南极南极冰架或将坍塌

文章编号:1000-0240(2003)增刊2-0234-07南极海冰和陆架冰的时空变化动态收稿日期:2003-03-16;修订日期:2003-06-21基金项目:科技部社会公益研究专项资金项目(2001DIA5040-03-02);国家自然科学基金项目(49776280)资助作者简介:解思梅(1941—),女,山东即墨人,研究员,日本筑波大学博士,主要从事极冰、海洋和大气相互作用,极冰与气候等方面的研究.
E-mail:xiesimei@sina.
com解思梅1,魏立新2,张占海3,梅山1,郝春江1(1.
国家海洋环境预报中心,北京100081;2.
中国海洋大学,山东青岛266003;3.
中国极地研究所,上海200129)摘要:利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料,对南极海冰的长期变化进行了研究.
结果表明:20世纪70年代后期是多冰期;80年代是少冰期;90年代南极海冰属于上升趋势,后期偏多;区域性变化差别大,东南极海冰偏多,西南极海冰即南极半岛两侧特别是威德尔海(WeddellSea)区和别林斯高晋海(BellingshausenSea)的冰明显偏少.
东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.
90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多,南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩,有崩解也有再生的自然变化现象.
西南极威德尔海的龙尼冰架(RonneIceShelf)和罗斯海冰架(RossIceShelf)东部崩解和收缩趋势明显,东南极的冰架也有崩解和收缩,但没有西南极明显.
陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.
目前,南极冰盖断裂崩解形成的冰山,向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14mm.
南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少,而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.
关键词:南极海冰;南极陆架冰;变化特征;近期变化动态中图分类号:P731.
15文献标识码:A1前言南极是全球大气热机运转的冷源,对全球大气和海洋环流及气候的变换起着重要的作用.
海冰是极地冷源的关键区,由于海冰的季节和年际变化大,再加上海冰两大独特的物理特性,是形成极地冷源的重要原因.
我国对南极海冰的监测和研究的重要动力,除了上述原因外,更重要的原因是我国南极考察事业的需要和南极考察事业发展地推动作用.
1984年和1988年我国相继在西南极和东南极建立了长城站和中山站,自此之后需要每年或隔年绕南极大陆海冰外缘带航行,从长城站到中山站,然后还要穿越冰情复杂的普里兹湾才能到达中山站进行后勤补给.
海冰的长期预报和现场冰区导航,水道选择,推荐航线等实际需求的迫切愿望,反之南极现场考察也为海冰的监测和研究创造了有利可行的条件,对南极海冰的监测和研究有了很大的促进和推动.
20世纪90年代我国对南极海冰进行了一系列的监测和研究,在南极建立了以卫星监测为主的立体监测系统,研究了南极海冰的变化特征和长期变化趋势[1,2],提出了南方海洋涛动的新观点,指出赤道太平洋的海温与东南极的海冰有超前和落后2a长达4a的强负相关的超长期的涛动关系[3];提出了南极威德尔海的海冰是南极海冰的正反馈中心,在南极海冰的变化中起主导和领先的作用[4];指出南极罗斯海海冰是南北两极海冰的负反馈中心,抑制海冰的正反馈变化,指出在太平洋罗斯海海冰起主导作用影响北极太平洋侧区的海冰,而在大西洋是北极海冰起主导作用影响南极威德尔海的海冰[5].
研究了极地海冰变化与全球大气环流的影响,与ENSO事件、与全球海平面的关系等等[6~8];研制了船载气象卫星接收系统和图像处理系统,利用卫星遥感技术在南北极考察中对海冰的监测和指导船舶在冰区中航行[9~12].
本文主要是研究南极海冰的长期变化和近期的第25卷增刊22003年9月冰川冻土JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGYVol.
25Suppl.
2Sept.
2003变化动态.
近年来有多家媒体对南极大陆冰盖的融化、崩解和陆架冰外缘线收缩的报道也各有其说法,为此力求较全面的探明南极海冰近期的变化动态和南极大陆冰外缘线是否在明显收缩等问题.
2资料来源和计算方法本文利用美国冰中心(NIC)提供的1973—1986年海冰格点资料(SIGRID)[13]和雪冰中心(NSIDC)提供的1978—1999年微波辐射资料(SMMR,SSM/I),以及我国南极考察船、长城和中山站现场观测的卫星资料和常规观测资料,进行同化处理[11].
