1979—2015年罗斯海海冰运动速度变化

刘伊格 柯长青 张杰

(1南京大学地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210023;2国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061;3中国南海研究协同创新中心, 江苏 南京 210023)

0 引言

海冰主要分布在地球的两极[1],其存在阻碍了风场对海水动量的直接输入, 减缓了海洋和大气间的能量交换, 影响海洋和大气间的热量、能量、动力的传递, 进而影响大气和海洋的循环[2]。南极海冰的变化不仅影响该地区局部的能量平衡,同时也对全球大气环流和气候变化产生影响。自20世纪70年代末有连续卫星观测记录以来, 国内外学者对南极海冰进行了许多研究[3-8], 然而南极整体海冰变化与南极大陆边缘海的海冰变化不同[7], 研究南极大陆边缘海域的海冰变化有助于加深对南极整体海冰变化的认识[9]。

罗斯海(Ross Sea)是南大洋五大海区中纬度最高的海域, 位于罗斯陆缘冰之北, 维多利亚地与玛丽伯德地之间, 是南极洲西南极太平洋扇区内的一个大海湾, 地理坐标处于60°S—85°S、140°W—150°E(图1)。覆盖面积约为96万km2, 全年覆盖冰层, 多冰山分布。罗斯海是南极周边的海区中海冰输出最强的海区, 所以该海区海冰变化会通过海洋、大气等各种形式向低纬度传播, 进而影响同纬度和较低纬度的海洋和大气变化[10]。

国内外学者针对罗斯海海冰变化特征进行过很多相关研究。邬晓冬[10]利用ICESat卫星数据集,首次给出了罗斯海海冰厚度的时空变化特征, 同时结合海冰密集度数据, 分析了海冰面积的变化特征, 探讨了两者与大气要素变化之间的联系。刘帅斌等[1]在对罗斯海与普里兹湾海域海冰范围进行时间序列分析时, 发现罗斯海地区表现出“快速缩小、迅速扩大”的特性, 2003—2014年海冰整体变化趋势呈现(1.39±1.12)×104km2·a–1的扩大趋势, 而夏季的年际变化为减少趋势。赵杰臣等[11]利用卫星海冰密集度资料和船基海冰走航观测数据分析了2012年12月—2013年3月罗斯海海冰密集度、厚度和浮冰尺寸等参数的时空变化特征。Cavalieri和Parkinson[7]研究了整个南极和五个分区海域1979—2006年海冰范围和海冰面积变化, 发现罗斯海海冰范围每年以(11.4±4.6)×103km2增长,海冰面积以(8.9±3.6)×103km2增长。Comiso等[12]研究了1978—2008年罗斯海海冰季节和年际变化特征, 发现罗斯海海冰范围在整个南极海域中是增长最快的; 1992—2008年海冰漂移数据显示, 整个罗斯冰架海冰输出的净增长率为30 000 km2·a–1。对罗斯海海冰变化的研究, 有助于更加深入了解这一海区的海冰变化特征, 探究其与更低纬度的大气和海洋之间变化的关联, 加深对整个南极海冰变化的认识。但是目前对罗斯海海冰的研究主要集中在海冰范围、面积和厚度上[1,7,9-12], 对海冰运动速度的研究还较少。大气和海洋对海冰的热力和动力作用是海冰变化的主要原因, 热力作用会直接影响海冰的冻结和融化[13-15], 动力作用主要影响海冰运动、破碎等, 进而影响海冰分布以及热力变化, 所以海冰动力作用在海冰总量的动态平衡过程中起着非常重要的作用[16-18]。

本文利用被动微波遥感卫星资料分析了1979—2015年罗斯海海冰运动年际和季节变化特征以及海冰运动速度与海冰范围之间的联系, 最后对可能影响罗斯海海冰运动速度的因素进行了探究。

图1 罗斯海区域地理位置(箭头表示海冰运动方向)Fig.1. Location of the Ross Sea (arrows indicate the direction of sea ice motion)

1 数据和方法

1.1 数据

美国冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)提供1979年至今的每日和月平均南北极海冰运动矢量数据, 该数据由AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)、SMMR(Scanning Multichannel Microwave Radiometer)和SSM/I(Special Sensor Microwave Imagers)传感器获得[19]。海冰密集度数据来自NSIDC发布的海冰索引数据集, 该数据集提供了1978年11月至今的南北极每日和月平均海冰密集度影像和数据值,数据集来自不同的卫星微波辐射, 包括搭载在Nimbus-7卫星上的SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer),美国国防气象卫星(Defense Meteorological Satellite Program,DMSP)F8、F11和F13搭载的SSM/I (Special Sensor Microwave Imagers)以及F17携载的SSMIS(Special Sensor Microwave Imager Sounder)。两种数据的分辨率都是25 km, 极地等面积方位投影。

海表面风速月平均数据来自美国气候中心发布的NCEP/NCAR再分析数据集, 该数据以NetCDF(Network Common Data Format)格式存储1948年至今的资料, 网格点分辨率2.5°×2.5°。

