他海域。該區(qū)域風(fēng)速較小主要是由于該處地形坡度較小所致[22]。夏季與秋季在該海域的風(fēng)向具有向西的分量, 冬季與春季在南極半島北部邊緣附近為西北風(fēng)。威德爾海南極半島一側(cè)海冰由于受到風(fēng)影響運(yùn)動(dòng)速度較慢, 并且在0°～20°W毛德皇后地沿岸海域偏東南風(fēng)的作用下, 海冰向南極半島海域的輸送造成了威德爾海南極半島附近海域常年被海冰覆蓋的現(xiàn)象, 而在威德爾海20°W以東海域則常年存在著風(fēng)速較大的偏南風(fēng), 這樣的風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)致了毛德皇后地外海海冰被運(yùn)輸?shù)降途暥群推渌Ｓ?。為進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)和海冰分布的影響, 選取海冰面積極小值年份(1999年)和極大值年份(2015年)進(jìn)行了對(duì)比分析, 分析發(fā)現(xiàn)四季中夏季海冰分布差異最明顯(圖6)。通過對(duì)比1999年和2015年夏季風(fēng)場(chǎng)分布與海冰漂移速度分布發(fā)現(xiàn), 威德爾海海冰漂移方向與風(fēng)場(chǎng)具有較強(qiáng)的協(xié)同性。從局部來看, 1999年夏季風(fēng)場(chǎng)在70°S南極半島一側(cè)海域出現(xiàn)了較為明顯的渦旋, 2015年夏季風(fēng)場(chǎng)在65°S、20°W附近海域也出現(xiàn)了明顯的渦旋, 海冰漂移方向在同樣的位置都出現(xiàn)了相似的分布。渦旋區(qū)域和南極半島沿岸區(qū)域風(fēng)速較低, 該區(qū)域的海冰漂移速度也相應(yīng)地較低, 并且整體上風(fēng)速與海冰漂移速度在分布上具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。威德爾海的風(fēng)場(chǎng)分布是影響海冰運(yùn)動(dòng)的重要因素之一, 這一結(jié)論在卞林根等[29]和張林等[31]的研究中得到了證實(shí), 張藝博等[11]發(fā)現(xiàn)南大洋海冰漂移速度與風(fēng)速存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。2015年夏季南極半島一側(cè)的西南風(fēng)盛行, 海冰向東北方向漂移導(dǎo)致南極半島一側(cè)海冰范圍擴(kuò)大, 而1999年夏季該海域65°S海區(qū)偏北風(fēng)盛行, 阻礙海冰向北擴(kuò)張, 南極半島一側(cè)海冰范圍較小。在毛德皇后地外海海域, 1999年風(fēng)速明顯偏大, 導(dǎo)致了海冰向低緯度和相鄰海域運(yùn)輸, 而2015年則風(fēng)速較小, 海冰被堆積在沿岸海域得以保存。

圖4 威德爾海海冰面積年際變化趨勢(shì)季節(jié)分布.其中藍(lán)色等深線標(biāo)注區(qū)域?yàn)橥ㄟ^95%置信區(qū)間t檢驗(yàn)區(qū)域

Fig.4.Seasonal distribution of interannual variation trend of sea ice area in the Weddell Sea.The area marked by blue isoline indicates an area with significant change trend passing t-tests with 95% confidence interval

圖5 1993—2017年威德爾海多年平均四季風(fēng)場(chǎng)分布.其中箭頭表示風(fēng)速方向, 等值線表示風(fēng)速大小

Fig.5.Multi-year average wind in the Weddell Sea from 1993 to 2017.Arrows indicate the direction of wind speed and isolines represent different wind speeds

圖6 夏季威德爾海風(fēng)場(chǎng)、海冰漂移速度和海冰密集度分布.a)1999年; b)2015年

Fig.6.Wind, sea ice drift and sea ice concentration of the Weddell sea in the summer.a) 1999; b) 2015

