南極海冰快速下降歷史事件的時空特征分析*

楊穎玥 劉海龍, 2, 3

南極海冰快速下降歷史事件的時空特征分析*

楊穎玥1劉海龍1, 2, 3①

(1. 上海交通大學 海洋學院 上海 200030; 2. 中國極地研究中心 上海 200136; 3. 自然資源部極地科學重點實驗室 上海 200136)

衛星記錄以來, 南極海冰范圍發生5次快速下降事件, 研究這5次事件的時空特征, 對進一步認識海冰快速下降事件的物理機制具有重要意義?；诤１秶秃１芗鹊男l星數據, 從時間和空間兩個維度總結5次南極海冰快速下降事件的特征, 再結合大氣和海洋各項環境因素的再分析數據, 探討海冰快速下降的影響因素及其驅動過程。結果顯示: 南極海冰快速下降的空間分布存在季節性差異, 2021年8～12月以及2016年8～12月的春季南極海冰快速下降由別林斯高晉海、威德爾海、印度洋和西太平洋區域的海冰減少所主導; 2010年12月至2011年4月以及1985年12月至1986年4月的夏季南極海冰快速下降由威德爾海、羅斯海沿岸和西太平洋區域的海冰減少所主導; 2008年4～8月的冬季南極海冰快速下降則由別林斯高晉海和西太平洋的部分區域的海冰減少所主導。探究影響海冰的環境因素發現, 海表面溫度和海表面凈熱通量對海冰減少的熱力效應影響具有區域性差異。此外, 南極海冰快速下降受阿蒙森低壓的影響, 相應的海表面風異常既通過經向熱輸運的熱力效應導致海冰減少, 也通過風的動力效應驅動海冰漂移使得海冰密集度降低。

南極海冰; 海冰下降; 海表面風; 海表面溫度; 海表面凈熱通量

海冰在全球氣候系統中發揮著重要作用, 比如影響云的形成和降水模式(Lemke, 1980; Bracegirdle, 2015); 調節大氣和海洋之間的能量和物質交換(Raphael, 2003; Massom, 2010)等。此外, 海冰還通過融化和凍結, 影響海水的溫度和鹽度, 從而影響海洋環流(Aagaard, 1989; Kirkman, 2011)。研究發現, 過去40年北極海冰持續減少, 而南極海冰在2014年之前總體呈上升趨勢, 1978～2015年期間北極海冰范圍平均每10年減少約4.36% (Comiso, 2017b), 而南極海冰范圍平均每10年增加約1.7% (Comiso, 2017a)。然而, 2014年后南極海冰出現快速下降的情況。南極年均海冰范圍(sea ice extent, SIE)在2014年達到記錄以來的最高值12.8×106km2, 隨后在2015～2016年期間減少了1.2×106km2, 是1979年以來連續兩年之間的最大減少量(Parkinson, 2019)。2016年9～12月期間南極海冰范圍(sea ice extent, SIE)異常發生劇烈下降, 并在2016年12月達到衛星觀測以來的最低值(李雙林等, 2021)。

2015～2016年南極海冰快速下降的情況引起學者們的關注, 他們對2015～2016年南極海冰下降的原因進行了研究, 比如, 2016年4～10月南大洋強烈且持續的大尺度經向流和氣旋形成了溫暖的海表面狀態, 同時海冰漂移增強, 導致春季南極海冰快速下降(Wang, 2020); 威德爾海的海冰減少由2016年9～12月的強氣旋活動導致(Turner, 2020); 2016年8～10月, 南大洋出現強烈的緯向3波模結構, 印度洋區域、羅斯海和阿蒙森-別林斯高晉海出現強烈的向極熱輸運, 有利于這些區域的海冰減少(Kusahara, 2018); 年代際尺度上, 南半球環狀模(southern annular mode, SAM)處于正相位使得環南極西風帶增強, Ekman抽吸使深層暖水向上輸送, 持續到2016年春季SAM由正相位轉為負相位, 產生的溫暖海表面狀態有利于南極海冰范圍持續減少(Meehl, 2019; Eayrs, 2021); 2016年末SAM為負, 印度洋區域產生較明顯的向極熱通量, 使得該區域海冰顯著減少(Marshall, 2016)等。