1.2 方法

NSIDC通过最大互相关法获得海冰运动速度, 即由相邻时刻两幅遥感影像中海冰的位移进行计算得出。该数据计算海冰运动是基于被动微波连续影像上亮温的变化, 使用Nimbus-7卫星上的SMMR和DMSP卫星上的SSM/I、SSMIS被动微波数据集得到的海冰密集度数据来表征海冰是否存在(海冰密集度大于15%被认为存在)。海冰运动矢量数据产品最终以EASE-Grids网格形式发布, 每个网格包含分量u、v和第三个变量(像素值为0代表该处无海冰)。本文根据计算第三个变量为非0的网格点处海冰运动速度,不考虑海冰运动矢量的方向, 累加之后再平均即为月平均海冰运动速度。海冰范围是海冰边缘以内所包围的海域总面积, 本文通过NSIDC的海冰密集度数据集计算, 将密集度15%作为区分海冰和海域的分界线, 海冰密集度大于15%的网格点面积全部相加起来即获得海冰范围面积[20]。在研究区海域, 计算1979年1月—2015年12月海冰运动速度、海冰范围以及风速的月平均、季节平均和年平均, 在此基础上利用最小二乘法对序列进行回归估计趋势分析, 以确定数据的最佳线性拟合直线, 且都通过了显著性为0.05的F检验。

2 结果与分析

2.1 海冰运动速度年际变化特征

1979—2015年罗斯海年平均海冰运动速度随时间变化整体呈现增加趋势(图2), 其中1979—2010年保持速度波动增加的变化, 2010年海冰运动速度达到最大值234 m·h–1后开始呈下降趋势, 之后几年一直在144 m·h–1左右波动。海冰运动速度月变化曲线(图3)则详细反应了每月的变化, 海冰运动速度总体上在波动中增加, 在2010年3月达到353 m·h–1的最大值, 之后运动速度明显减缓, 与年平均变化(图2)整体一致。每年海冰运动速度变化周期性并不明显, 各年份海冰运动速度最大值的变化较大, 在83—353 m·h–1之间波动, 多出现在秋冬季。1979—2010年基本一直在增加, 2010年后下降稳定在230 m·h–1左右。海冰运动速度最小值相比最大值变化波动较小, 在11—71 m·h–1波动, 大部分出现在每年夏季。

图2 1979—2015年罗斯海海冰年平均运动速度变化Fig.2 Variation of yearly mean sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

用某月海冰运动数据减去所有数据中相同月份的平均值得到月距平变化数据, 利用月距平变化可以详细分析罗斯海海冰运动速度年际变化波动规律, 同时最大程度上减少季节变化带来的影响[20]。总体来看也可以得到海冰运动速度在浮动范围中保持增长的趋势(图4), 海冰运动速度平均每年增加0.3 m·h–1, 月距平变化大致为47 m·h–1。

图3 1979—2015年罗斯海海冰运动速度月变化Fig.3 Variation of monthly sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

图4 1979—2015年罗斯海海冰运动速度月距平变化Fig.4. Variation of monthly deviations about sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

2.2 海冰运动速度季节变化特征

本文按照南半球传统季节划分方法将南极分为春季(10—12月)、夏季(1—3月)、秋季(4—6月)和冬季(7—9月)进行研究。海冰运动速度季节变化(图5)表明罗斯海海冰运动速度增加趋势最快的季节为秋季, 增加速率为4.4 m·h–1·a–1, 2007年秋季海冰运动速度更是达到了最大值287 m·h–1;其次是冬季, 增加速率为3.9 m·h–1·a–1, 1998年冬季海冰运动速度达到了次大值265 m·h–1, 但冬季是海冰平均运动速度最快的季节; 春季为3.1 m·h–1·a–1,与秋冬季增加速率相差不大; 增加趋势最小的是夏季, 同时也是四个季节中平均运动速度最慢的季节, 夏季每个年份变化趋势相对其他三个季节较为平缓, 但整体上还是略有增加, 增加速率为0.8 m·h–1·a–1。

图5 1979—2015年罗斯海海冰运动速度季节变化Fig.5. Variation of seasonal mean sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

从月平均变化(图6)中可以看到, 海冰运动速度在2月达到最低值后, 3、4月开始迅速加快, 5月运动速度有所下降, 之后月份速度缓慢增加, 8月达到峰值后又开始慢慢下降, 也刚好对应罗斯海海冰平均运动速度冬季最快, 其次是秋季、春季,最后是夏季。

图6 1979—2015年罗斯海海冰运动速度月平均变化Fig.6. Variation of monthly mean sea ice motion velocity in the Ross Sea from 1979 to 2015