应用了卫星遥感技术和统计学方法,对南极海冰的动态变化、南极陆缘冰架的崩解、收缩和海冰的长期变化趋势进行研究.
3南极海冰的面积本文用净冰面积指数来反映海冰的季节变化,净冰面积指数是把海冰格点资料里的水域部分去掉,纯海冰的面积.
它能够真实的反映南极海冰的多少对海洋和大气的影响.
南极夏季(2月)净冰面积的多年平均值为2.
3*106km2,最多的1973年达4.
15*106km2,最少为1993年1.
94*106km2;冬季(9月)多年平均值为1.
5*107km2,最多的1974年为1.
839*107km2,最少的1986年为1.
438*107km2.
冬季的海冰是夏季的6.
6倍.
图1给出了卫星遥感处理后的南极海冰密集度夏季(2月)和冬季(9月)多年平均的分布图.
从图中可以看到南极威德尔海的海冰最多,南北跨度最大,最南在77°S附近与南极大陆相接,最北可达55°S以北,南北跨度21个纬度.
次之是罗斯海海域的海冰,最南达77°S,最北达57°S附近.
除此之外还有南极半岛以西的别林斯高晋海和阿蒙森海.
东南极海冰较少,普里兹湾海域是比较大的冰区,但是比起威德尔海和罗斯海的冰区相对要小的多,该区是我国中山站所在的海域,具有特殊的意义,所以对此区也特别进行研究.
南极海冰的季节变化也非常大.
冬季南极大陆全部被海冰所包围,海冰范围可达55°S以北,南北宽度达2400km;夏季海冰融化强烈,大部分海冰都融化了.
冬季海冰是夏季的6.
6倍.
南极海冰的季节变化最大的特点是夏季短,冬季长,由夏到冬演变的时间长,需要7个月,由冬到夏的演变时间短,只需5个月(图略).
图1多年平均(1978-1999)夏季(2月)南极海冰密集度分布图Fig.
1MapshowingtheAntarcticseaiceconcentrationdistributioninsummer(February)4南极海冰的年际变化图2是全南极海冰净冰面积指数距平值的变化曲线.
从图中可以看到1973—1976年的海冰是最多的时期,20世纪70年代中后期多冰,70年代末到80年代中期是少冰期,90年代初开始增多,到90年中后期的1995—1999年,又进入多冰期.
变化的长周期约为20a.
图2南极海冰净冰面积指数距平值的历年逐月平均值的变化曲线(1973—1999)Fig.
2MonthlymeanvaluesoftheanomalyofneticeareaindexoftheAntarcticseaice图3是南极海冰距平累积变化曲线图.
累积距平值就是把距平值顺序相加求和的意思,用累积距平值可以反映长期变化趋势.
从累积距平变化图可以看到Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅴ区的变化趋势是一致的,多冰期出在20世纪70年代中期和90年代后期,80年代是少冰期.
Ⅲ区西南太平洋的海冰的变化趋势与Ⅰ区、Ⅱ区的变化恰好相反.
Ⅳ区威得尔海区海冰的变化与Ⅲ区的变化趋势相反,但是,变化的位235增刊2解思梅等:南极海冰和陆架冰的时空变化动态相比Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅴ区的超前3a左右.
也就是说它的多冰期高峰出在1974—1975年和1998—1999年,而Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅴ区的高峰出在1976—1978年,90年代的高峰期正处于上升趋势,还未到达高峰.
综上所述,南极海冰的年际变化区域性差别很大,大致可以分为三类:第一类是以西南太平洋罗斯海域海冰变化特征为代表,在1973—1999年27a期间,海冰的变化呈"U"型两端高中间低,即70年代中后期和90年代后期多冰,80年代少冰,东南太平洋和全南极的海冰变化趋势都与之类似;第图3南极各区海冰累积距平变化曲线Ⅰ区:东南极冰区(0~120°E)包括普里兹湾海域;Ⅱ区:西南太平洋海域,简称罗斯海海域(120°E~120°W);Ⅲ区:东南太平洋海域,包括别林斯高晋海和阿蒙森海(120°W~60°W);Ⅳ区:威得尔海域(60°W~0°);Ⅴ区:全南极海域的冰区Fig.