盡管風(fēng)場(chǎng)分布的空間差異對(duì)威德爾海海冰特有的季節(jié)性分布有重要作用, 經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)風(fēng)向分級(jí)頻次、風(fēng)速、風(fēng)向等與威德爾海海冰面積年際變化并沒有顯著相關(guān)性, 這一結(jié)果在Kusahara等[32]的研究中得到了證實(shí)。海冰的生消受諸多物理過程的控制, 其中海冰的熱力過程也是重要的因素之一[31]。在對(duì)威德爾海月平均海冰面積、一年冰面積, 以及威德爾海海冰覆蓋區(qū)域的氣溫、海表面溫度和凈太陽短波輻射的異常低通濾波去除其季節(jié)變化后, 發(fā)現(xiàn)3種熱力學(xué)影響因素均與一年冰面積和總面積的變化存在一定的聯(lián)系(圖7)。在春、夏、秋三季中3種熱力學(xué)影響因素均與威德爾海海冰面積存在著較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 其中與氣溫關(guān)系較弱, 冬季相關(guān)性整體較弱, 只有凈太陽短波輻射與海冰面積具有較明顯的關(guān)系。一年冰面積與熱力學(xué)因素的關(guān)系相較于整體海冰面積較弱, 只有秋季海冰面積與氣溫的負(fù)相關(guān)關(guān)系較強(qiáng), 除此之外春季和夏季一年冰面積與3種熱力學(xué)因素的關(guān)系較為明顯, 冬季一年冰的變化與熱力學(xué)因素關(guān)聯(lián)不大。關(guān)于凈太陽短波輻射對(duì)海冰的影響, 舒蘇[19]認(rèn)為海冰的內(nèi)部產(chǎn)生的鹽泡和氣泡會(huì)增強(qiáng)凈太陽短波輻射在海冰內(nèi)部的散射, 這導(dǎo)致其會(huì)吸收更多的太陽輻射。因此當(dāng)威德爾海進(jìn)入極晝, 凈太陽短波輻射會(huì)改變威德爾海地區(qū)熱收支, 導(dǎo)致該地區(qū)氣溫改變進(jìn)而影響著海冰的生消。

圖7 威德爾海月均海冰面積、一年冰面積、氣溫、海表面溫度、凈太陽短波輻射異常的變化

Fig.7.Changes of the Weddell Sea regarding monthly average sea ice area, one-year ice area, temperature, sea surface temperature and net solar short-wave radiation

對(duì)3種熱力學(xué)因素進(jìn)行譜分析后發(fā)現(xiàn), 氣溫存在著35個(gè)月、43個(gè)月、75個(gè)月和85個(gè)月的周期; 海表面溫度存在著46個(gè)月、66個(gè)月和75個(gè)月的周期; 凈太陽短波輻射存在著27個(gè)月、66個(gè)月和75個(gè)月的周期, 其中3種熱力學(xué)因素75個(gè)月的周期與海冰面積的年際周期一致, 氣溫存在與海冰對(duì)應(yīng)的35月周期, 短波輻射存在與海冰一致的27個(gè)月周期。由表2相關(guān)系數(shù)可知, 威德爾海海冰面積在春、夏、秋三季與海表面溫度具有顯著相關(guān)性, 其中夏季最高、秋季次之、春季最低, 冬季海冰面積與海表面溫度相關(guān)性不顯著; 與氣溫在春、夏、秋三季具有顯著相關(guān)性, 其中夏季最高、春季次之、秋季最低, 冬季不具有顯著相關(guān)性; 威德爾海海冰面積與凈太陽短波輻射在四季都具有顯著相關(guān)性, 其中夏季最高、春季次之, 冬季最低而秋季略高于冬季。表3給出了一年冰和多年冰與3種熱力學(xué)影響因素的相關(guān)系數(shù), 一年冰在夏季和春季與海表面溫度具有顯著相關(guān)性, 其中夏季相關(guān)性較高, 秋冬兩季相關(guān)性不顯著; 與氣溫在春、夏、秋三季具有顯著相關(guān)性, 其中秋季最高、夏季次之、春季最低, 冬季不具有顯著相關(guān)性; 一年冰面積與凈太陽短波輻射在春夏兩季相關(guān)性顯著, 其中春季相關(guān)性高于夏季, 在秋冬兩季相關(guān)性不顯著。多年冰與海表面溫度和凈太陽短波輻射具有顯著相關(guān)性, 但與氣溫相關(guān)性不顯著。

