南极罗斯海2012年夏季海冰特征分析

赵杰臣 张林 田忠翔 李明 惠凤鸣 李春花 韩红卫

（1国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，国家海洋环境预报中心，北京100081；2全球变化与地球系统科学研究院，北京师范大学，北京100875；3海岸和近海工程国家重点实验室，大连理工大学，辽宁大连116024）

0 引言

南极海冰在全球气候系统中扮演重要角色，其覆盖范围存在明显的季节性变化，一般每年9月达到最大值（～1 900万km2），2月达到最小值（～400万 km2）［1］。海冰的覆盖范围、密集度、厚度、类型及其表面积雪深度季节性的变化影响着南大洋海-气之间的热量、动量交换，同时海冰季节性的生消会改变海洋上层的盐度分布，进而影响到南极深层水的形成和全球大洋环流系统。罗斯海海域海冰范围存在大尺度的季节变化，特别是位于罗斯冰架前缘和特拉诺瓦湾（Terra Nova Bay，图1）的冰间湖的生成、维持和发展会对南极区域甚至全球气候产生重要影响［2］，是国际上研究南极海-冰-气相互作用的重点区域［3-5］。目前利用卫星遥感可以获取连续的海冰密集度数据，但海冰厚度的卫星反演的技术还不成熟［6］，国际上关于罗斯海海冰观测研究主要是基于卫星遥感、船舶走航和飞机观测等手段，另有少数工作是依靠人工钻孔获取冰厚［7-9］。中国关于罗斯海海冰的研究还很少［10］，南极海冰观测研究工作主要集中在普里兹湾海域［11-16］。

2012年12月底中国第29次南极科学考察队（简称29次队）第一次赴罗斯海区域开展科学考察活动。本次考察的核心内容是新考察站选址工作，预选区Ⅰ位于罗斯海外围维多利亚地北缘，预选区Ⅱ位于罗斯海西侧维多利亚地德里加尔斯基冰舌和华盛顿角之间的特拉诺瓦湾（图1）。由于12月底预选区I海域海冰情况严重，29次队新站选址考察活动主要在特拉诺瓦湾开展。本文主要分析罗斯海2012年12月至2013年3月南极罗斯海卫星遥感海冰密集度分布和基于雪龙船的海冰走航观测结果。通过分析走航观测数据可以验证卫星遥感数据在该区域的准确性，帮助我们更好地了解不同卫星遥感数据在海冰预报服务方面的适用性和可信度。两处预选区和航线上海冰的范围、密集度、厚度等参数的分析可以使我们了解罗斯海不同区域海冰的时空变化特征，为中国南极考察队制定后续罗斯海科考计划和雪龙船规划该海域冰区航线提供重要参考信息，同时也为该区域的海冰预报工作提供重要数据支撑。

图1 罗斯海和特拉诺瓦湾的地理位置Fig.1.The locations of Ross Sea and Terra Nova Bay

1 数据和方法

本文计算海洋密集度气候态分布的卫星数据来自美国雪冰中心提供的海冰密集度数据（Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM／I Passive Microwave Data）［17］，分辨率为 25 km，该数据空间跨度为 1978年10月至今，有较好的连续性，适合用来研究海冰大尺度气候态分布。与走航观测对比的卫星数据，来自德国不来梅大学提供的海冰密集度数据AMSR2（原始分辨率6.25 km）和 SSMIS（原始分辨率13.2×15.5 km，插值处理为 6.25 km）［18］，这两种数据空间分辨率高，适合作为海冰预报服务的参考数据。

基于雪龙船的海冰走航观测参考ASPeCt（Antarctic Sea ice Processes and Climate）的船基海冰观测手册［19］。主要观测要素包括海冰密集度、海冰厚度、冰上积雪厚度、浮冰类型、尺寸等，观测频率为0.5 h一次。海冰密集度观测方式主要是目测估计海冰覆盖区域所占比例；浮冰尺寸是以雪龙船或其他已知长度物体为参照物对比估计得到；海冰厚度观测是通过雪龙船破冰前进时翻起的浮冰块，与船侧设置的已知直径参照物对比，来估计其厚度，雪厚也通过类似方法得到［20］。本文中分析走航观测结果时提到的时间均为世界时（UTC）。

