1979—2015年羅斯海海冰運動速度變化

劉伊格 柯長青 張杰

(1南京大學地理與海洋科學學院, 江蘇 南京 210023;2國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061;3中國南海研究協同創新中心, 江蘇 南京 210023)

0 引言

海冰主要分布在地球的兩極[1],其存在阻礙了風場對海水動量的直接輸入, 減緩了海洋和大氣間的能量交換, 影響海洋和大氣間的熱量、能量、動力的傳遞, 進而影響大氣和海洋的循環[2]。南極海冰的變化不僅影響該地區局部的能量平衡,同時也對全球大氣環流和氣候變化產生影響。自20世紀70年代末有連續衛星觀測記錄以來, 國內外學者對南極海冰進行了許多研究[3-8], 然而南極整體海冰變化與南極大陸邊緣海的海冰變化不同[7], 研究南極大陸邊緣海域的海冰變化有助于加深對南極整體海冰變化的認識[9]。

羅斯海(Ross Sea)是南大洋五大海區中緯度最高的海域, 位于羅斯陸緣冰之北, 維多利亞地與瑪麗伯德地之間, 是南極洲西南極太平洋扇區內的一個大海灣, 地理坐標處于60°S—85°S、140°W—150°E(圖1)。覆蓋面積約為96萬km2, 全年覆蓋冰層, 多冰山分布。羅斯海是南極周邊的海區中海冰輸出最強的海區, 所以該海區海冰變化會通過海洋、大氣等各種形式向低緯度傳播, 進而影響同緯度和較低緯度的海洋和大氣變化[10]。

國內外學者針對羅斯海海冰變化特征進行過很多相關研究。鄔曉冬[10]利用ICESat衛星數據集,首次給出了羅斯海海冰厚度的時空變化特征, 同時結合海冰密集度數據, 分析了海冰面積的變化特征, 探討了兩者與大氣要素變化之間的聯系。劉帥斌等[1]在對羅斯海與普里茲灣海域海冰范圍進行時間序列分析時, 發現羅斯海地區表現出“快速縮小、迅速擴大”的特性, 2003—2014年海冰整體變化趨勢呈現(1.39±1.12)×104km2·a–1的擴大趨勢, 而夏季的年際變化為減少趨勢。趙杰臣等[11]利用衛星海冰密集度資料和船基海冰走航觀測數據分析了2012年12月—2013年3月羅斯海海冰密集度、厚度和浮冰尺寸等參數的時空變化特征。Cavalieri和Parkinson[7]研究了整個南極和五個分區海域1979—2006年海冰范圍和海冰面積變化, 發現羅斯海海冰范圍每年以(11.4±4.6)×103km2增長,海冰面積以(8.9±3.6)×103km2增長。Comiso等[12]研究了1978—2008年羅斯海海冰季節和年際變化特征, 發現羅斯海海冰范圍在整個南極海域中是增長最快的; 1992—2008年海冰漂移數據顯示, 整個羅斯冰架海冰輸出的凈增長率為30 000 km2·a–1。對羅斯海海冰變化的研究, 有助于更加深入了解這一海區的海冰變化特征, 探究其與更低緯度的大氣和海洋之間變化的關聯, 加深對整個南極海冰變化的認識。但是目前對羅斯海海冰的研究主要集中在海冰范圍、面積和厚度上[1,7,9-12], 對海冰運動速度的研究還較少。大氣和海洋對海冰的熱力和動力作用是海冰變化的主要原因, 熱力作用會直接影響海冰的凍結和融化[13-15], 動力作用主要影響海冰運動、破碎等, 進而影響海冰分布以及熱力變化, 所以海冰動力作用在海冰總量的動態平衡過程中起著非常重要的作用[16-18]。

本文利用被動微波遙感衛星資料分析了1979—2015年羅斯海海冰運動年際和季節變化特征以及海冰運動速度與海冰范圍之間的聯系, 最后對可能影響羅斯海海冰運動速度的因素進行了探究。

圖1 羅斯海區域地理位置(箭頭表示海冰運動方向)Fig.1. Location of the Ross Sea (arrows indicate the direction of sea ice motion)

1 數據和方法

1.1 數據

美國冰雪數據中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)提供1979年至今的每日和月平均南北極海冰運動矢量數據, 該數據由AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)、SMMR(Scanning Multichannel Microwave Radiometer)和SSM/I(Special Sensor Microwave Imagers)傳感器獲得[19]。海冰密集度數據來自NSIDC發布的海冰索引數據集, 該數據集提供了1978年11月至今的南北極每日和月平均海冰密集度影像和數據值,數據集來自不同的衛星微波輻射, 包括搭載在Nimbus-7衛星上的SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer),美國國防氣象衛星(Defense Meteorological Satellite Program,DMSP)F8、F11和F13搭載的SSM/I (Special Sensor Microwave Imagers)以及F17攜載的SSMIS(Special Sensor Microwave Imager Sounder)。兩種數據的分辨率都是25 km, 極地等面積方位投影。

海表面風速月平均數據來自美國氣候中心發布的NCEP/NCAR再分析數據集, 該數據以NetCDF(Network Common Data Format)格式存儲1948年至今的資料, 網格點分辨率2.5°×2.5°。

