南极难言岛固定冰年际变化及驱动力分析

孙晓宇 沈辉 李春花 于旭鹏 汪大立

(1 国家海洋环境预报中心,北京 100081; 2 国家海洋局极地考察办公室,北京100860; 3 中国极地研究中心,上海 200136)

提要 通过长时间序列Landsat 遥感影像提取难言岛固定冰信息,获取了2008—2018年夏季固定冰的变化规律。利用曼努埃拉自动气象站(Manuela AWS)同期观测气象数据进行了固定冰变化驱动力分析。结果表明,难言岛沿岸固定冰在每年11月覆盖范围最大,12月底至1月初彻底消失,2月底开始重新生长。通过相关分析可知,气温升高是固定冰减少的主要驱动力,日均气温-10℃为固定冰面积增减的临界点,日均气温稳定在-10℃以上,固定冰开始减少。固定冰消减期处于年际风力最小时段,因此,虽然下降风有助于海冰漂离,但下降风仅是固定冰减少的次要驱动力。掌握南极科考站区固定冰变化规律,对于我国南极科学考察工作的行程规划制定和具体工作开展具有重要的意义。

0 引言

2017—2018年我国开展了中国第34 次南极科学考察,本次科考的一项重要工作内容是在难言岛开展我国第五个南极科考站的基础设施建设,需要完成重型设备和物资的卸货任务。2017年12月7日“雪龙”号船第一次抵达难言岛海域,由于沿岸固定冰情较为严重,无法完成卸货工作,只能改变原来的科考计划,离开难言岛进行下一步科考任务; 2018年1月2日难言岛码头固定冰完全脱离漂走; 1月21日科考船完成中山站卸货之后再次返回难言岛,最终完成了建站物资的卸货任务。由此可见,由于对难言岛固定冰年际变化规律认识不足,影响了原有的科学考察计划的有序进行,在一定程度上延长了科考周期。目前,国内外学者从不同角度对极地固定冰开展了相关研究,Shirasawa 等人[1]采用实测数据和热力学模型对鄂霍次克海两个区域的沿岸固定冰进行了季节性变化模拟和评估,获取了该区域固定冰季节性变化规律并验证了该模型的适用性; Divine 等[2]采用亮温遥感数据产品获取了1953年至2001年喀拉海固定冰的时空分布和变化规律; 赵杰臣、郝光华等利用温度链浮标对普里兹湾固定冰厚度进行了长时间序列观测和反演,验证了利用冰浮标开展海冰自动观测的有效性[3-4]。本文利用2008年至2018年难言岛区域Landsat-7 和Landsat-8全色波段数据对难言岛新建站区沿岸固定冰分布范围进行了统计分析,获取了固定冰的年际变化规律。并结合该区域气象要素对固定冰的年际变化进行了驱动力分析。研究成果对于未来在罗斯海新站开展常规科学考察具有一定的参考意义。

1 研究区概况

难言岛位于东经163°40′,南纬74°53′(大致为岛的中心点)的南极大陆罗斯海特拉诺瓦湾(图1),西侧紧邻维多利亚地,面积约30 平方公里。难言岛地势西高东低,西侧有一个南北走向的山梁,东侧为平地和丘陵,有3 个常年积水的淡水湖泊。特拉诺瓦湾(Terra Nova Bay,TNB)气候特征鲜明,是下降风较强的地区之一。强烈的下降风将特拉诺瓦湾的浮动海冰向东推动,特拉诺瓦湾南侧的Drygalski 冰舌阻挡了更高纬度地区的海冰向北漂移(图1),使得该海湾离岸水域即使在冬季也经常处于无冰或少冰状态,这是特拉诺瓦湾冰间湖在冬季形成和维持的重要原因[5-14]。我国将在难言岛新建第五个南极科学考察站[13-14],也将是继长城站和中山站之后的我国第三个常年科学考察站。