2 罗斯海卫星遥感海冰密集度

本文中卫星遥感海冰密集度的分析区域为150°E—140°W。图2是2012年12月—2013年3月各月平均的海冰密集度分布。2012年12月罗斯海的月平均海冰外缘线位于62°S附近，在罗斯冰架前已出现大面积的冰间湖，特拉诺瓦湾为5成密集度的海冰覆盖（图2a）。2013年1月海冰融化迅速，海冰外缘线退缩至65°S，冰间湖的最北界扩展至70°S，180°经度线附近出现4成低密集度浮冰区，特拉诺瓦湾出现开阔水域（图2b）。2013年2月罗斯海180°以西海域除沿岸存在少量的浮冰外，基本为开阔水域，而180°以东海域海冰融化较慢，仍然存在5—8成密集度的浮冰区，特拉诺瓦湾基本为开阔水域（图2c）。2013年3月罗斯海海冰开始重新冻结，海冰从罗斯冰架向外扩张且增长迅速，70°S以南基本被4—7成海冰覆盖，特拉诺瓦湾海冰密集度为4成左右（图2d）。

图3是罗斯海12—3月的气候态海冰密集度分布。和气候态海冰密集度分布相比，罗斯海2012年夏季海冰外缘线和范围差别不大，但某些海域的海冰密集度相差较大。

对于预选区Ⅰ，2012年12月其外海海冰密集度为9成以上（图2a），而12月份该位置的气候态海冰密集度在6—8成之间（图3a）。2012年1月预选区Ⅰ外海海冰范围减少，但密集度仍维持在9成以上，和气候态密集度比仍偏高1—3成（图2b，图3b）。2013年2月预选区Ⅰ外仍有南北向宽约400 km的密集度为8—10成的海冰覆盖（图2c），而2月份的气候态数据显示该处只有南北向宽约200 km的5—7成密集度浮冰区（图3c）。2013年3月预选区Ⅰ外海海冰已开始冻结，并明显向外扩张，但气候态数据中3月该区域海冰和2月份相比基本维持原状，并无明显冻结（图2d，图3d）。

对于预选区Ⅱ，2012年12月—2013年3月其外海即特拉诺瓦湾的海冰变化和气候态情况基本符合，但和3月份气候态情况比较，2013年3月罗斯海海冰明显冻结扩张较快。由此可见，罗斯海海冰密集度和范围具有明显的年际变化。

由以上对比分析可知，12月中下旬罗斯冰架前海域已经出现大面积的开阔水域，罗斯海西侧海域是南北向宽约1 000 km的5—9成密集度浮冰区。1月和2月份罗斯海大部为开阔水域。3月初特拉诺瓦湾区域海冰开始冻结，至3月下旬海冰将覆盖整个罗斯海海域。

图2 罗斯海海域2012年12月（a）、2013年1月（b）、2013年2月（c）、2013年3月（d）月平均海冰密集度分布图.其中圆圈所在位置为预选区I，三角所在位置为预选区ⅡFig.2.Monthly averaged sea ice concentration of Ross Sea in Dec 2012（a）and Jan（b），Feb（c），Mar（d）2013.The circles and triangles represent Proposed Site IandⅡ，respectively

图3 罗斯海海域12月份（a）、1月份（b）、2月份（c）、3月份（d）海冰密集度1978—2012年气候态平均值分布图.其中圆圈所在位置为预选区I，三角所在位置为预选区ⅡFig.3.Sea ice concentration climatology of Ross Sea in Dec 2012（a）and Jan（b），Feb（c），Mar（d）2013.The circles and triangles represent Proposed Site I andⅡ，respectively

3 罗斯海海冰走航观测

29次队于2012年12月中旬离开中山站，前往罗斯海进行科学考察活动，12月26日雪龙船航行至170°E，开始进入罗斯海浮冰区。29日上午行驶至72°30′S，进入罗斯海开阔水域，之后29日夜间在169°40′E，74°30′S遇到一条东西向宽约 150 km的浮冰带，30日凌晨雪龙船进入特拉诺瓦湾开阔水域，到达预定考察区域（图4）。雪龙船在罗斯海冰区航行期间开展了海冰密集度、厚度、浮冰类型等要素的连续走航观测。