1.2 方法

NSIDC通過最大互相關法獲得海冰運動速度, 即由相鄰時刻兩幅遙感影像中海冰的位移進行計算得出。該數據計算海冰運動是基于被動微波連續影像上亮溫的變化, 使用Nimbus-7衛星上的SMMR和DMSP衛星上的SSM/I、SSMIS被動微波數據集得到的海冰密集度數據來表征海冰是否存在(海冰密集度大于15%被認為存在)。海冰運動矢量數據產品最終以EASE-Grids網格形式發布, 每個網格包含分量u、v和第三個變量(像素值為0代表該處無海冰)。本文根據計算第三個變量為非0的網格點處海冰運動速度,不考慮海冰運動矢量的方向, 累加之后再平均即為月平均海冰運動速度。海冰范圍是海冰邊緣以內所包圍的海域總面積, 本文通過NSIDC的海冰密集度數據集計算, 將密集度15%作為區分海冰和海域的分界線, 海冰密集度大于15%的網格點面積全部相加起來即獲得海冰范圍面積[20]。在研究區海域, 計算1979年1月—2015年12月海冰運動速度、海冰范圍以及風速的月平均、季節平均和年平均, 在此基礎上利用最小二乘法對序列進行回歸估計趨勢分析, 以確定數據的最佳線性擬合直線, 且都通過了顯著性為0.05的F檢驗。

2 結果與分析

2.1 海冰運動速度年際變化特征

1979—2015年羅斯海年平均海冰運動速度隨時間變化整體呈現增加趨勢(圖2), 其中1979—2010年保持速度波動增加的變化, 2010年海冰運動速度達到最大值234 m·h–1后開始呈下降趨勢, 之后幾年一直在144 m·h–1左右波動。海冰運動速度月變化曲線(圖3)則詳細反應了每月的變化, 海冰運動速度總體上在波動中增加, 在2010年3月達到353 m·h–1的最大值, 之后運動速度明顯減緩, 與年平均變化(圖2)整體一致。每年海冰運動速度變化周期性并不明顯, 各年份海冰運動速度最大值的變化較大, 在83—353 m·h–1之間波動, 多出現在秋冬季。1979—2010年基本一直在增加, 2010年后下降穩定在230 m·h–1左右。海冰運動速度最小值相比最大值變化波動較小, 在11—71 m·h–1波動, 大部分出現在每年夏季。

圖2 1979—2015年羅斯海海冰年平均運動速度變化Fig.2 Variation of yearly mean sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

用某月海冰運動數據減去所有數據中相同月份的平均值得到月距平變化數據, 利用月距平變化可以詳細分析羅斯海海冰運動速度年際變化波動規律, 同時最大程度上減少季節變化帶來的影響[20]。總體來看也可以得到海冰運動速度在浮動范圍中保持增長的趨勢(圖4), 海冰運動速度平均每年增加0.3 m·h–1, 月距平變化大致為47 m·h–1。

圖3 1979—2015年羅斯海海冰運動速度月變化Fig.3 Variation of monthly sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

圖4 1979—2015年羅斯海海冰運動速度月距平變化Fig.4. Variation of monthly deviations about sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

2.2 海冰運動速度季節變化特征

本文按照南半球傳統季節劃分方法將南極分為春季(10—12月)、夏季(1—3月)、秋季(4—6月)和冬季(7—9月)進行研究。海冰運動速度季節變化(圖5)表明羅斯海海冰運動速度增加趨勢最快的季節為秋季, 增加速率為4.4 m·h–1·a–1, 2007年秋季海冰運動速度更是達到了最大值287 m·h–1;其次是冬季, 增加速率為3.9 m·h–1·a–1, 1998年冬季海冰運動速度達到了次大值265 m·h–1, 但冬季是海冰平均運動速度最快的季節; 春季為3.1 m·h–1·a–1,與秋冬季增加速率相差不大; 增加趨勢最小的是夏季, 同時也是四個季節中平均運動速度最慢的季節, 夏季每個年份變化趨勢相對其他三個季節較為平緩, 但整體上還是略有增加, 增加速率為0.8 m·h–1·a–1。

圖5 1979—2015年羅斯海海冰運動速度季節變化Fig.5. Variation of seasonal mean sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

從月平均變化(圖6)中可以看到, 海冰運動速度在2月達到最低值后, 3、4月開始迅速加快, 5月運動速度有所下降, 之后月份速度緩慢增加, 8月達到峰值后又開始慢慢下降, 也剛好對應羅斯海海冰平均運動速度冬季最快, 其次是秋季、春季,最后是夏季。

圖6 1979—2015年羅斯海海冰運動速度月平均變化Fig.6. Variation of monthly mean sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