然而, 最新的南極海冰衛星觀測數據顯示2022年2月南極海冰范圍達到歷史新低(Raphael, 2022; Turner, 2022; Wang, 2022)。Raphael等(2022)認為, 2022年夏季南極海冰范圍的新低記錄是由2021年8月之后海冰持續減少造成的。南極海冰在2021～2022年又一次發生劇烈下降的情況, 導致2022年2月南極海冰范圍為衛星觀測以來的最低值。南極海冰雖然在1979～2014年整體呈上升趨勢, 但這期間也曾出現過海冰快速下降的情況。以往的南極海冰快速下降情況和2015～2016年以及2021～2022年兩次南極海冰快速下降在時間和空間上存在哪些異同, 這是本文關注的問題。此外, Wang等(2022)研究了2022年南極海冰創歷史新低的原因, 他們發現2021年春季南極海冰快速下降是由于阿蒙森海異常風的動力效應和威德爾海凈熱通量正異常的綜合影響, 并將2022年夏季南極海冰損失主要歸因于阿蒙森海和威德爾海凈熱通量正異常。對于2015～2016年南極海冰的下降, 學者們認為是大氣和海洋的熱力及動力效應相互疊加的結果, 比如南大洋溫暖的海表面狀態、經向熱輸運加強和海表面風對海冰的漂移作用增強等(Schlosser, 2018; Wang, 2020)。那么, 以往南極海冰快速下降時, 大氣和海洋的耦合熱動力過程是如何造成海冰減少的, 也是本文要探索的問題。

本文首先劃分出1979年以來的5次南極海冰快速下降事件, 并從時間和空間兩個維度總結5次南極海冰快速下降事件的特征。然后, 探究5次南極海冰快速下降事件的影響因素及其驅動過程, 考慮了海溫、大氣熱輻射、海表面氣壓以及海表面風這幾項驅動海氣耦合熱動力過程的主要環境因素。最后對上述分析及討論進行總結, 對未來南極海冰的研究提出展望。

1 數據介紹

海冰范圍的衛星觀測數據來自National Snow & Ice Data Center (NSIDC)提供的sea ice index, Version 3 (https://nsidc.org/data/G02135/versions/3)。該產品基于Nimbus-7的衛星觀測數據, 提供每月數據, 時間范圍從1978年10月至今。本文選用1979年1月到2022年5月的海冰范圍數據。

海冰密集度(sea ice concentration, SIC)的衛星數據來自NOAA/NSIDC Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration, Version 4 (https:// nsidc.org/data/G02202/versions/4)。該數據集提供了被動微波數據的海冰密集度的氣候數據記錄(climate data record, CDR)。CDR包括了1978年10月25日到2021年12月31日的南極和北極地區海冰密集度的日均和月均的時間序列數據, 空間分辨率為25 km× 25 km。本文選用1979年1月到2021年12月的月均海冰密集度數據。2022年1月到5月的海冰密集度數據則來自該數據集的近實時版本Near-Real-Time NOAA/NSIDC Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration, Version 2 (https:// nsidc.org/data/g10016)。

南大洋的海表面溫度(sea surface temperature, SST)、海表面凈熱通量(海面長波輻射、太陽短波輻射、感熱通量、潛熱通量之和)、經向熱輸運垂向積分、海平面氣壓(sea level pressure, SLP)、海表面10 m風的緯向分量和經向分量的數據均來自Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Reanalysis v5 (ERA5) (https://www.ecmwf.int/en/ forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5), 這是ECMWF對1950年1月至今全球氣候的第五代大氣再分析, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 本文選用1979年1月到2021年12月的以上各項環境因素數據。

2 結果與分析

2.1 南極海冰快速下降事件的時間特征

1979年1月到2022年5月南極海冰范圍的逐月變化如圖1a所示(選取的SIE數據集里1987年12月和1988年1月的數據缺失), 紅點表示2月, 藍點表示9月。本文所指的季節均以南半球為基準, 9～11月為春季; 12月至次年2月為夏季; 3～5月為秋季; 6～8月為冬季。南極海冰范圍季節變化明顯, 海冰范圍在夏季減少, 秋季和冬季增加, 在2月達到每年最低值, 9月達到每年最高值。2022年2月南極海冰范圍減小到歷史最小值, 2017年2月南極海冰范圍是歷史第二最小值, 分別反映出2021年春季和2016年春季南極海冰出現快速下降的情況, 與前人的分析相符(Parkinson, 2019; Raphael, 2022)。