表2 威德爾海海冰面積與海表面溫度、凈太陽短波輻射和氣溫相關(guān)性(*為通過95%置信區(qū)間檢驗(yàn))

表3 威德爾海一年冰與多年冰海冰面積與海表面溫度、凈太陽短波輻射和氣溫相關(guān)性(*為通過95%置信區(qū)間檢驗(yàn))

4 結(jié)論與展望

本文基于1993—2017年GLORYS12V1再分析數(shù)據(jù), 計(jì)算了海冰面積, 分析了威德爾海海冰空間分布和年際變化特征以及影響威德爾海海冰時(shí)空分布的影響因子。

威德爾海海冰密集度具有“西高東低”的分布特征, 密集度高于90%的高值區(qū)在春、夏、秋三季都集中于南極半島與沿岸一側(cè)的小范圍海域, 夏季南極半島附近海域的風(fēng)場(chǎng)分布是造成該海冰分布特征和海冰分布范圍的重要因素之一, 在該海區(qū)低速風(fēng)和0°～20°W沿岸海域偏東風(fēng)的影響下, 海冰得以被運(yùn)輸至南極半島海域并堆積保留, 毛德皇后地沿岸海域由于風(fēng)速較大, 海冰被運(yùn)輸?shù)降途暥群拖噜徍Ｓ? 導(dǎo)致海冰范圍較小。威德爾海海冰面積年際差異較大, 具有較強(qiáng)的年際波動(dòng)。海冰面積表現(xiàn)為增加趨勢(shì)的區(qū)域, 主要集中在夏季和冬季的南極半島一側(cè)的南極大陸沿岸海域, 春季和秋季顯著增加的區(qū)域很少, 只在邊緣線區(qū)域零星分布。海冰面積存在27個(gè)月、35個(gè)月、75個(gè)月和120個(gè)月的周期性。春冬兩季一年冰在整體海域海冰變化中占主導(dǎo)地位; 而相對(duì)較為溫暖的夏季, 一年冰較少, 多年冰在整體海域海冰變化中占主導(dǎo)地位。熱力學(xué)因素是主導(dǎo)威德爾海海冰年際變化的重要因素, 其中海表面溫度和氣溫影響威德爾海整體與一年冰在春、夏、秋季節(jié)的年際差異, 并且這3種熱力學(xué)因素與海冰面積一樣也具有75個(gè)月的周期, 凈太陽短波輻射在全年對(duì)威德爾海整體海冰的年際變化具有一定的影響, 對(duì)夏季和春季的一年冰具有一定影響, 多年冰的年際差異同時(shí)受到海表面溫度、氣溫和凈太陽短波輻射3種熱力學(xué)控制。

本文在對(duì)動(dòng)力學(xué)因素的討論中, 僅以夏季為例討論了整體海域風(fēng)場(chǎng)對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)與海冰分布的影響, 沒有進(jìn)一步根據(jù)各海域的特征進(jìn)行分區(qū)討論, 結(jié)論僅停留于對(duì)分布差異的認(rèn)識(shí)。在對(duì)熱力學(xué)影響因子的研究中, 僅對(duì)溫度、氣溫和凈太陽短波輻射與海冰面積進(jìn)行了年際差異的比較和相關(guān)分析, 影響機(jī)制探討較少, 對(duì)影響威德爾海海冰年際變化特征的影響因素的研究還有很多方面有待完善。

1 王珍珍.南極海冰的消長(zhǎng)與海平面變化及其關(guān)系研究[D].青島: 中國海洋大學(xué), 2011.