3CurvesofthecumulatedanomalyofseaiceareafordifferentAntarcticregions236冰川冻土25卷二类是南大西洋威得尔海区的海冰,它的变化与前者有相似之处,只是变化周期的位相超前了2~3a,在南极海冰的长期趋势变化中起主导和领先的作用.
第三类是东南太平洋的别林斯高晋海和阿蒙森海(Amundsen)区的海冰变化与威得尔海区的海冰变化位相相反,这2个海域被南极半岛隔开,其气候特征和海冰的变化特征完全不同,它与西南太平洋的海冰变化也不同,呈"∩"型,70年代中期和90年代都是少冰期,80年代是多冰期,这又是一种独特的气候特征.
5南极海冰和陆架冰近期变化动态南极海冰近期的动态变化,特别是南极大陆陆架冰的崩解和冰盖的外缘线变化情况,是近来人们关心的问题.
南极冬季环大陆周围全部被海冰包围,海冰的范围向北可以扩大到55°S附近,此时陆架冰全部与海冰冻结为一体,看不到陆架冰的变化(图1).
夏季南极海冰大量被融化,特别是东南极大部分海域的海冰都融化了,一直融化到了大陆沿岸附近,容易看到陆架冰的变化状态.
5.
1东南极海冰的近期变化动态图4是1998年2月南极海冰密集度分布图.
把图4和图1进行比较,可以看到东南极海冰比多年平均值多.
代表区罗斯海和普里兹湾的海冰都明显偏多,罗斯海西部的海冰大部分都融化了,和常年相当,东部有大范围的海冰,海冰范围都比多年平均值多.
90年代后期普里兹湾海域的海冰更是明显偏多,东南极和普里兹湾夏季的海冰在多年平均图41998年2月南极海冰密度分布图Fig.
4Antarcticseaiceconcentrotiondistributionof1998inFebruary图1中几乎全部融化了,而在图4中普里兹湾的东北部有一个明显的大冰坝.
图5是船载气象卫星接收系统接收的NOAA卫星资料,经过卫星遥感图像处理得到的冰图.
从冰图上可以看到,1998年2月在普里兹湾口有一个东北-西南向的大冰坝斜插在普里兹湾内.
形成冰坝的海冰主要来源于湾口东北部西冰架(WestIceShelf)断裂下来的浮冰和海冰,受大陆沿岸东风和西向海流的影响向普里兹湾漂移,进入湾内后,继续受南极大陆冰盖上东南方向的下降风人海后左偏气流的影响以及近岸东北向海流的影响,使海冰也向湾内漂移,形成了东北-西南向的大冰坝.
该冰坝从1月一直维持到3月,直到3月份海冰重新冻结封闭了整个普里兹湾.
由于这个冰坝的存在,在湾的西北部没有海冰,是宽阔的海域,沿南极大陆也是较宽的水道,有利于导致西风带上的绕极气旋路径偏南,进入普里兹湾发展加强.
由于在湾的东南部长时间维持一个陆岸暖水域的冰间湖,一旦气旋进入,容易爆发性发展.
1998年2月5~6日,就有一个绕极气旋进入普里兹湾爆发性发展,其风力达12级以上,最大瞬间风速达100m·s-1,10min平均最大风速达48m·s-1,持续大风时间长达36h[14].
1999年夏季普里兹湾的海冰也是偏多的,最明显的是1月(图5b).
从图中可以看到在普里兹湾口处有一个大冰坝.
这个冰坝的形状与1998年2月的完全不一样,在湾口的东北和西北处分别有一个向北伸出的冰坝,然后相向合并成一个东西向的冰坝.
这个冰坝的形成是由湾口东北部的西冰架和西北部的麦克罗伯逊地陆架冰相连的大片浮冰形成的.
形成这种形状与这一年的大气和海洋环流有关.
首先是整个普里兹湾内部的海冰很少,几乎全是水域,南极大陆的下降风从大陆各个方向下来入海之后,受科氏力的作用,风向左偏形成了顺时针方向的环流,同样,受风应力的作用,也形成了顺时针方向的海流.
