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

(天津科技大學海洋與環(huán)境學院, 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。研究結果表明, 威德爾海海冰密集度分布具有較強的季節(jié)性, 威德爾海海冰在南極半島一側堆積的重要成因是風場的分布差異, 毛德皇后地外海海冰向開闊大洋漂移進而消融, 具有“西高東低、近岸高遠海低”的空間分布特征。威德爾海海冰面積存在27個月、35個月、75個月和120個月的周期, 春、秋、冬三季海冰面積變化趨勢并不顯著, 夏季海冰面積增加趨勢顯著, 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個月、35個月、75個月的周期存在關聯(lián), 海冰面積與氣溫和海表面溫度在春、夏、秋三季有較強的負相關關系, 與凈太陽短波輻射在全年有較強的負相關關系。

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, 南大洋逐漸成為當下研究的熱點地區(qū)。海冰是形成極地冷源的關鍵因素[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高于開闊水域[7-8], 且能隔絕海洋向大氣的散熱效應[9-10], 阻隔海氣間的水汽交換[11-12]。海冰生消時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, 底層水的變化導致大尺度環(huán)流的變化[13],進而影響全球生態(tài)系統(tǒng)[14-15]。因此研究南極海冰對于全球熱循環(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, 有助于更全面地認識南大洋海冰變化。

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南大洋整體海冰變化影響顯著, 國內外學者對威德爾海海冰變化趨勢進行了大量研究。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, 年變化率約為8.48×103km2·a–1; 沈校熠等[21]在對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; 舒蘇[19]發(fā)現(xiàn), 在2011—2018年間, 威德爾海在1—8月份時海冰面積呈現(xiàn)增加趨勢, 在9—12月時呈現(xiàn)減小趨勢。在威德爾海海冰變化影響因子研究方面, 解思梅等[22]認為威德爾海下降風的分布差異是導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年間的運動速度加快導致了海冰輸出至緯度更低的海域, 使海冰覆蓋面積擴大; 唐述林等[13]指出東風會使海冰在威德爾海聚集, 威德爾回旋的北支會使海冰向北方漂移進而形成開闊水域; 柯長青等[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的負相關性; 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相關關系; Weiss等[24]認為相對溫暖的海域或新形成的海冰具有較低的反照率, 而相對寒冷的覆冰區(qū)反照率較高。目前國內外學者對威德爾海海冰密集度空間分布特征、海冰面積變化趨勢、氣候指數(shù)對威德爾海海冰影響以及對威德爾海海冰環(huán)境建模等方面展開研究, 對于大氣強迫對威德爾海海冰影響的關注較少。

當前南極生態(tài)環(huán)境以及全球氣候對南極海冰變化響應的研究, 均對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, 并從熱力學和動力學因素兩方面對影響海冰密集度分布以及面積年際變化特征進行分析。

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小時和24小時包括降水和輻射通量等大氣強迫進行修正, 輸出結果為天平均位溫、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]。文中使用的風場、凈太陽短波輻射、氣溫數(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, 計算得到該網(wǎng)格海冰面積, 將研究區(qū)域內各網(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行分析, 多年冰指存在時間大于一年的海冰, 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年一年冰面積。

為驗證GLORYS12V1數(shù)據(jù)的可靠性, 本文選取1993—2017年NOAA/NSIDC被動微波海冰密集度月平均數(shù)據(jù)對模型數(shù)據(jù)進行驗證, 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兩種數(shù)據(jù)的多年平均季節(jié)分布特征進行定性比較, 再以計算得到的月平均海冰總面積、標準化標準差等統(tǒng)計量和相關分析進行定量比較。

2 結果

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的季節(jié)性, 兩者都表現(xiàn)為西高東低、近岸高遠海低的特征(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的小范圍海域, 在冬季明顯擴張。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南北兩側小范圍海域分布; 秋季(4—6月)海冰范圍向北擴張, 30°W附近以及毛德皇后地外海部分海域海冰范圍到達55°S以北, 密集度95%以上高值區(qū)范圍向北擴展至65°S, 向南擴張至陸地沿岸海域, 西邊界達到30°W; 冬季(7—9月)海冰范圍達到最大, 位于南極半島一側的海冰海域范圍向北擴張至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)向東擴張, 沿岸高值區(qū)達到15°W, 但南極半島一側海域高值區(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系數(shù)為0.93, 并通過95%置信區(qū)間檢驗, 表現(xiàn)出較高的相關性, 模型數(shù)據(jù)標準化標準差為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、標準化標準差與相關性