圖1 1979年1月到2022年5月南極海冰范圍的逐月變化(a)以及海冰范圍異常的逐月變化(b)

注: 海冰范圍異?；?981～2020年海冰范圍的月氣候平均態算出; 其中紅點表示2月, 藍點表示9月

為了直接觀察南極海冰范圍每月的變化情況, 去掉1981～2020年海冰范圍的月氣候平均態, 得到1979年1月到2022年5月南極海冰范圍異常逐月變化如圖1b所示。圖1b顯示2015～2016年南極海冰范圍異常劇烈減少, 尤其是2016年8～12月的減少量十分顯著, 連續5個月內海冰范圍異常減少了2.224× 106km2。類似地, 發現2021～2022年南極海冰下降也集中在2021年8～12月, 這期間海冰范圍異常的減少量為1.654×106km2。以上兩次南極海冰快速下降時期, 海冰范圍異常在連續5個月內的減少量超過1.4×106km2, 因此, 本文將連續5個月內海冰范圍異常減少量超過1.4×106km2定義為劃分南極海冰快速下降事件的標準, 并以此標準劃分1979年以來發生的南極海冰快速下降事件。結合圖1b和衛星觀測的海冰范圍數據可知, 盡管南極海冰范圍異常在1979～2014年期間整體呈上升趨勢, 但也曾發生過三次快速下降的情況, 分別在1985年12月至1986年4月、2008年4～8月、2010年12月至2011年4月, 南極海冰范圍異常的減少量分別為1.435×106km2、1.767×106km2、1.644×106km2。

綜上所述, 1979～2021年期間共劃分出5次南極海冰快速下降事件, 分別是1985年12月至1986年4月、2008年4～8月、2010年12月至2011年4月、2016年8～12月以及2021年8～12月。以上5次下降事件持續5個月, 海冰劇烈減少的情況主要發生在1986年夏季、2008年冬季、2010年夏季、2016年春季以及2021年春季, 且完全覆蓋以上季節。因此本文選擇用某一季節指代某次南極海冰下降事件, 并按季節不同對比分析南極海冰快速下降事件的空間特征和影響因素, 總結5次南極海冰快速下降事件的異同。接下來將探究不同季節的南極海冰快速下降事件在空間上的變化特征, 以各季節內3個月的海冰密集度(sea ice concentration, SIC)異常的算術平均值代表該季節的SIC異常。

2.2 南極海冰快速下降事件的空間特征

為了直觀地了解5次海冰快速下降時期海冰的空間分布特征, 按季節的不同, 分別進行SIC異常的空間分布特征的描述?；?981～2020年SIC的月氣候平均態, 繪制2021年春季和2016年春季SIC異常的空間分布, 如圖2所示, 黑線表示南大洋5個海區的分界線, 分別是羅斯海(RS, 160°E ～ 130°W)、阿蒙森-別林斯高晉海(ABS, 130°W ～ 60°W)、威德爾海(WS, 60°W ～ 20°E)、印度洋區域(IO, 20°E ～ 90°E)、西太平洋區域(PO, 90°E ～ 160°E)。

由圖2可知, 2021年春季SIC在別林斯高晉海、威德爾海、印度洋區域東部和西太平洋區域西部的海冰邊緣表現為負異常; 在阿蒙森海和羅斯海東部、印度洋西部的海冰邊緣為正異常(圖2a)。2016年春季, SIC在阿蒙森-別林斯高晉海、威德爾海西部、印度洋區域、西太平洋區域東部和羅斯海西部的海冰邊緣表現為明顯的負異常; 在羅斯海東部、威德爾海東部的海冰邊緣為正異常(圖2b)?？傮w而言, 2021年春季和2016年春季海冰下降的空間分布存在相似性, 海冰減少都發生在別林斯高晉海、威德爾海、印度洋區域和西太平洋區域, 這些區域SIC表現為顯著負異常。兩個時期的SIC在羅斯海西部和西太平洋區域東部的異常情況有所不同, 前者無明顯變化, 后者表現為顯著負異常。