2 数据资料

本研究采用的遥感数据主要为美国陆地卫星Landsat 系列,来源于美国地质调查局地球资源观测与科学中心(the United States Geological Survey Earth Resources Observation and Science Center,USGS/EROS)网络共享,时间为 2008—2018年。2013年3月之前数据采用Landsat-7,共75 景; 2013年11月之后数据采用Landsat-8,共98 景。两颗卫星传感器波数量和段划分上略有差异,但8 波段均为分辨率为15 米的全色波段,Landsat-7 全色波段波长范围为 0.52～0.90 μm,Landsat-8 全色波段波长范围为0.50～0.68 μm。在全色波段上,陆、冰、海的光谱特征具有较为明显的差异,易于判别。

由于难言岛纬度较高,冬季极夜现象持续时间较长,每年 3月底到 9月初太阳光线不足,Landsat 影像无法获取,因此本研究所用的173 景影像均不在该段时间内。另外,由于受到数据重返周期,云量等条件的限制,无法获取逐日或等时间间距的数据进行统计分析。但在固定冰消融等重要时间节点影像时间间隔小于5d,通过11年数据的对比,整体变化趋势和时间节点具有较强的一致性。

本文使用的曼努埃拉自动气象站数据来自威斯康辛大学空间科学与工程中心,该自动气象站于1984年2月6日在难言岛上架设并开始工作。曼努埃拉自动气象站位于恩克斯堡岛的南端(图1),位置为(74.946°S,163.687°E),海拔为78 m。该自动气象站型号为AWS2B,采用全球卫星定位和数据采集系统实时传输包括温度、湿度、气压、风速风向等气象数据[6]。由于传感器故障本文利用的数据中2012年2月6日之前的风速和2011年10月9日至2012年2月6日的气温数据缺失。

图1 难言岛地理环境Fig.1.Geographic conditions of Inexpressible Island

3 数据分析

3.1 数据分析方法

对于所有遥感影像数据都进行了几何校正和图像增强处理。由于2003年5月31日Landsat-7 ETM+机载扫描行校正器(Scan Lines Corrector,SLC)突然发生故障,导致获取的图像出现数据重叠和大约25%的数据丢失,对此,本文利用ArcGIS 中Mask Function 进行掩膜运算,应用领域统计算法进行了去条带处理。基于处理后的遥感影像对站位、码头、自动气象站等基本空间信息进行了矢量化处理。经对比分析,选取影像清晰且处于无冰期的2017年1月3日影像进行了难言岛海岸线提取,基于上述空间信息完成了基础底图的制作。

在Landsat 全色影像上冰与海水光谱特征差异显著,通过目视解译的方法可以精准获取固定冰外缘线信息。本文基于基础底图,通过目视解译的方法提取了2008—2018年共173 个时次的固定冰范围信息。由于船站之间进行物流属于点对点的关系,在路径非复杂的情况下,最短路径是衡量物流难度的最为重要的指标,因此,本文以码头为固定点,以到固定冰外缘线的最短路径即固定冰宽度作为本文的评价指标。

结合难言岛曼努埃拉自动气象站观测数据,对固定冰与温度、风等气象条件进行相关分析,获取气象条件对固定冰空间范围变化所具有的驱动作用。本文采用的具体技术路线见图2。

图2 技术路线Fig.2.Overview of the used methodologies

3.2 数据分析

虽然在Drygalski 冰舌和下降风的共同影响下,难言岛东侧海域常年存在冰间湖[15-17],但是通过气象数据可知,难言岛冬季日均最低气温可以达到-35℃左右,因此秋冬季沿岸会生长一定范围的固定冰。通过2008—2018年的数据分析可知,难言岛沿岸固定冰季节性空间范围变化规律性较为明显(图3),通常每年10—11月固定冰宽度基本达到最大值,12月底至第二年2月底沿岸固定冰最少,基本处于无冰期。2月底固定冰进入增长期。固定冰最大值的年际差异较大(表1),所统计的11年当中,有8年固定冰范围最大值出现在11月上中旬,有两年出现在9月底。2011年最大固定冰宽度最大,达到1700 米; 其次是2012年和2015年,固定冰宽度分别为1230 米和1180 米; 其他年份监测窗口内固定冰宽度均不到1 km,其中2010年、2013年和2014年最大固定冰范围只有50 米左右。由图4 可见,年最大固定冰范围与年均气温存在一定的关系,2011年固定冰范围最大,当年的年均气温最低,在年均气温逐年升高走势下,2014—2018年的最大固定冰宽度和年均气温的负相关关系尤为明显。