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相似, 多年冰的變化在夏季占據(jù)主導地位。秋季海冰面積較夏季增加, 年際變化波動加劇, 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相似。冬季海冰面積達到最大值, 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大于多年冰面積, 一年冰面積變化與春季整體變化趨勢相似, 一年冰的變化在春季海冰面積變化中占主導地位。由于威德爾海地區(qū)季節(jié)性差異較大, 夏季溫度相對溫暖, 這導致夏季一年冰融化, 多年冰面積大于一年冰, 因此在夏季多年冰變化占據(jù)主導地位。相對寒冷的秋、冬、春三季, 一年冰覆蓋了威德爾海的大部分海域, 導致一年冰的變化主導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)信號后對威德爾海的月均海冰面積進行譜分析, 結果如圖3所示, 在1993—2017年間的海冰面積變化存在27個月、35個月、75個月和120個月的周期(圖3)。

威德爾海海冰面積在四季中都呈現(xiàn)了較強的年際波動[21], 其中只有夏季具有顯著的增加趨勢, 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, 以每年0.19×105km2的速度增長。為了進一步探求威德爾海海冰面積變化趨勢的分布特征, 對威德爾海每一網(wǎng)格在1993—2017年間的月均海冰面積使用最小二乘法計算了變化趨勢, 圖中藍色等值線標注區(qū)域為海冰面積變化趨勢通過95%置信區(qū)間t檢驗區(qū)域(圖4)。變化趨勢顯著區(qū)域幾乎全部為海冰面積變化趨勢上升區(qū),

威德爾海整體海冰面積呈現(xiàn)下降趨勢的區(qū)域面積占比很大, 但實際上這些區(qū)域所呈現(xiàn)的下降趨勢并不顯著。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, 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, 南極半島一側的高值區(qū)仍較為穩(wěn)定, 解思梅等[22]認為影響海冰季節(jié)性融化的主要原因為動力學因素, 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引起周邊地區(qū)風場的改變, 進而影響威德爾海夏季內部海冰的分布[30]。為探求威德爾海海冰密集度分布特征的影響因素, 對威德爾海海域風場分布進行分析。

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)

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)多年平均風場分布圖, 全年南極半島與毛德皇后地外海所包圍的海域離岸風均較弱, 風速明顯低于其他海域。該區(qū)域風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。威德爾海南極半島一側海冰由于受到風影響運動速度較慢, 并且在0°～20°W毛德皇后地沿岸海域偏東南風的作用下, 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速較大的偏南風, 這樣的風場導致了毛德皇后地外海海冰被運輸?shù)降途暥群推渌Ｓ颉檫M一步驗證風場對海冰運動和海冰分布的影響, 選取海冰面積極小值年份(1999年)和極大值年份(2015年)進行了對比分析, 分析發(fā)現(xiàn)四季中夏季海冰分布差異最明顯(圖6)。通過對比1999年和2015年夏季風場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場具有較強的協(xié)同性。從局部來看, 1999年夏季風場在70°S南極半島一側海域出現(xiàn)了較為明顯的渦旋, 2015年夏季風場在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)域風速較低, 該區(qū)域的海冰漂移速度也相應地較低, 并且整體上風速與海冰漂移速度在分布上具有較好的對應關系。威德爾海的風場分布是影響海冰運動的重要因素之一, 這一結論在卞林根等[29]和張林等[31]的研究中得到了證實, 張藝博等[11]發(fā)現(xiàn)南大洋海冰漂移速度與風速存在顯著的正相關關系。2015年夏季南極半島一側的西南風盛行, 海冰向東北方向漂移導致南極半島一側海冰范圍擴大, 而1999年夏季該海域65°S海區(qū)偏北風盛行, 阻礙海冰向北擴張, 南極半島一側海冰范圍較小。在毛德皇后地外海海域, 1999年風速明顯偏大, 導致了海冰向低緯度和相鄰海域運輸, 而2015年則風速較小, 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季節(jié)分布.其中藍色等深線標注區(qū)域為通過95%置信區(qū)間t檢驗區(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場分布.其中箭頭表示風速方向, 等值線表示風速大小