2.3 海冰運動速度與海冰范圍之間的關系

上文結果得到1979—2015年羅斯海海冰平均運動速度具有加快的趨勢, 對海冰平均運動速度和海冰范圍的相關分析來探究海冰運動與海冰范圍之間可能存在的聯系。

圖7的回歸分析表明海冰運動速度與范圍均呈現上升趨勢, 海冰運動速度增長速率為0.3 m·h–1,而海冰范圍以每年1.11×103km2的速度擴張。相關性研究發現兩者在0.01置信水平上顯著正相關,相關系數為0.687。表明隨著羅斯海海冰運動速度的提高, 海冰范圍不斷地增加。羅斯海海冰運動模式的特點是沿海岸東部海冰流入羅斯海相對較弱, 西北向流出更強[12]。羅斯海海冰平均運動速度37年間具有加快的趨勢, 表明此區域常年盛行的西北向海冰環流速度逐年加快, 致使羅斯海區域海冰向低緯度移出, 海冰范圍逐漸擴大, 從而對南極整體海冰分布產生影響。

海冰運動速度與海冰范圍月平均變化趨勢整體上一致(圖8), 都在2月達到最小值, 然后快速增加, 海冰運動速度在8月達到最大值而海冰范圍在9月達到最大值, 隨后相繼下降。不同的是, 海冰運動速度在5月達到極值后有所減慢,海冰范圍則是從2—9月一直保持擴張趨勢。海冰范圍變化相對海冰運動速度有所滯后, 滯后1—2個月。

圖7 1979—2015年羅斯海年平均海冰運動速度與海冰范圍變化Fig.7 Relationship between yearly mean sea ice motion velocity and sea ice extent from 1979 to 2015

圖8 1979—2015年羅斯海海冰運動速度與海冰范圍月平均變化Fig.8. Variation of monthly mean sea ice motion velocity and sea ice extent in the Ross Sea from 1979 to 2015

3 海冰運動速度變化影響因素

3.1 風場對海冰運動速度變化的影響

在0.01的置信水平下, 1979—2015年羅斯海區域年平均海冰運動速度與年平均風速的相關系數是0.455, 兩者存在顯著的正相關關系(圖9)。1979年1月—2015年12月逐月海冰運動速度與逐月風速的相關系數是0.492, 大致規律為風速每加快1 km·h–1, 海冰運動速度增加8.4 m·h–1(圖10)。風速加強是海冰運動速度加快的重要原因。

風的作用直接給予海冰拖曳力, 使得海冰發生運動。Thorndike等[21]和Serreze等[22]發現風速和海冰運動速度的關系是線性的, 只有在風速很弱的情況下才變為非線性關系。國內外很多文獻同樣證明風場對海冰有持續性的影響[16,23], 與本文研究結果相一致。

圖9 1979—2015年羅斯海海冰運動速度與風速變化對比Fig.9. The relationship between sea ice motion velocity and wind speed in the Ross Sea from 1979 to 2015

圖10 1979—2015年逐月海冰運動速度與風速的相關關系Fig.10. The relationship between the monthly sea ice motion velocity and wind speed from 1979 to 2015

3.2 其他影響因素

除了風場對海冰運動作用顯著外, 其他海洋環境因素也會對其產生影響。Comiso等[12]研究了1992—2008年羅斯海區域海冰運動情況, 認為海冰運動的強度和空間位置分布取決于大氣中一直存在的低壓模式, 即氣壓場會影響海冰運動。Spreen等[23]認為海冰運動在較小程度上會受到洋流場的影響, 同時也受到大氣、海洋阻力系數以及海冰內部之間相互作用擠壓的影響。

4 結論和討論

使用1979—2015年NSIDC海冰運動和海冰密集度數據, 分析了羅斯海海冰運動速度的年際和季節變化特征及其與海冰范圍可能存在的聯系,最后用海表面風速數據探討海冰運動與風場的關系, 得到如下結論。

1. 1979—2015年羅斯海海冰運動速度總體呈現加快趨勢。海冰運動速度增加趨勢最快的季節為秋季, 其次是冬季、春季, 增加趨勢最小的為夏季; 冬季海冰平均運動速度最大, 接著是秋季、春季和夏季。

2. 回歸分析表明37年間海冰運動速度與范圍均呈現上升趨勢, 海冰范圍月平均變化滯后海冰運動速度1—2個月。其中海冰運動速度增長速率為0.3 m·h–1, 而海冰范圍以每年1.11×103km2的速度擴張。相關性研究發現兩者在0.01水平上顯著正相關, 表明隨著羅斯海海冰運動速度的加快, 西北向海冰環流逐年增強, 海冰向低緯度運動, 致使羅斯海海冰范圍不斷地增加, 進而影響南極海冰整體分布。

3. 羅斯海年平均海冰運動速度與風速、逐月海冰運動速度與風速都呈現顯著正相關關系, 風速對海冰的運動發揮著重要作用, 除此之外其他海洋環境因素也會影響海冰運動。

4. 海冰運動是一個氣-冰-海相互作用的復雜過程, 本文僅對羅斯海海冰運動時間序列演變進行了初步研究, 空間地理位置的差異也會導致不同區域海冰運動的不同, 因此海冰運動空間分布的變化將是下一步研究方向之一。另外, 表征羅斯海海冰變化的因子有很多, 除了海冰運動、海冰范圍之外, 還有海冰厚度、海冰體積等, 這些因子對羅斯海海冰的變化分析也很重要, 在今后也有待進一步研究。

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