图3 2008—2018年难言岛固定冰宽度空间范围变化过程Fig.3.The changing process of fast ice on Inexpressible Island from 2008 to 2018

表1 难言岛夏季历年最大固定范围与年均气温关系Table 1.The relationship between the maximum range of fast ice and annual mean temperature

图4 年均气温与固定冰范围的关系图Fig.4.The relationship between the range of fast ice and annual mean temperature over the years

由气象数据分析可知,这11年当中,年最低气温主要出现在6—9月间(图5),而年固定冰范围最大值通常出现在11月上旬(表1)。通过对气温和固定冰范围的统计分析,日均气温为-10℃±2℃大致可以作为夏季固定冰范围稳定减少的拐点,在日均气温稳定在-10℃以下,固定冰范围通常呈增长趋势; 当日均气温达到-10℃左右,固定冰范围将随着温度的继续升高而逐渐退缩,在气温达到每年最高值前后难言岛码头固定冰彻底消失。由表2 可见,2008—2018年,难言岛码头固定冰消失最早的一年为2010—2011年夏,消失的日期为2010年12月26日; 消失最晚的一年为2014—2015年夏,消失的日期为2015年1月10日。其中共有4 个夏季的日均最高温超过2℃,分别为2008—2009年夏、2010—2011年夏、2013—2014年夏和2015—2016年夏,这三年里,难言岛沿岸固定冰均在12月底即消失。年日均最高气温低于2℃的5 个年份,固定冰均在1月初消失。其中年日均最高温低于0℃有两年,分别为2009—2010年夏和2017—2018年夏,这两个年份固定冰均在1月上旬末才彻底消失。由此可见,难言岛沿岸固定冰的空间范围变化与气温存在密切关系,气温的上升对固定冰的减少起到了较强的驱动作用。

表2 难言岛夏季历年固定冰消失与最高气温的关系Table 2.The relationship between fast ice and peak temperature over the years

通过遥感监测可知难言岛固定冰的消失并非消融,而是脱落后在下降风驱动下漂离。由气象数据分析可知,受地形影响,难言岛常年以偏西向的离岸风为主,有助于固定冰的漂离,但是由图5 可见,风速与温度呈显著负相关关系,冬季固定冰范围最大的时候风力最强,夏季温度较高、固定冰消失的时间窗口期反而是当年风力最弱的时段,这与其他多位学者的研究结论完全一致[18-20],因此可见,难言岛沿岸固定冰的减少虽然与下降风驱动有关,但下降风并非其主要驱动力。

图5 难言岛风速与气温的关系Fig.5.The relationship between wind speed and temperature of Inexpressible Island

4 结论

通常每年10—11月难言岛沿岸固定冰宽度基本达到最大值,多出现在11月上旬,12月底至第二年2月底沿岸固定冰最少,基本处于无冰期,2月底固定冰进入增长期。

年最大固定冰范围与年均气温存在一定的关系,年均气温较低的年份,出现大范围固定冰概率更大。

-10℃大致可以作为固定冰范围变化的拐点,在日均气温稳定在-10℃以下,固定冰范围通常呈增长趋势,当日均气温达到-10℃,固定冰范围将随着温度的继续升高而逐渐退缩,在日均气温达到每年最高值前后难言岛码头固定冰彻底消失。难言岛沿岸固定冰的空间范围变化与气温存在密切关系,气温的上升是固定冰消失的主要驱动因素。下降风有助于难言岛固定冰融合脱落后漂离,但并不是固定冰减少的主要原因。