这一年西风带偏北,在西风带上的绕极气旋路径也偏北,再加上气旋东移过程中受这个大冰坝的阻挡,很难进入普里兹湾.
所以,这一年夏季在普里兹湾进行科学考察时,在湾内一直没有遇上气旋的影响.
1998和1999年,由于普里兹湾冰坝的形状和分布的差别,所引起的天气系统是截然不同的.
1998年夏季的东北西南向的大冰坝,有利于绕极237增刊2解思梅等:南极海冰和陆架冰的时空变化动态图5船载气象卫星接收系统接收的NOAA卫星的云图,经过图象处理得到的南极普里兹湾的海冰图1998年2月(a)和1999年1月(b)都属于夏季多冰年;图中的白点是海洋调查点Fig.
5NOAAsatellitecloudchartsreceivedbyshipboardmeteorologicalsatellitereceivingsystem气旋进入普里兹湾爆发性发展.
有关绕极气旋进入普里兹湾爆发性发展的详细研究,见文献[14].
1999年的冰坝形式则不利于绕极气旋进入普里兹湾.
所以,海冰的分布直接影响南极绕极气旋的发生、发展、路径和消亡.
5.
2西南极海冰的近期变化动态图4和图1进行比较,可以看到威德尔海1998年夏季的海冰明显比多年平均值少,特别是龙尼冰架明显减少,1998年2月在70°~75°S的海冰几乎全部融化了,而多年平均图上,这里几乎全部是海冰.
别林斯高晋海和阿蒙森海的海冰也有相当大范围的海冰已经融化到了大陆岸边,比多年平均值少.
总之西南极的海冰比多年平均值明显偏少.
5.
3南极陆架冰近期的变化动态陆架冰架的崩解现象,主要体现在冰山的多少.
南极的冰山是由南极冰原周围的冰舌(icestream)、冰架(caivingice)崩解产生的,是南极大陆冰盖直接向海洋输送的净水量,对全球海平面的变化有直接的影响.
随着卫星遥感技术的迅速发展,监测和跟踪大冰山的技术已经解决.
根据美国国防气象卫星监测和跟踪到近期南极大冰山的总个数为33个,计算其面积为65732km2,体积约为58645km3,相当于5.
278*1013t水,这些水是南极大陆冰盖向海洋净输入水量,使全球海平面升高约14mm.
从冰架崩解形成大冰山最多的是西南极龙尼冰架和东部罗斯冰架,东南极的冰山比西南极的冰山少的多[15].
6讨论和结论6.
1讨论这里要讨论的问题是,造成南极海冰季节性变化和区域性差异的原因.
为什么东南极海冰冬夏季节变化大,为什么罗斯海和威德尔海的海冰在纬度高达77°S附近的海冰夏季能够融化,为什么在南极半岛两侧纬度在65°~70°S相对较低纬度的海冰反而不能融化.
冬季和夏季海冰的季节差异,很重要的原因是夏季海冰的融化问题.
造成海冰融化有热力学和动力学两方面的原因.
夏季南极进入极昼期,太阳辐射使南极地区的气温升高,使无冰覆盖的海水升温.
气温和海水温度的升高对海冰的融化有一定的作用,但是,由于海冰本身对太阳短波辐射吸收的很少,80%的太阳辐射都被海冰反射回宇宙空间.
同时,海冰又是热的不良导体,隔离了海冰覆盖下的海水吸收太阳辐射.
所以,太阳辐射对海冰的融化作用不大.
影响夏季海冰融化的重要原因是动力学原因.
南极大陆被冰盖覆盖,东南极的冰盖厚度和高度比西南极的大,以南极横断山脉(Transantarctic-Mountains)为界,分为东南极和西南极冰盖.
东南极冰盖的海拔最高在4000m以上,而西南极海拔在2500m以下,南极半岛海拔在2000m以下.
南极冰盖在沿岸地区,坡度很大,受地形和冰原的影响,在南极大陆沿岸形成著名的下降风.
坡度越大,下降风越强.
所以,沿岸比内陆强,东南极比西南极强.
下降风的风向从大陆吹向沿海,以东南238冰川冻土25卷风为主.
由于东南风的作用,也就是离岸风,使海冰离开南极大陆沿岸漂向北部大洋区,逐渐融化.
