1979—2018年南極海冰邊緣區(qū)范圍時空變化研究

劉玥 龐小平,2 趙羲,3,4 霍瑞 劉闖

研究論文

1979—2018年南極海冰邊緣區(qū)范圍時空變化研究

劉玥1龐小平1,2趙羲1,3,4霍瑞1劉闖1

(1武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心, 湖北 武漢 430079;2極地測繪科學(xué)國家測繪地理信息局重點實驗室, 湖北 武漢 430079;3中山大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廣東 珠海 519085;4南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519085)

南極海冰邊緣區(qū)是海洋-大氣的重要交換區(qū), 也是海洋生物的重要棲息地, 其年際變化、季節(jié)性變化和區(qū)域差異顯著影響著全球海洋和大氣環(huán)境?；诿绹鴩冶?shù)據(jù)中心1979—2018年的海冰密集度數(shù)據(jù)集, 本研究將海冰密集度15%～80%作為閾值確定海冰邊緣區(qū), 通過邊緣區(qū)范圍的年際變化、季節(jié)性變化來分析整個南極及其5個子區(qū)域的海冰邊緣區(qū)范圍時空變化特征與趨勢。研究結(jié)果表明, 南極海冰邊緣區(qū)所在的位置并不穩(wěn)定, 大部分邊緣區(qū)海冰出現(xiàn)的頻次小于20年。40年間南極海冰邊緣區(qū)范圍呈略微減少趨勢, 減少速度為(5.8±2.6)×103km2·a–1。邊緣區(qū)平均緯度并沒有明顯偏移趨勢。此外南極海冰邊緣區(qū)范圍和平均緯度呈現(xiàn)穩(wěn)定的季節(jié)性周期變化, 邊緣區(qū)范圍于2月達(dá)到最小值, 在3—11月緩慢增長, 12月到達(dá)最大值后迅速下降。邊緣區(qū)平均緯度通常在9月到達(dá)最北端, 2月到達(dá)最南端。此外, 5個地理分區(qū)中威德爾海扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍最大, 波動最明顯, 平均緯度最偏北。5個分區(qū)的年平均邊緣區(qū)范圍和平均緯度的變化趨勢在1979—2018年間整體較為平緩, 但是邊緣區(qū)范圍和平均緯度的變化趨勢分別在1979—1988年間和1999—2018年間最為明顯。

海冰邊緣區(qū) 海冰密集度 海冰范圍 時空變化 南極

0 引言

極地海冰區(qū)是影響全球氣候環(huán)境變化的關(guān)鍵區(qū)和敏感區(qū)[1-2]。海冰能改變海洋表面的輻射平衡和能量平衡, 隔離海洋與大氣間的熱交換和水汽交換。海冰邊緣區(qū)作為部分被海冰覆蓋的區(qū)域, 是開闊水域和密集冰區(qū)之間的過渡帶, 其海冰密集度在15%～80%之間[3-4], 它是海洋生物的重要棲息地, 其時變狀態(tài)影響著海洋-大氣交換[5-6]。邊緣區(qū)已成為海洋學(xué)[7-9]、大氣科學(xué)[10-11]和生物學(xué)[12-13]等領(lǐng)域的重要研究區(qū)域。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 人們對海冰的監(jiān)測能力大大提高, 遙感技術(shù)逐步成為觀測全球海冰變化最有效的方式。學(xué)者們對衛(wèi)星觀測獲得的長期、連續(xù)的海冰資料分析, 進(jìn)而研究海冰邊緣區(qū)的年際、年代際和季節(jié)變化[14-17]。在北極海冰范圍減少的趨勢下[18-19], Rolph等[14]發(fā)現(xiàn)在40年間北極海冰邊緣區(qū)范圍并沒有變化趨勢, 而在緯度上有向北移動的趨勢。雖然邊緣區(qū)的寬度在夏季(7—9月)以13 km·a–1的速度增加[15], 但其寬度的增加是通過周長的減小來補(bǔ)償?shù)腫14]。與北極相反, 南極海冰范圍總體并無顯著變化甚至呈微弱的上升趨勢[8,20-26], 但是邊緣區(qū)范圍的變化趨勢和所用的算法有關(guān)[16]。由NASA Team算法得到的邊緣區(qū)范圍在9—11月有增長的趨勢, 但是由Bootstrap算法得到的邊緣區(qū)范圍在3—11月都沒有明顯的變化趨勢。目前現(xiàn)有對南極海冰邊緣區(qū)的研究較少, 這些研究主要集中在3—11月各個月份的邊緣區(qū)范圍變化趨勢, 從而忽略了全年的年際變化趨勢; 在空間變化方面, 這些研究只描述了單一緯度上的變化趨勢和邊緣區(qū)寬度的變化趨勢, 忽略了邊緣區(qū)的整體空間偏移方向。