注: SIC 異?；?981～2020年SIC的月氣候平均態算出

同樣地, 基于1981～2020年SIC的月氣候平均態, 繪制2011年夏季、1986年夏季和2008年冬季SIC 異常的空間分布如圖3所示。2011年夏季SIC在威德爾海、羅斯海沿岸和西太平洋區域沿岸表現為負異常; 在阿蒙森-別林斯高晉海、印度洋區域以及羅斯海遠岸表現為正異常(圖3a)。與2011年夏季類似, 1986年夏季SIC在威德爾海沿岸、羅斯海沿岸和西太平洋區域沿岸表現為負異常, 西太平洋區域的SIC負異常比較顯著, 而其余區域SIC表現為正異常(圖3b)。由此可見, 2011年夏季和1986年夏季南極海冰快速下降的空間分布與春季南極海冰下降的分布不同, 兩次夏季海冰下降都只發生在威德爾海、羅斯海沿岸和西太平洋區域, 存在一定的相似性, 但這兩次夏季海冰快速下降時期SIC的正異常分布情況存在差異。

圖3 2011年夏季(a)、1986年夏季(b)和2008年冬季(c)海冰密集度異常的空間分布

注: SIC異常基于1981～2020年SIC的月氣候平均態算出

此外, 由圖3c可知, 2008年冬季SIC異常程度較小, SIC在別林斯高晉海和西太平洋區域的海冰邊緣表現為負異常; 在威德爾海、印度洋區域和羅斯海的海冰邊緣表現為正異常, 與前文中春季和夏季海冰快速下降的分布情況都不相似。

總而言之, 5次南極海冰快速下降的空間分布存在季節性差異。兩次春季海冰快速下降事件中SIC負異常的空間分布相似, 且范圍較廣、程度顯著, 海冰減少主要發生在別林斯高晉海、威德爾海、印度洋和西太平洋區域; 兩次夏季海冰快速下降事件中SIC負異常情況只出現在威德爾海、羅斯海和西太平洋區域的沿岸, 夏季SIC負異常的空間范圍沒有春季SIC負異常的空間范圍廣; 冬季海冰快速下降事件中SIC負異常的程度弱、范圍小, 海冰減少主要發生在別林斯高晉海和西太平洋區域。

2.3 南極海冰快速下降事件的影響因素

前人研究發現, 大氣和海洋對南極海冰的影響是復雜的, 既能單獨影響海冰, 也能通過相互作用影響海冰(Meehl, 2016; Stuecker, 2017; Wang, 2019)。大氣既通過冷熱空氣平流發揮熱力效應, 也通過風的動力效應影響海冰漂移, 進而影響海冰范圍(Haumann, 2014; Kwok, 2017; Wang, 2019)。海洋上層在低層大氣和深海之間的熱傳遞過程中發揮作用(Zhang, 2007; Goosse, 2014), 海洋、大氣和海冰之間強烈的熱量反饋會加速或減緩海冰的凍結和融化(Stammerjohn, 2012)。

為了揭示5次南極海冰快速下降事件的影響因素, 本文對比研究了2021年春季和2016年春季、2011年夏季和1986年夏季以及2008年冬季南大洋海表面溫度、海表面凈熱通量、海平面氣壓和海表面風的異常情況, 以期發現大氣和海洋對南極海冰快速下降事件的主要驅動過程。本文以各季節內3個月的環境因素異常的算術平均值代表該季節的環境因素異常。

溫暖的海洋表面狀態和強烈的海表面凈熱通量會通過熱力效應促進海冰融化, 有利于海冰減少(Schlosser, 2018; Hao, 2021)。為了研究5次南極海冰快速下降事件中海洋和大氣的直接熱力效應是如何導致海冰減少的, 繪制了5次海冰快速下降時期的海表面溫度和海表面凈熱通量(向下為正)的異常情況如圖4所示。

由圖4可知, 2021年春季海表面溫度和海表面凈熱通量都在別林斯高晉海、威德爾海、印度洋區域和西太平洋區域表現為正異常(圖4a、4b), 表明這些區域表層海水溫度較高, 海表面凈熱通量較強。同時, 對應區域的SIC表現為負異常(圖2a), 說明海洋和大氣的熱力效應會導致海冰減少, 表層海溫升高和海表面凈熱通量增強是導致2021年春季南極海冰快速下降的原因。與2021年春季的表層海溫和海表面凈熱通量情況類似, 2016年春季海表面溫度在阿蒙森-別林斯高晉海、印度洋區域和羅斯海表現為正異常(圖4c), 海表面凈熱通量在別林斯高晉海、威德爾海、印度洋區域和羅斯海表現為正異常(圖4d), 這些區域的SIC表現為負異常(圖2b), 說明2016年春季海冰減少也受表層海溫升高和海表面凈熱通量增強的共同影響。兩次春季南極海冰快速下降時期的SIC 異?？臻g分布雖然相似, 但表層海溫和海表面凈熱通量在同一區域的異常情況有所差別, 比如2021年春季威德爾海的海冰減少受表層海溫和海表面凈熱通量的共同影響, 而2016年春季威德爾海的海冰受強烈的海表面凈熱通量影響而減少, 說明南大洋海表面溫度和海表面凈熱通量的異常情況復雜, 其對海冰變化的影響具有區域性差異。