2 康建成, 王芳, 鄭琰明, 等.南極冰雪圈與全球變化研究——冰蓋與全球氣候環(huán)境記錄[J].自然雜志, 2005, 27(6): 351-356.

3 柯長(zhǎng)青, 金鑫, 沈校熠, 等.南北極海冰變化及其影響因素的對(duì)比分析[J].極地研究, 2020, 32(1): 1-12.

4 譚冰, 張新剛, 王驍力, 等.南極威德爾海西北區(qū)域的冰-氣拖曳系數(shù)和脊帆形拖曳力分析[J].極地研究, 2018, 30(4): 370-375.

5 張韓晗.南極海冰厚度數(shù)值模擬研究[D].錦州: 渤海大學(xué), 2013.

6 席穎, 孫波, 李鑫.利用船測(cè)數(shù)據(jù)以及Landsat-7 ETM+影像評(píng)估南極海冰區(qū)AMSR-E海冰密集度[J].遙感學(xué)報(bào), 2013, 17(3): 514-526.

7 COMISO J C, CAVALIERI D J, MARKUS T.Sea ice concentration, ice temperature, and snow depth using AMSR-E data[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003, 41(2): 243-252.

8 康建成, 劉雷保, 譚德軍.南極海冰區(qū)物理特征與氣候[C]// 中國地球物理學(xué)會(huì).中國地球物理學(xué)會(huì)第十七屆年會(huì)論文集.2001: 262.

9 季青, 龐小平, 張志鵬, 等.南極海冰及其表面積雪深度變化研究[C]//第34屆中國氣象學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.2017: 14.

10 宋翔宇, 劉婷婷, 王澤民, 等.基于改進(jìn)FCLS算法的南極海冰密集度估算及算法比較[J].極地研究, 2018, 30(1): 67-76.

11 張藝博, 秦聽, 魏立新.南極海冰運(yùn)動(dòng)速度的變化特征及其影響因子分析[J].海洋預(yù)報(bào), 2020, 37(5): 12-23.

12 邵珠德.南極春夏季海冰變化及其與氣候要素的關(guān)系研究[D].南京: 南京大學(xué), 2016.

13 唐述林, 秦大河, 任賈文, 等.夏季南極威德爾海至普利茨灣之間海冰的特性研究[J].地學(xué)前緣, 2006, 13(3): 213-218.

14 BARRY R G, SERREZE M C, MASLANIK J A, et al.The Arctic sea ice-climate system: Observations and modeling[J].Reviews of Geophysics, 1993, 31(4): 397-422.

15 PARKINSON C L, CAVALIERI D J.Antarctic sea ice variability and trends, 1979–2010[J].The Cryosphere, 2012, 6(4): 871-880.

16 高郭平, 董兆乾.南極威德爾海冰間湖形成機(jī)制的研究進(jìn)展[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 34(1): 1-6.

17 胡毅, 王立明, 鐘貴才, 等.威德爾海的重磁場(chǎng)特征及其構(gòu)造意義[J].地球科學(xué)進(jìn)展, 2015, 30(11): 1231-1238.

18 胡毅, 王立明, 房旭東, 等.威德爾海的地形地貌特征及主控因素[J].應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35(3): 371-379.

19 舒蘇.2011—2018年南極海冰變化分析[D].南京: 南京大學(xué), 2019.

20 沈春, 施偉來, 陳奕德, 等.近30年南極海冰時(shí)空變化特征分析[C]//第二屆中國沿海地區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與管理學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2014: 114-119.

21 沈校熠, 柯長(zhǎng)青, 張杰.2002—2011年南極海冰變化的遙感分析[J].極地研究, 2017, 29(1): 163-171.

22 解思梅, 魏立新, 張占海, 等.南極海冰和陸架冰的時(shí)空變化動(dòng)態(tài)[J].冰川凍土, 2003, 25(S2): 234-240.