图5a是海冰密集度随时间的观测结果。12月26日，雪龙船到达罗斯海浮冰区外缘，26日下午雪龙船航线海冰密集度在4—9成之间（日平均为7成左右），其中在 27日凌晨 2：00，在 175°06′E，67°51′S附近海域观测到1—2成的低密集度区域。27日，雪龙船周围的海冰密集度大都在6—10成之间，大部分为9—10成，日平均密集度在8成以上。28日，雪龙船驶入低海冰密集度海域，观测到的密集度大约在2—7成之间，平均密集度为6成，但不同时间段的海冰分布不均匀，密集度差异较大。29日雪龙船进入开阔水域，29日晚行驶至 167°35′E，74°24′S遇到一条浮冰带，密集度平均5成左右，30日凌晨雪龙船进入特拉诺瓦湾开阔水域。

图4 罗斯海海冰走航观测路线图.底图为2012年12月27日SSMIS卫星遥感密集度数据，圆圈所在位置为预选区ⅡFig.4.Track of ship-based sea ice observation in Ross Sea.The basemap is sea ice concentration derived from SSMISon 27 Dec.2012.The circle represents Proposed SiteⅡ

图5 罗斯海海冰密集度、厚度、主要浮冰尺寸、冰上积雪厚度走航观测结果.实线为日平均值Fig.5.Total ice concentration，thickness，dominant floe size，snow depth derived from ship-based sea ice observations in Ross Sea.Solid lines are dailymean results

走航观测中对占主要成数的浮冰的尺寸和大小（主要浮冰尺寸）进行了记录，观测结果见图5b。12月26日主要的浮冰尺寸在2—20 m之间，为块浮冰（Ice Cake），27日主要浮冰尺寸在20—100 m之间，为小浮冰（Small Floe），28日航线上不同时间段内海冰密集度差异大，主要浮冰尺寸差异也很大。早上6：00在 178°55′E，70°17′S附近观测到尺寸大于10 km的巨型浮冰（Giant Floe），至晚上 18：00前，航线附近观测到的主要浮冰尺寸大都在500 m以上，之后浮冰尺寸基本在2—20 m之间，当日航线上平均尺寸达到100—500 m。29日夜间遇到的浮冰带，主要为尺寸小于100 m的块浮冰和小浮冰。

海冰厚度是海冰的重要参数，目前仍较难利用卫星大范围获取，现场观测是获取冰厚数据的最重要手段。图5c是雪龙船在罗斯海的冰厚走航观测结果。12月26日，海冰厚度在80—120 cm，平均冰厚95 cm。27日雪龙船进入高密集度浮冰区，海冰厚度在80—140 cm之间，平均冰厚109 cm，观测到的最大冰厚为170 cm。28日，在低密集度浮冰区航行，观测到的海冰厚度在60—120 cm，平均冰厚96 cm，29日夜间在 169°40′E，74°30′S遇到的长条状浮冰带平均冰厚90 cm。走航观测时对冰脊占海冰面积的成数进行了记录，整个航线上冰脊的面积在3成以下，平均值为约1成，仅在29日晚167°35′E，74°24′S的浮冰带处观测到6成的冰脊。冰脊会对海冰的厚度有一定影响［7］。

罗斯海浮冰区航段内海冰上均有积雪覆盖，但厚度不一，如图5d所示。26日积雪主要在10—15 cm，27日观测到的积雪范围较大，在10—30 cm之间，日平均为18 cm。28日最大积雪为30 cm，但大部分在10—20 cm之间，日平均值为15 cm。29日夜间在 169°40′E，74°30′S浮冰带观测到的积雪厚度在15—20 cm之间。

国外学者利用ASPeCt计划收集的历史走航观测资料分析发现罗斯海年平均的海冰密集度为7成，平整冰厚度为84 cm。春季平均海冰密集度为9成，大部分海冰厚度小于100 cm，主要为60—80 cm。夏季平均海冰密集度为5成，厚度超过100 cm海冰增加，平整冰厚度约112 cm，有较多海冰厚度达2—3 m［7］。夏季罗斯海较厚海冰多是由阿蒙森海和别林斯高晋海输运而来，通常分布在罗斯海东侧，而罗斯海西侧一般为相对较薄的海冰覆盖。本文走航观测路线在罗斯海西侧，观测到的海冰密集度平均值为5成，和前人结论相符，海冰厚度平均值为100 cm，略低于上述的全罗斯海冰厚平均值。