類似地, 2011年夏季海表面溫度在威德爾海西部表現為正異常(圖4e), 海表面凈熱通量在威德爾海西部、西太平洋區域沿岸和羅斯海沿岸表現為正異常(圖4f), 這些區域的SIC表現為負異常(圖3a), 說明夏季的海冰減少受海洋和大氣的熱力效應影響。1986年夏季海表面溫度在西太平洋區域東部沿岸表現為正異常(圖4g), 海表面凈熱通量在威德爾海沿岸、西太平洋區域沿岸表現為正異常(圖4h), 這些區域的SIC為負異常(圖3b)。由此可見, 兩次夏季南極海冰快速下降時, 海冰的區域性減少受正異常的海表面溫度和海表面凈熱通量影響, 相較而言海表面凈熱通量對海冰的影響范圍更大。

2008年冬季SIC在別林斯高晉海和西太平洋區域下降(圖3c), 對應區域的海表面溫度表現為微弱的正異常(圖4i), 但海表面凈熱通量表現為微弱的負異常(圖4j), 說明冬季海冰減少受溫暖的表層海水的熱力效應影響, 而海表面凈熱通量對冬季海冰減少的影響情況與春季和夏季相反。

綜上所述, 海表面溫度和海表面凈熱通量是以上5次南極海冰快速下降的影響因素。溫暖的表層海水和強烈的海表面凈熱通量通過直接的熱力效應導致海冰融化減少, 但同一海冰快速下降時期的海表面溫度和海表面凈熱通量的異常情況并不完全相同, 對海冰變化的影響具有區域性差異。

圖4 2021年春季、2016年春季、2011年夏季、1986年夏季以及2008年冬季海表面溫度異常(a、c、e、g、i)和海表面凈熱通量異常(b、d、f、h、j)情況

注: 基于1981～2020年月氣候平均態算出

南大洋上空的氣壓異常使得大氣產生強烈的氣旋活動, 而風異常不僅通過熱力效應影響海冰的生長或融化, 還通過動力效應驅動海冰漂移到更冷或更暖的區域, 導致海冰的增加或減少(Wang, 2020)。為了研究南大洋氣壓和海表面風對5次南極海冰快速下降的影響過程, 繪制了5次海冰快速下降時期的經向熱輸運(向北為正)、海平面氣壓和10 m風的異常情況如圖5所示。

由圖5可知, 2021年春季阿蒙森-別林斯高晉海出現強烈的低壓系統, 產生明顯的氣旋活動, 別林斯高晉海和威德爾海西部出現北風異常(圖5b), 一方面, 風的動力效應推動海冰向南漂移, 使得海冰邊緣處海冰減少、近岸海冰增加; 另一方面, 北方溫暖的空氣向南流動, 產生向南的經向熱輸運(圖5a), 直接的熱力效應促使海冰融化, 不僅使海冰邊緣處海冰減少, 而且抵消了近岸海冰的增加, 最終SIC在別林斯高晉海和威德爾海表現為負異常(圖2a)。同時, 羅斯海出現西南風異常(圖5b), 冷空氣從西南方吹向海冰時, 風的動力效應驅動海冰向東北漂移, 使得更多的海冰從受冷平流影響的區域向更溫暖的北部區域輸送, 導致羅斯海西部近岸SIC降低而東部遠岸SIC升高(圖2a)。結合圖2a和圖5a可知, 印度洋區域和西太平洋區域的海冰減少主要受向南的經向熱輸運影響。就2016年春季海平面氣壓和海表面風情況而言, 阿蒙森海和西太平洋區域出現低壓系統, 威德爾海北部和羅斯海出現高壓系統(圖5d), 并且在南大洋上空出現明顯的緯向3波模結構, 即在阿蒙森-別林斯高晉海、羅斯海西部和太平洋區域東部、印度洋區域產生了明顯的北風異常和強烈的向南經向熱輸運(圖5c), 導致這些區域海冰減少, SIC表現為負異常(圖2b), 以上分析與Kusahara等(2018)的結論一致?？偠灾? 兩次春季南極海冰快速下降都受到氣壓和海表面風的強烈影響, 其中阿蒙森低壓是阿蒙森-別林斯高晉海及周圍區域出現北風異常和向南的經向熱輸運的主導原因, 進而驅動了威德爾海和別林斯高晉海的海冰漂移和融化, 這些區域的海冰減少主導了兩次春季南極海冰的快速下降。