23 劉伊格, 柯長(zhǎng)青, 張杰.1979—2014年南極海冰運(yùn)動(dòng)特征分析[J].高技術(shù)通訊, 2019, 29(1): 90-98.

24 WEISS A I , KING J C , LACHLANCOPE T A , et al.Albedo of the ice covered Weddell and Bellingshausen Seas[J].The Cryosphere, 2012, 6(2): 479-491.

25 LELLOUCHE J M, GREINER E, LE GALLOUDEC O, et al.Recent updates to the Copernicus Marine Service global ocean monitoring and forecasting real-time 1∕12° high-resolution system[J].Ocean Science, 2018, 14(5): 1093-1126.

26 KALNAY E, KANAMITSU M, KISTLER R, et al.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bulletin of the American Meteorological Society, 1996, 77(3): 437-471.

27 王星東, 代文浩.基于1997—2017年遙感數(shù)據(jù)的南極海冰時(shí)空變化分析[J].海洋預(yù)報(bào), 2020, 37(3): 91-97.

28 MEIER W, FETTERER F, DUERR R, et al.NOAA/NSIDC Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration, Version 3[DB/OL].(2017-08-22)[2020-09].https://nsidc.org/data/g02202/versions/3/.

29 卞林根, 林學(xué)椿.近30年南極海冰的變化特征[J].極地研究, 2005, 17(4): 233-244.

30 VENEGAS S A, DRINKWATER M R.Sea ice, atmosphere and upper ocean variability in the Weddell Sea, Antarctica[J].Journal of Geophysical Research: Oceans, 2001, 106(C8): 16747-16765.

31 張林, 程展, 任北期, 等.南極普里茲灣海冰數(shù)值模擬試驗(yàn)[J].海洋學(xué)報(bào)(中文版), 2000, 22(1): 131-135..

32 KUSAHARA K, WILLIAMS G D, MASSOM R, et al.Roles of wind stress and thermodynamic forcing in recent trends in Antarctic sea ice and Southern Ocean SST: An ocean-sea ice model study[J].Global and Planetary Change, 2017, 158: 103-118.

Interannual variation characteristics of sea ice in the Weddell Sea

Liu Jingzhou, Zhao Liang, Wang Sheng, Bai Yu

(College of Marine and Environmental Sciences, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

Sea ice of the Southern Ocean plays an important role in global climate change, making the Weddell Sea—the biggest bay in the Southern Ocean—a hot spot for studying sea ice change in this area.Based on GLORYS12V1 sea ice density data from 1993 to 2017, this study analyzed the sea ice distribution in the Weddell Sea and its interannual variation.A strong seasonality to the sea ice concentration distribution of the Weddell Sea was found.The distributional differences of the wind field are the main reason that sea ice piles up on one side of Antarctic Peninsula.Under wind effects, the Queen Maud Land’s broad ocean sea ice drifts into the open ocean and melts, producing a spatial distribution with “l(fā)ow west–high east” and “high nearshore–low offshore” sea-ice concentrations.Fluctuations in sea-ice area occur at intervals of 27 months, 35 months, 75 months and 120 months, respectively.Seasonal changes in sea-ice area are not very obvious in spring, fall and winter, but in summer, there is an outstanding increase of around 0.15×105km2·a?1.The interannual variation of Antarctic sea ice area is mainly affected by thermodynamic factors, including sea surface temperature, as well as temperature and shortwave radiation cycles related to periods of 27 months, 35 months, and 75 months.The general sea ice area has strong negative correlations with temperature and sea surface temperature in spring, summer, and fall, and has a strong negative correlation with solar short-wave radiation over the whole year.

Weddell Sea, sea ice area, sea surface temperature, temperature, net solar short-wave radiation

2020年11月收到來稿, 2021年1月收到修改稿

國家海洋局極地考察辦公室項(xiàng)目(RFSOCC2020-2022-No.18)資助

劉境舟, 男, 1996年生。碩士, 主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究。E-mail: 1541838652@qq.com

趙亮, E-mail: zhaoliang@tust.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20200075