2.3 海冰运动速度与海冰范围之间的关系

上文结果得到1979—2015年罗斯海海冰平均运动速度具有加快的趋势, 对海冰平均运动速度和海冰范围的相关分析来探究海冰运动与海冰范围之间可能存在的联系。

图7的回归分析表明海冰运动速度与范围均呈现上升趋势, 海冰运动速度增长速率为0.3 m·h–1,而海冰范围以每年1.11×103km2的速度扩张。相关性研究发现两者在0.01置信水平上显著正相关,相关系数为0.687。表明随着罗斯海海冰运动速度的提高, 海冰范围不断地增加。罗斯海海冰运动模式的特点是沿海岸东部海冰流入罗斯海相对较弱, 西北向流出更强[12]。罗斯海海冰平均运动速度37年间具有加快的趋势, 表明此区域常年盛行的西北向海冰环流速度逐年加快, 致使罗斯海区域海冰向低纬度移出, 海冰范围逐渐扩大, 从而对南极整体海冰分布产生影响。

海冰运动速度与海冰范围月平均变化趋势整体上一致(图8), 都在2月达到最小值, 然后快速增加, 海冰运动速度在8月达到最大值而海冰范围在9月达到最大值, 随后相继下降。不同的是, 海冰运动速度在5月达到极值后有所减慢,海冰范围则是从2—9月一直保持扩张趋势。海冰范围变化相对海冰运动速度有所滞后, 滞后1—2个月。

图7 1979—2015年罗斯海年平均海冰运动速度与海冰范围变化Fig.7 Relationship between yearly mean sea ice motion velocity and sea ice extent from 1979 to 2015

图8 1979—2015年罗斯海海冰运动速度与海冰范围月平均变化Fig.8. Variation of monthly mean sea ice motion velocity and sea ice extent in the Ross Sea from 1979 to 2015

3 海冰运动速度变化影响因素

3.1 风场对海冰运动速度变化的影响

在0.01的置信水平下, 1979—2015年罗斯海区域年平均海冰运动速度与年平均风速的相关系数是0.455, 两者存在显著的正相关关系(图9)。1979年1月—2015年12月逐月海冰运动速度与逐月风速的相关系数是0.492, 大致规律为风速每加快1 km·h–1, 海冰运动速度增加8.4 m·h–1(图10)。风速加强是海冰运动速度加快的重要原因。

风的作用直接给予海冰拖曳力, 使得海冰发生运动。Thorndike等[21]和Serreze等[22]发现风速和海冰运动速度的关系是线性的, 只有在风速很弱的情况下才变为非线性关系。国内外很多文献同样证明风场对海冰有持续性的影响[16,23], 与本文研究结果相一致。

图9 1979—2015年罗斯海海冰运动速度与风速变化对比Fig.9. The relationship between sea ice motion velocity and wind speed in the Ross Sea from 1979 to 2015

图10 1979—2015年逐月海冰运动速度与风速的相关关系Fig.10. The relationship between the monthly sea ice motion velocity and wind speed from 1979 to 2015

3.2 其他影响因素

除了风场对海冰运动作用显著外, 其他海洋环境因素也会对其产生影响。Comiso等[12]研究了1992—2008年罗斯海区域海冰运动情况, 认为海冰运动的强度和空间位置分布取决于大气中一直存在的低压模式, 即气压场会影响海冰运动。Spreen等[23]认为海冰运动在较小程度上会受到洋流场的影响, 同时也受到大气、海洋阻力系数以及海冰内部之间相互作用挤压的影响。

4 结论和讨论

使用1979—2015年NSIDC海冰运动和海冰密集度数据, 分析了罗斯海海冰运动速度的年际和季节变化特征及其与海冰范围可能存在的联系,最后用海表面风速数据探讨海冰运动与风场的关系, 得到如下结论。

1. 1979—2015年罗斯海海冰运动速度总体呈现加快趋势。海冰运动速度增加趋势最快的季节为秋季, 其次是冬季、春季, 增加趋势最小的为夏季; 冬季海冰平均运动速度最大, 接着是秋季、春季和夏季。

2. 回归分析表明37年间海冰运动速度与范围均呈现上升趋势, 海冰范围月平均变化滞后海冰运动速度1—2个月。其中海冰运动速度增长速率为0.3 m·h–1, 而海冰范围以每年1.11×103km2的速度扩张。相关性研究发现两者在0.01水平上显著正相关, 表明随着罗斯海海冰运动速度的加快, 西北向海冰环流逐年增强, 海冰向低纬度运动, 致使罗斯海海冰范围不断地增加, 进而影响南极海冰整体分布。

3. 罗斯海年平均海冰运动速度与风速、逐月海冰运动速度与风速都呈现显著正相关关系, 风速对海冰的运动发挥着重要作用, 除此之外其他海洋环境因素也会影响海冰运动。

4. 海冰运动是一个气-冰-海相互作用的复杂过程, 本文仅对罗斯海海冰运动时间序列演变进行了初步研究, 空间地理位置的差异也会导致不同区域海冰运动的不同, 因此海冰运动空间分布的变化将是下一步研究方向之一。另外, 表征罗斯海海冰变化的因子有很多, 除了海冰运动、海冰范围之外, 还有海冰厚度、海冰体积等, 这些因子对罗斯海海冰的变化分析也很重要, 在今后也有待进一步研究。

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