同樣地, 觀察2011年夏季和1986年夏季南大洋海平面氣壓、海表面風和經向熱輸運情況, 發現兩次夏季南極海冰快速下降時期, 阿蒙森-別林斯高晉海都曾出現低壓系統, 使得威德爾海西部出現北風異常(圖5f、5h), 產生向南的經向熱輸運(圖5e、5g), 有利于海冰融化減少, 威德爾海西部SIC表現為負異常(圖3a、3b)。同時, 阿蒙森低壓還使得羅斯海出現南風異常(圖5f、5h), 風的動力效應推動羅斯海近岸海冰向北漂移, 導致羅斯海近岸SIC降低、遠岸SIC升高(圖3a、3b)。2011年夏季和1986年夏季威德爾海和羅斯海的海冰減少受阿蒙森低壓控制的經向熱輸運的熱力效應和風的動力效應共同影響。

圖5 2021年春季、2016年春季、2011年夏季、1986年夏季以及2008年冬季經向熱輸異常(a、c、e、g、i)、海平面大氣壓異常和10 m風異常(b、d、f、h、j)情況

注: 基于1981～2020年月氣候平均態算出

2008年冬季與以上四次南極海冰快速下降時期不同, 阿蒙森-別林斯高晉海上空并未出現低壓系統, 但印度洋區域出現高壓系統, 別林斯高晉海和太平洋區域出現北風異常并伴隨著向南的經向熱輸運(圖5i、5j), 有利于海冰減少, 這些區域SIC表現為負異常(圖3c)。

綜上所述, 南大洋氣壓和海表面風異常是5次南極海冰快速下降事件的主要影響因素, 既通過經向熱輸運與海冰之間的直接熱力效應影響海冰, 也通過風驅動海冰漂移的動力效應影響海冰。除2008年冬季南極海冰快速下降事件以外, 其他四次南極海冰快速下降事件受阿蒙森低壓的強烈影響。阿蒙森低壓的加強使得威德爾海、別林斯高晉海和羅斯海北風增強和向南的經向熱輸運增強, 風的動力效應和經向熱輸運的熱力效應導致這些區域海冰減少。2008年冬季雖未出現阿蒙森低壓加強的情況, 但此次海冰快速下降事件受別林斯高晉海和太平洋區域出現的北風異常及向南的經向熱輸運的影響。

3 結論

2015～2016年南極海冰出現快速下降, 一反南極海冰在2014年之前總體上升的情況, 引發了學者廣泛研究。而最新衛星觀測數據顯示2022年2月南極海冰范圍創造歷史新低, 有學者認為這是由2021年8月之后海冰持續減少造成的。2015～2016年以及2021～2022年南極海冰的減少并非衛星記錄以來的唯二兩次海冰快速下降事件, 在1979～2014年期間也曾出現過海冰快速下降的情況。本文發現自1979年以來南極海冰發生5次快速下降的情況, 分別是1985年12月至1986年4月、2008年4～8月、2010年12月至2011年4月、2016年8～12月以及2021年8～12月。5次南極海冰快速下降事件發生在不同季節, SIC的空間變化情況存在差異。于是, 本文按季節的不同, 進行南極海冰快速下降時期海冰空間變化特征的描述, 探討大氣和海洋的熱動力耦合過程對海冰減少的影響。

本文研究發現, 2021年8～12月和2016年8～12月的南極海冰快速下降事件主要發生在春季, SIC 異常的空間分布存在相似性, 海冰減少都發生在別林斯高晉海、威德爾海、印度洋和西太平洋區域。2010年12月至2011年4月和1985年12月至1986年4月的南極海冰快速下降事件主要發生在夏季, 威德爾海、羅斯海沿岸和西太平洋區域海冰減少, 存在一定的相似性。2008年4～8月的南極海冰快速下降事件主要發生在冬季, SIC在別林斯高晉海和西太平洋區域表現為負異常, 與前面春季和夏季海冰快速下降的分布情況都不相似?？傮w而言, 5次南極海冰快速下降的空間分布存在季節性差異。