所以,东南极夏季的海冰几乎全部融化(见图1).
在罗斯海和威德尔海的西部,下降风也很强.
因此,这里夏季的海冰也都融化了,甚至于融化到75°S以南的高纬度带.
在南极半岛两侧的下降风很弱或者没有下降风.
因此,这里的海冰融化的少,特别是南极半岛东岸威德尔海西部的海冰,受威德尔海内顺时针方向的偏东风和海流的影响,使海冰向西部集结,造成南极半岛东侧的海冰常年不化.
6.
2结论南极海冰的年际变化可分为三类:第一类是全南极海冰、东南极和西南太平洋罗斯海海区的海冰变化趋势是20世纪70年代和90年代中后期多冰,80年代和90年代初少冰,呈"U"型;第二类是南大西洋威得尔海区的海冰,它的变化与前者有相似之处,只是变化周期的位相超前了2~3a,在南极海冰的长期趋势变化中起主导和领先的作用;第三类是东南太平洋的别林斯高晋海和阿蒙森海区的海冰变化呈"∩"型,70年代中期和90年代都是少冰期,80年代是多冰期,与威得尔海海冰的变化位相相反,这2个海域被南极半岛隔开,其气候特征和海冰的变化特征完全不同.
南极海冰没有随着气候温暖化明显减少.
20世纪90年代后期的海冰在增多,区域性变化差异较大.
东南极海冰偏多,东南极的代表区是普里兹湾海域的海冰夏季明显偏多,最典型的是1998和1999年夏季在普里兹湾口维持的大冰坝,位于普里兹湾外东北部的西冰架外缘线略有扩展,崩解和破碎下来的陆架冰和海冰随沿岸东风和西向海流向西漂移是形成普里兹湾大冰坝的重要浮冰源;90年代西南极海冰在减少,西南极的威德尔海和东南太平洋的海冰偏少.
南极近期西南极威德尔海的龙尼冰架和罗斯海东部冰架崩解和收缩现象明显,东南极陆架冰有崩解,但属于正常状态.
陆架冰的外缘线总体上也没有明显变化,有收缩和崩塌现象,也有扩展现象.
海冰和南极大陆冰架仍是按照自身的变化规律进行周期性变化和区域性变化为主,受全球气候温暖化影响不大.
目前南极冰盖断裂崩解形成冰山,向海洋净输入水量可使全球海平面上升14mm.
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PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200129,China)Abstract:Inthispaper,seaicedataprovidedbytheIceandSnowCenter,USAandfieldobservedseaicedatawithassimilationprocessedareusedtostudythedynamicvariationandlong-termchangetrendoftheAntarcticseaice.
Thestudyshowsthattherewereaperiodofmoreiceinthelate1970sandaperiodoflessiceinthe1980s;Whileinthe1990stheAntarc-ticseaicewasinaincreasingperiodwithmoreiceinitslaterstage.
Therewasalargeregionalvariationdifferenceinthe1990s,moreiceintheeasternAntarcticaandobviouslylessiceinthewestAntarcti-ca,bothsidesoftheAntarcticPeninsula,especiallyinWeddellSeaandBellingshausenSea.
TheseaicevariationtrendintheeasternandwesternAntarcticaisalwaysinoppositephase.
Inthelate1990s,seaiceinPrydzBaywasobviouslyrich.
Alongtheouterpe-ripherylineofseaiceoftheAntarcticcontinentshelf,onthewholly,therewasnoanyevidentretreat,withnormalcollapseandrenascence.
WhileinthewesternAntarctica,RonneIceShelfofWeddellSeaandeast-ernpartofRossSeaIceShelf,collapseandretreattrendwasevident.
CollapseandretreatoficeshelfintheeasternAntarcticaalsooccurred,butnotasevi-dentasinthewesternAntarctica.
Icebergfromshelficecollapsetooceangivesacertainimpactontheglobalsealevelrising.
Inashortword,theAntarcticseaicehadnotobviouslydecreasingwithglobalcli-matewarming,butanormalperiodicalchanging,withadjustingandrestrictingduetooppositephasevariationintheeasternandwesternAntarctica.
Keywords:Antarcticseaice;variationtrend;periodicalvariation240冰川冻土25卷