为了解AMSR2和SSMIS卫星遥感资料在罗斯海区域的准确性和适用性，本文利用此次走航观测的海冰密集度和卫星遥感数据进行了对比分析（图6）。冰区航行时雪龙船船速大约10 Kn（～18 km／h），走航观测频率为0.5 h，对走航观测的数据进行平滑，得到～18 km范围的平均走航观测值（图6中*）。AMSR2和SSMIS产品空间分辨率为6.25 km，取雪龙船位置处最接近的网格求平均值，得到～18 km×18 km范围的平均卫星密集度值（图6中实线、虚线）。在浮冰区边缘，26日12：00（66°39′S）和29日 00：00（72°25′S）卫星遥感数据均低估了海冰密集度值，其中AMSR2产品低估了约3—5成，而SSMIS产品低估了约1—3成。在浮冰区内部，26—28日（66°39′S—72°25′S）卫星遥感数据高估了大部分区域的海冰密集度值，在 27—28日（67°56′S—69°55′S）密集度大于8成的高密集度区域，两种卫星产品和观测值符合较好，高估约1成左右。但在27日凌晨（67°49′S—67°55′S）和 28日（69°56′S—71°30′S）密集度小于7成的低密集度区域，卫星遥感数据和走航观测结果差别较大，AMSR2产品高估了约2—5成，而SSMIS产品高估了约3—6成，和SSMIS产品相比，AMSR2产品在此低密集度区域的部分位置和现场观测吻合更好。卫星密集度数据偏高的原因可能和夏季浮冰区存在较多冰间水道或开阔水域，而卫星遥感资料由于分辨率所限，无法分辨有关。另外雪龙船在冰区航行时会尽量选择视线内的低密集度冰区或水道前进，这也会造成人工观测时低估该区域的海冰密集度。整体上看，AMSR2和SSMIS两种产品能较好反映航线上海冰状况，与走航观测结果比平均偏差分别为1.5成和2成，AMSR2产品与走航观测结果符合更好。AMSR2产品的原始分辨率为6.25 km，而SSMIS产品的原始分辨率为 13.2 km×15.5 km，经过差值处理成6.25 km，这应该是AMSR2能更好分辨现场海冰状况的原因。因此在为雪龙船提供海冰预报帮助其选择航线时，应优先考虑分辨率高的AMSR2产品。

走航观测数据显示海冰密集度和主要浮冰尺寸有一定对应关系，将两者做6 h平均滤掉高频信号，利于对比分析（图7）。12月26日中午至27日中午雪龙船航线上密集度从5成左右增大至近10成，主要的浮冰类型由尺寸为2—20 m的块浮冰变为尺寸为20—100 m的小浮冰。27日中午至28日中午密集度降低至4成，而海冰尺寸增大到500—2 000 m的大浮冰。28日中午至夜间密集度增加至9成，而浮冰尺寸减小至小浮冰。29日凌晨密集度再减小至4成，浮冰尺寸也减小为块浮冰。分析图7可知，罗斯海浮冰区中部浮冰尺寸最大，向南、北两侧依次减小为中浮冰、小浮冰、块浮冰。而浮冰尺寸最大的中部区域对应着最低密集度区域，高密集度区域浮冰一般为较小尺寸的小浮冰和块浮冰。

雪龙船的破冰能力是1.1 m厚的冰层（含20 cm的积雪）。26—30日罗斯海浮冰区冰雪总厚度在80—160 cm之间，航线平均值为117 cm，大部分时间的总厚度都超过1.1 m，但由于航线上主要以块浮冰和小浮冰为主，因此雪龙船仍能以平均9 Kn的航速破冰前进（图8）。雪龙船船速也同样受到海冰密集度和主要浮冰尺寸的影响，12月27日中午12：00船速降低至2—5 Kn，应该和该区域海冰密集度达9—10成有关，而28日中午12：00雪龙船周边海冰密集度仅有3—5成，但船速低至4 Kn左右，这可能是因为该区域的浮冰是尺寸达2 km及以上的大尺寸巨型浮冰（图5），造成雪龙船破冰时阻力变大，船速下降。

图6 航线上海冰密集度观测值和AMSR2、SSMIS的比较Fig.6.Sea ice concentration derived from ship-based observations and AMSR2，SSMIS

图7 6 h平均的海冰密集度和主要浮冰尺寸对比图Fig.7.Six-hour averaged ice concentration and floe size

图8 海冰厚度、冰上积雪厚度和雪龙船船速对比结果Fig.8.Sea ice thickness，snow depth，and the speed of R／V XUE LONG icebreaker