此外, 對比研究5次南極海冰快速下降時的南大洋海表面溫度、海表面凈熱通量、海平面氣壓和海表面風的異常情況, 發現海表面溫度和海表面凈熱通量是5次南極海冰快速下降的影響因素。同一海冰快速下降時期海表面溫度和海表面凈熱通量的異常情況并不完全相同, 對海冰變化的影響具有區域性差異。同時, 南大洋氣壓和海表面風異常既通過經向熱輸運與海冰之間的直接熱力效應導致海冰融化減少, 也通過風的動力效應驅動海冰漂移使得SIC降低。值得注意的是, 阿蒙森低壓的加強使得威德爾海、別林斯高晉海和羅斯海北風增強和向南的經向熱輸運增強, 通過風的動力效應和經向熱輸運的熱力效應導致這些區域的海冰減少, 主導了南極海冰的快速下降。

盡管這5次南極海冰快速下降發生在不同季節, 但相同季節的快速下降事件中, SIC負異常的空間分布存在相似性, 海冰受到的海洋和大氣熱動力耦合過程的影響也存在共同點。本文按季節歸類總結了5次南極海冰快速下降事件的時空特征和影響因素, 為南極海冰快速下降事件背后的物理機制的研究提供參考。但本文尚未從氣候變率和大氣遙相關的角度探討海冰快速下降的原因, 沒有系統地將海氣耦合過程中的環境因素與氣候變率的長期變化聯系起來進行分析, 以上5次南極海冰快速下降事件背后是否存在由氣候變率調控的機制尚未明晰, 未來的研究期待能在這方面有新的發現。

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TEMPORAL AND SPATIAL CHARACTERISTICS OF HISTORICAL EVENTS OF RAPID DECLINE OF ANTARCTIC SEA ICE

YANG Ying-Yue1, LIU Hai-Long1, 2, 3①

(1. School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China; 2. Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China; 3. Key Laboratory for Polar Science of Ministry of Natural Resources, Shanghai 200136, China)

According to the satellite records, there have been five Antarctic sea ice extent rapid declines. Study of the spatial and temporal characteristics of the events is important to understand the mechanism of the sea ice rapid declines. Based on satellite observations of sea ice extent and sea ice concentration, the spatiotemporal characteristics of sea ice rapid declines were summarized. In addition, combined with the atmosphere and ocean reanalysis data, the factors influencing the thermal and dynamic processes that drove the sea ice rapid declines were discussed. Result shows that there was different seasonal locking corresponding to different spatial patterns for the Antarctic sea ice rapid decline events. The spring rapid declines of sea ice in August～December 2021 and August～December 2016 were due to the decrease of sea ice in the Bellingshausen Sea, the Weddell Sea, the Indian Ocean, and the Western Pacific Ocean. The summer rapid declines of sea ice from December 2010 to April 2011 and from December 1985 to April 1986 were due to the loss of sea ice in the Weddell Sea, the Ross Sea coasts, and the Western Pacific Ocean. The winter rapid decline of sea ice in April～August 2008 was caused by the loss of sea ice in the Bellingshausen Sea and parts of the Western Pacific Ocean. By exploring the environmental factors controlling sea ice variability, we found that the influence of sea surface temperature and sea surface net heat flux on the thermodynamic effect of sea ice loss has regional differences. In addition, the Amundsen Low and associated sea surface wind anomalies could not only reduce sea ice through the thermal effect of meridional heat transport, but also reduce sea ice concentration through sea ice drift driven by the dynamic effect of anomalous wind.

Antarctic sea ice; sea ice decline; sea surface wind; sea surface temperature; net heat flux

* 上海交通大學深藍計劃, SL2021ZD204號; 中德合作交流項目(Mobility), M0333號; 上海市極地前沿科學研究基地基金。楊穎玥, 碩士研究生, E-mail: yangyingyue@sjtu.edu.cn

劉海龍, 特別研究員, E-mail: hailong.liu@sjtu.edu.cn

2023-03-08,

2023-04-23

P728

10.11693/hyhz20230300056