本研究使用基于SSMR、SSM/I和SSMIS的南極地區(qū)海冰密集度數(shù)據(jù)集, 對1979—2018年共40年間整個南極海冰邊緣區(qū)范圍進(jìn)行時空分析, 以揭示南極海冰邊緣區(qū)范圍的年際變化趨勢、季節(jié)性變化規(guī)律和區(qū)域性變化特征。本文參考前人對海冰邊緣區(qū)范圍和面積的研究, 把海冰密集度處于15%～80%之間的范圍定義為邊緣區(qū), 將全南極海冰分為印度洋扇區(qū)(20°E～90°E)、太平洋扇區(qū)(90°E～160°E)、羅斯海扇區(qū)(160°E～130°W)、別林斯高晉-阿蒙森海扇區(qū)(130°W～60°W)、威德爾海扇區(qū)(60°W～20°E)5個子區(qū)域(圖1)。

圖1 南極海域分區(qū)示意圖

Fig.1.Location map of Antarctic 5 sectors

1 數(shù)據(jù)和方法

被動微波具有穿透云層, 受雨、雪、霧的影響較小, 并且能在極夜條件下連續(xù)觀測海冰的能力, 因而被廣泛使用。早期被動微波反演海冰密集度的研究主要使用Nimbus-7衛(wèi)星搭載的多通道微波掃描輻射計SMMR, 其工作周期為1978年10月26日—1987年7月8日。SMMR于1987年停運(yùn)后, 使用由美國國防氣象衛(wèi)星DMSP上搭載的一系列多波段微波輻射掃描儀SSM/I和多波段微波輻射成像探測儀SSMIS提供的數(shù)據(jù), 該衛(wèi)星從1987年7月9日工作至今。

本研究所涉及的海冰密集度數(shù)據(jù)下載自美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(National Snow and Ice Data Center), 該數(shù)據(jù)集以SMMR和SSM/I-SSMIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 利用Bootstrap算法反演得到海冰密集度數(shù)據(jù), 時間范圍為1979年1月1日—2018年12月31日, 分辨率為25 km×25 km, 空間網(wǎng)格為316列×332行。

對于海冰邊緣區(qū)的識別, 本研究除了采用密集度閾值15%和80%外, 還通過位置拓?fù)潢P(guān)系的判斷條件, 剔除了冰間湖等與邊緣區(qū)密集度相似的區(qū)域。識別時, 基于15%和80%的海冰密集度閾值, 將海冰密集度柵格分為三類: 低海冰密集度區(qū)域(<15%)、中海冰密集度區(qū)域(15%～80%)和高海冰密集度區(qū)域(>80%)。我們先將中海冰密集度區(qū)域全部當(dāng)做邊緣區(qū), 再將符合以下3種情況的柵格剔除: (1)中海冰密集度區(qū)域一邊和陸地相連, 另一邊完全被低或高海冰密集度區(qū)域包圍, 沿岸冰間湖多數(shù)符合這種情況; (2)中海冰密集度區(qū)域完全被高海冰密集度包圍, 部分非沿岸冰間湖屬于此類; (3)中海冰密集度區(qū)域小于50個柵格且完全被低海冰密集度包圍, 小型冰山和外海破碎浮冰屬于此類。由此我們得到處理后的海冰邊緣區(qū)二值圖像。

