威德爾海海冰年際變化特征

威德爾海海冰年際變化特征過去兩百年南極海冰如何變化的？本文揭示了過去兩百年南極海冰演變特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為理解南極海冰變化復(fù)雜性并預(yù)估未來變化提供了重要依據(jù)。南極冰蓋與外圍海冰南極冰蓋面積約1400萬平方千米，每年南半球隆冬季節(jié)，冰蓋外圍的海冰面積增長至最大，可超過1800萬平方千米，相較于幾乎固定不動(dòng)的冰蓋，二者的總面積增長了一倍多；到了夏季，海冰又龜縮到南極洲沿岸。南極海冰在冬夏之間大幅度擴(kuò)張-退縮變化，成為全球氣候尤其南半球氣候變化重要的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力。然而，南極海冰面積的長期歷史變化是怎樣的？至今沒有很好的答案。與北極海冰快速減少的趨勢不同，從1979年衛(wèi)星觀測以來南極海冰經(jīng)歷輕微增長趨勢，形成了當(dāng)今氣候變暖背景下的“南極海冰悖論”，2016~2018年雖有所減退，但并沒有影響總趨勢。顯然，依賴1979年以來的衛(wèi)星資料和當(dāng)前的氣候模式尚不足以揭示南極海冰的變化規(guī)律，更難以探求變化背后的機(jī)理。中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院極地冰凍圈與氣候變化研究團(tuán)隊(duì)，基于我國自主科考和國際合作獲取的高分辨率南極冰芯記錄，首次重建了過去100~200年覆蓋南大洋五個(gè)扇區(qū)(威德爾海(WS)、別林斯高晉海(BS)、阿蒙森海(AS)、羅斯海(RS)、印度洋-西太平洋(IndWPac))的海冰北邊界變化序列(圖1)，探討了南極海冰范圍的長期趨勢、多年代際演變特征，以及影響機(jī)理。結(jié)果表明，在過去100~200年中，南極海冰范圍變化具有明顯的區(qū)域差異：WS(圖1(a))、BS(圖1(b))和IndWPac(圖1(e))的海冰范圍以每10年向南退縮0.08、0.17和0.03個(gè)緯度的速率減少，而AS(圖1(c))和RS(圖1(d))的海冰分別以每10年向北擴(kuò)張0.07和0.02個(gè)緯度的速率增加。對于整個(gè)南極來說，海冰范圍在20世紀(jì)其實(shí)呈顯著減少趨勢(?0.03°/10a)，其中20世紀(jì)中期以前變化較為平緩，20世紀(jì)中期以后1955~1980年之間出現(xiàn)大幅度減少，只是在1981年之后出現(xiàn)顯著增加趨勢(圖2)，恰恰與全球加速增暖期重合。圖1過去100~200年南極威德爾海(a)，別林斯高晉海(b)，阿蒙森海(c)，羅斯海(d)和印度洋-西太平洋(e)的海冰北邊界(NLSIE,定義為15%的海冰密集度所在緯度)演變序列，黑線為重建序列，紅線為衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)；地圖的彩色陰影表示各扇區(qū)海冰NLSIE的變化趨勢圖21903-2016年南極海冰北邊界序列(a)和滑動(dòng)趨勢圖(b)分析表明，20世紀(jì)中期前后，各扇區(qū)海冰的趨勢變化加快，主要受到南半球環(huán)狀模(SAM)在20世紀(jì)中期向正位相轉(zhuǎn)變的影響。SAM指數(shù)的增大會伴隨阿蒙森低壓的加深和西風(fēng)帶的增強(qiáng)，在印度洋為西風(fēng)主導(dǎo)，不利于海冰范圍向北擴(kuò)張；RS和AS產(chǎn)生南風(fēng)異常，使得海冰顯著增加；BS和WS產(chǎn)生北風(fēng)異常，使得周圍海冰顯著減少(圖3)。此外，該研究指出WS、BS和AS海冰的多年代際變化主要受太平洋年代際振蕩(IPO)的影響，而RS和IndWPac受SAM影響更為顯著。因此，南極海冰的過去變化尚不能單純用溫度變化解釋，以大尺度環(huán)流變化解釋則更容易。當(dāng)然，環(huán)流變化背后很可能既有自然因素，也有人為因素，是值得深入探討的。圖3基于南半球環(huán)狀模指數(shù)(a,b,c)和太平洋年代際振蕩指數(shù)(d,e,f)高