4 特拉诺瓦湾海冰情况

特拉诺瓦湾全年都存在明显的冰间湖，即使在南半球冬季，当其他区域被海冰覆盖的时候，此处仍存在开阔水域（图9）。该冰间湖年平均范围在900—8 000 km2之间，存在明显的季节变化和年变化［8］，在南半球冬季的5—10月份，在该冰间湖离岸100—200 km处存在一条平行于岸线的高密集度海冰带［21］。沿南极大陆横贯山脉下泄的强烈的下降风气流是特拉诺瓦湾冰间湖形成的主要原因，东向的下降风将此区域的海冰吹离岸边，而从大陆冰架延伸入海的德里加尔斯基冰舌（Drygalski Ice Tongue）又阻止了其他区域的海冰沿岸北上补给到特拉诺瓦湾，这样此冰间湖就能长时间维持［22］。这种机制同时使特拉诺瓦湾成为“造冰工厂”，其在冬季向外输送的海冰有 8.7 km3／month［23］。

意大利祖凯利站（预选区Ⅱ以北25 km处）气象观测资料显示，特拉诺瓦湾的下降风主要发生在南半球冬季的4—10月份，单次下降风的持续时间一般为1—3 h，但在6—9月份有时会持续7 h以上，风速通常在25—56 m／s之间，风向主要为西-西西北方向。2005年该站点曾观测到的一次持续时间达40 h的下降风事件，其中25 m／s以上风速持续近30 h［5］。由此可见该区域存在少见的非常强烈的下降风现象。这种气象状况是冬季特拉诺瓦湾海冰外输和冰间湖维持的关键因素，但同时如此恶劣的自然条件也会对该区域的冬季考察作业安全造成威胁和挑战。

图9 特拉诺瓦湾海冰分布卫星图像.三角所在位置为预选区Ⅱ.图像来源：Aqua-Modis，2007.10.16，NASAFig.9.The satellite image of Terra Nova Bay.The Triangle represents Proposed SiteⅡ Image from Aqua-Modis，Oct 16，2007，NASA

5 结论

罗斯海海冰年际变化大，不同年份海冰的外缘线、范围、密集度都有较大差别，根据2012年夏季海冰密集度和气候态海冰密集度数据分析，12月份罗斯冰架前会出现大面积冰间湖，罗斯海海冰密集度减小，中下旬开始出现小于6成的区域，雪龙船可以选择于此时间段进入罗斯海。1月中旬罗斯海出现开阔水道，至2月份罗斯海西侧大部分海域均没有海冰覆盖，利于雪龙船航行和进行大洋科考作业。3月上旬新冰开始大量形成，至下旬整个海域基本为浮冰覆盖，雪龙船应不晚于3月中上旬撤离罗斯海。与1978—2012年的气候平均值相比，观测区域在2012年夏季海冰密集度偏大1—3成。

从罗斯海航段走航观测情况来看，12月26—30日航线平均海冰密集度在5成以上，平均海冰厚度在100 cm左右，其中27日雪龙船在浮冰区中部（67°41′S—69°37′S）的海冰密集度（8成以上）、海冰厚度（约110 cm）、积雪厚度（约18 cm）均最大，主要为小浮冰（20—100 m）。整个航段浮冰尺寸主要为较小的块浮冰和小浮冰。28日在178°55′E，70°17′S附近遇到较大尺寸浮冰，但该区域密集度只有4成，为整个航段最低值。

和走航观测到的海冰密集度相比，AMSR2和SSMIS均能较好地反映航线上的海冰状况，AMSR2符合更好，整条航线上平均偏差分别为1.5成和2成。在为雪龙船提供海冰预报服务时应优先考虑AMSR2卫星海冰密集度数据。

本航次中由于大部分海域均为尺寸较小的块浮冰和小浮冰，雪龙船航速并未受到冰雪厚度的影响，而高海冰密集度和大尺寸浮冰在某些海域对航速有较大影响。

特拉诺瓦湾海域存在少见的强下降风现象，造成该海域海冰持续向外输运，形成常年存在的冰间湖。这种恶劣的气象状况会对在该海域进行科学考察活动，特别是船舶和飞机的科考作业造成威胁。

致谢 感谢29次队曲探宙领队、雪龙船王建忠船长和全体船员对海冰走航观测工作的支持；感谢大连理工大学程鹏和中国海洋大学郭桂军、张庆力在现场观测方面给予的合作和帮助；感谢武汉大学南极测绘中心艾松涛和谢苏锐博士给予的指导和帮助。

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