2 南極海冰邊緣區(qū)的空間變化特征

基于1979年1月—2018年12月邊緣區(qū)月均數(shù)據(jù), 統(tǒng)計每年邊緣區(qū)海冰出現(xiàn)次數(shù), 得到海冰邊緣區(qū)多年逐月頻次分布圖(圖2)。南極海冰邊緣區(qū)所在的位置并不穩(wěn)定, 大部分邊緣區(qū)海冰出現(xiàn)的次數(shù)小于20年。如果將邊緣區(qū)海冰出現(xiàn)次數(shù)在20—40 年視為較穩(wěn)定存在的區(qū)域, 1—4月靠近南極大陸地區(qū)的邊緣區(qū)海冰相對穩(wěn)定, 越向外邊緣區(qū)海冰出現(xiàn)頻次越低。5月開始, 邊緣區(qū)相對穩(wěn)定的區(qū)域增加, 圍繞南極大陸呈環(huán)狀分布, 直到11月, 除別林斯高晉-阿蒙森海扇區(qū)外, 其余區(qū)域都有穩(wěn)定的環(huán)狀區(qū)出現(xiàn)(>30年)。12月, 邊緣區(qū)的較穩(wěn)定區(qū)域達(dá)到最大范圍。

Fig.2.Monthly frequency distribution of marginal ice zone from 1979 to 2018

3 南極海冰邊緣區(qū)范圍和平均緯度的時間變化特征

3.1 年際變化特征

1979—2018年邊緣區(qū)范圍的年均值總體上呈現(xiàn)下降的趨勢, 其中邊緣區(qū)范圍在1983—1989年處于不斷減小的趨勢, 隨后的20年波動式下降(圖3a), 在2007年達(dá)到40年間的最小值。2013年邊緣區(qū)范圍突然增長, 于2015年達(dá)到最大值。1979年1月—2018年12月南極海冰邊緣區(qū)范圍月均值呈現(xiàn)年際波動性變化, 各年份邊緣區(qū)范圍的最小值相差不大, 在1.0×106～2.3×106km2之間波動, 出現(xiàn)在每年夏季末期(2月)。最大值的變化較大, 在4.1×106～7.5×106km2之間波動, 大部分出現(xiàn)在每年春末夏初(11—12月)。自2012年以來, 南極月尺度邊緣區(qū)范圍的最大值呈現(xiàn)增大趨勢但是最小值呈下降趨勢。

總體看來, 40年間邊緣區(qū)范圍月距平變化的浮動區(qū)間大致為–1.0×106～1.5×106km2, 一年中由于季節(jié)不同月距平值差異最大可以達(dá)到2.1×106km2(圖3b)。邊緣區(qū)范圍40年來平均每年減少(5.8±2.6)×103km2(<0.05), 進(jìn)一步對每10年的月距平曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 邊緣區(qū)范圍并不是一直減小的, 而是處于先減小再增大隨后再減小的狀態(tài): 在1979—1988年這10年間, 邊緣區(qū)范圍減少得最快, 達(dá)到–7.7×103km2·a–1, 在隨后的10年中以2.2×103km2·a–1的速度緩慢增長, 緊接著在1999—2018年海冰邊緣區(qū)范圍繼續(xù)減小, 變化趨勢大約在–5.0×103km2·a–1。

1979—2018年邊緣區(qū)平均緯度年均值變化波動不大, 于2014年達(dá)到最北(64.43°S)后連年向南移動, 于2018年達(dá)到最南端(65.36°S)(圖3e)。由月均值變化圖可知, 邊緣區(qū)平均緯度呈現(xiàn)年際波動性變化。各年份邊緣區(qū)平均緯度的最小值和最大值相差較小, 其中最小值(最北)在59.9°S～ 61.7°S之間波動, 出現(xiàn)在每年春季(9—10月), 最大值(最南)在69.0°S～71.2°S之間波動, 出現(xiàn)在每年夏季末期(2月)。海冰邊緣區(qū)平均緯度在40年間沒有明顯變化趨勢, 但是進(jìn)一步對每10年的月距平曲線進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn), 海冰邊緣區(qū)具有先向南移動、再向北移動、隨后又向南移動的趨勢(圖3f)。

3.2 季節(jié)性變化特征

南極海冰邊緣區(qū)于2月到達(dá)最小值, 12月達(dá)到最大值(圖4a)。10—12月, 南極地區(qū)溫度逐漸升高, 海冰融化導(dǎo)致密集度減小, 高密集度海冰區(qū)域外圍向海冰邊緣區(qū)轉(zhuǎn)化, 同時低緯度邊緣區(qū)逐漸變?yōu)殚_闊水域。由于高密集度海冰區(qū)域范圍減小速度(約–4.7×106km2·month–1)快于南極海冰總范圍的減少速度(約–4.0×106km2·month–1), 海冰邊緣區(qū)范圍在融冰早期和中期有一定程度的增大, 于12月達(dá)到最大。1—2月, 南極海冰總范圍和海冰邊緣區(qū)范圍急劇減小, 在2月份同時達(dá)到最小值。2月底融冰期結(jié)束, 海冰開始凍結(jié), 海冰密集度增大, 南極海冰總范圍以及海冰邊緣區(qū)均向外擴(kuò)張, 范圍增大, 直到9月南極海冰總范圍達(dá)到最大。