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 夏季威德爾海風場、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

盡管風場分布的空間差異對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)計發(fā)現(xiàn)風向分級頻次、風速、風向等與威德爾海海冰面積年際變化并沒有顯著相關性, 這一結果在Kusahara等[32]的研究中得到了證實。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種熱力學影響因素均與威德爾海海冰面積存在著較為明顯的負相關關系, 其中與氣溫關系較弱, 冬季相關性整體較弱, 只有凈太陽短波輻射與海冰面積具有較明顯的關系。一年冰面積與熱力學因素的關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相關關系較強, 除此之外春季和夏季一年冰面積與3種熱力學因素的關系較為明顯, 冬季一年冰的變化與熱力學因素關聯(lián)不大。關于凈太陽短波輻射對海冰的影響, 舒蘇[19]認為海冰的內部產(chǎn)生的鹽泡和氣泡會增強凈太陽短波輻射在海冰內部的散射, 這導致其會吸收更多的太陽輻射。因此當威德爾海進入極晝, 凈太陽短波輻射會改變威德爾海地區(qū)熱收支, 導致該地區(qū)氣溫改變進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3種熱力學因素進行譜分析后發(fā)現(xiàn), 氣溫存在著35個月、43個月、75個月和85個月的周期; 海表面溫度存在著46個月、66個月和75個月的周期; 凈太陽短波輻射存在著27個月、66個月和75個月的周期, 其中3種熱力學因素75個月的周期與海冰面積的年際周期一致, 氣溫存在與海冰對應的35月周期, 短波輻射存在與海冰一致的27個月周期。由表2相關系數(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性不顯著; 與氣溫在春、夏、秋三季具有顯著相關性, 其中夏季最高、春季次之、秋季最低, 冬季不具有顯著相關性; 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種熱力學影響因素的相關系數(shù), 一年冰在夏季和春季與海表面溫度具有顯著相關性, 其中夏季相關性較高, 秋冬兩季相關性不顯著; 與氣溫在春、夏、秋三季具有顯著相關性, 其中秋季最高、夏季次之、春季最低, 冬季不具有顯著相關性; 一年冰面積與凈太陽短波輻射在春夏兩季相關性顯著, 其中春季相關性高于夏季, 在秋冬兩季相關性不顯著。多年冰與海表面溫度和凈太陽短波輻射具有顯著相關性, 但與氣溫相關性不顯著。

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性(*為通過95%置信區(qū)間檢驗)

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性(*為通過95%置信區(qū)間檢驗)

4 結論與展望

本文基于1993—2017年GLORYS12V1再分析數(shù)據(jù), 計算了海冰面積, 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的小范圍海域, 夏季南極半島附近海域的風場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)低速風和0°～20°W沿岸海域偏東風的影響下, 海冰得以被運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速較大, 海冰被運輸?shù)降途暥群拖噜徍Ｓ? 導致海冰范圍較小。威德爾海海冰面積年際差異較大, 具有較強的年際波動。海冰面積表現(xiàn)為增加趨勢的區(qū)域, 主要集中在夏季和冬季的南極半島一側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個月、35個月、75個月和120個月的周期性。春冬兩季一年冰在整體海域海冰變化中占主導地位; 而相對較為溫暖的夏季, 一年冰較少, 多年冰在整體海域海冰變化中占主導地位。熱力學因素是主導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種熱力學因素與海冰面積一樣也具有75個月的周期, 凈太陽短波輻射在全年對威德爾海整體海冰的年際變化具有一定的影響, 對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受到海表面溫度、氣溫和凈太陽短波輻射3種熱力學控制。

本文在對動力學因素的討論中, 僅以夏季為例討論了整體海域風場對海冰運動與海冰分布的影響, 沒有進一步根據(jù)各海域的特征進行分區(qū)討論, 結論僅停留于對分布差異的認識。在對熱力學影響因子的研究中, 僅對溫度、氣溫和凈太陽短波輻射與海冰面積進行了年際差異的比較和相關分析, 影響機制探討較少, 對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。

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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)學研究。E-mail: 1541838652@qq.com

趙亮, E-mail: zhaoliang@tust.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20200075