從3月開始到8月, 邊緣區(qū)平均緯度持續(xù)向北推進(jìn), 9月或10月達(dá)到最北端后向南移動, 直到次年2月抵達(dá)最南端(圖4b)。分析邊緣區(qū)平均緯度極值可以發(fā)現(xiàn): 在邊緣區(qū)平均緯度南移的初期和中期(10—12月), 邊緣區(qū)范圍正處于不斷增長的時期。這可能是由于氣溫升高, 較高緯度的高密集度海冰和較低緯度的邊緣區(qū)海冰一起融化(圖2), 但是高緯度的冰融化的速度比低緯度邊緣區(qū)海冰融化為開闊水域的速度更快, 導(dǎo)致邊緣區(qū)的范圍在增加但位置卻在向南移動。

我們分4個季節(jié)分別對南極海冰邊緣區(qū)范圍和平均緯度進(jìn)行討論。圖5a為南極各季節(jié)邊緣區(qū)范圍的時間序列, 從圖中可以看出春季海冰邊緣區(qū)范圍最大, 秋季邊緣區(qū)范圍最小。由圖4a得知邊緣區(qū)范圍的月均最大值和月均最小值分別出現(xiàn)在12月和2月, 同屬于夏季, 所以從季節(jié)上看, 夏季3個月平均的邊緣區(qū)范圍并不是最小。邊緣區(qū)范圍從秋季的1.95×106km2變化至春季的4.89×106km2。春季邊緣區(qū)范圍最大值出現(xiàn)在2016年, 為4.89×106km2; 最小值出現(xiàn)在2007年, 為3.64×106km2。春季邊緣區(qū)范圍呈現(xiàn)一定的下降趨勢, 但不是很明顯。夏季邊緣區(qū)范圍最大值出現(xiàn)在2008年, 為4.04×106km2; 最小值出現(xiàn)在2017年, 為2.64×106km2。夏季邊緣區(qū)范圍波動相對較大, 但趨勢變化與春季相差不大。秋季邊緣區(qū)范圍最大值出現(xiàn)在1983年, 最大值為2.55×106km2; 最小值出現(xiàn)在2017年, 為1.95×106km2。秋季邊緣區(qū)范圍呈現(xiàn)下降趨勢, 但趨勢性不強(qiáng)。冬季邊緣區(qū)范圍最大值出現(xiàn)在1979年, 最大值為3.42×106km2; 最小值出現(xiàn)在2012年, 為2.68×106km2。冬季邊緣區(qū)范圍變化趨勢是4個季節(jié)中最為明顯的。

圖3 1979—2018年南極海冰邊緣區(qū)特征.a)范圍月均值和年均值變化曲線; b)范圍月距平值變化曲線和趨勢; c)范圍月均值最小值; d)范圍月均值最大值; e) 平均緯度月均值和年均值變化曲線; f) 平均緯度月距平值變化曲線和趨勢; g) 平均緯度月均值最小值; h) 平均緯度月均值最大值

Fig.3.The characteristics of Antarctic marginal ice zone from 1979 to 2018.a) monthly and annual average Antarctic marginal ice zone extents; b) monthly deviations for the MIZ extents, with the regression line and its slope; c) MIZ in February 2017, with maximum monthly extent; d) MIZ in December 2010, with minimum monthly extent; e) monthly and annual average Antarctic marginal ice zone mean latitude; f) monthly deviations for the MIZ mean latitude, with the regression line and its slope; g) MIZ in September 1980, with minimum monthly mean latitude; h) MIZ in March 1988, with maximum monthly mean latitude

邊緣區(qū)平均緯度在夏季到達(dá)最南(69.25°S)、春季到達(dá)最北(60.48°S)(圖5b)。春季邊緣區(qū)平均緯度最北到達(dá)60.48°S(1980年)、最南到達(dá)62.21°S (1979年), 呈現(xiàn)比較緩慢的向北移動趨勢。夏季邊緣區(qū)平均緯度最北到達(dá)67.25°S(2014年)、最南到達(dá)69.25°S(1982年), 向北移動的趨勢不明顯。秋季邊緣區(qū)平均緯度最北到達(dá)66.25°S(2015年)、最南到達(dá)68.34°S(2006年), 秋季邊緣區(qū)平均緯度波動相對較大, 變化趨勢比較明顯。冬季邊緣區(qū)平均緯度最北到達(dá)61.90°S (2004年)、最南到達(dá)63.30°S(1986年), 向北移動的趨勢性不強(qiáng)。

圖4 1979—2018年南極海冰總范圍、邊緣區(qū)范圍和邊緣區(qū)平均緯度月均變化曲線圖.a)南極海冰總范圍、邊緣區(qū)范圍月均變化曲線圖; b)邊緣區(qū)平均緯度月均變化曲線圖

Fig.4.Monthly variation of Antarctic sea ice extent, marginal ice zone extent and mean latitude of marginal ice zone from 1979 to 2018.a)monthly variation of Antarctic sea ice extent and marginal ice zone extent; b) monthly variation of mean latitude of marginal ice zone

圖5 1979—2018年各季節(jié)邊緣區(qū)范圍和平均緯度變化曲線圖.a)邊緣區(qū)范圍變化; b)平均緯度變化

Fig.5.Seasonal variation of margin ice zone extent and mean latitude from 1979 to 2018.a) variation of margin ice zone extent; b) variation of mean latitude

4 南極海冰邊緣區(qū)范圍和平均緯度變化的區(qū)域性特征

1979—2018年間, 南極5個區(qū)域的邊緣區(qū)范圍和平均緯度有明顯的區(qū)域性特征(圖6)。威德爾海扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍最大(約0.90×106km2), 波動最明顯, 平均緯度最偏北(約63.1°S); 印度洋扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍次之(約0.66×106km2), 平均緯度(約63.6°S)與威德爾海扇區(qū)邊緣區(qū)平均緯度相近; 羅斯海扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍(約0.63×106km2)與印度洋扇區(qū)邊緣區(qū)范圍相近, 平均緯度比較偏南(約67.0°S); 太平洋扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍略小(約0.53×106km2), 平均緯度(約63.9°S)與威德爾海扇區(qū)和印度洋扇區(qū)的邊緣區(qū)位置相近; 別林斯高晉-阿蒙森海區(qū)域邊緣區(qū)范圍最小(約0.46×106km2), 平均緯度處于5個區(qū)域的最南端(約68.0°S)。

圖6 1979—2018年5個區(qū)域邊緣區(qū)范圍和平均緯度的年均值曲線.a)邊緣區(qū)范圍; b)平均緯度

Fig.6.Annual variation of marginal ice zone extent and mean latitude in five regions from 1979 to 2018.a) marginal extent; b) mean latitude

通過對邊緣區(qū)范圍的月距平曲線變化趨勢圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 雖然5個區(qū)域的邊緣區(qū)范圍在1979—2018年間的變化趨勢較小, 但是在1979—1988年間的變化趨勢較為明顯(圖7a)。印度洋扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍在40年間幾乎沒有變化, 在4個10年段上僅有微弱的變化。太平洋扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍在40年間的減小速度是5個區(qū)域中最快的, 以2.1×103km2·a–1(<0.05)的速度減少; 從4個10年段的變化來看, 其在1979—1988年間以7.8× 103km2·a–1的速度快速減小, 在隨后的30年里以緩慢的速度增長。與太平洋扇區(qū)相反, 羅斯海扇區(qū)的海冰邊緣區(qū)范圍在1979—1988年間以19.4× 103km2·a–1的速度迅速增長, 而在之后的30年緩慢減小。別林斯高晉-阿蒙森海區(qū)域的邊緣區(qū)范圍在4個10年的時間段上都處于不斷減少的狀態(tài), 其中在第一個10年里的減少速度達(dá)到最快, 以12.6×103km2·a–1的速度減少, 隨后減小的速度放緩, 在后面的30年里以5×103km2·a–1的速度減少。威德爾海扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍變化趨勢和太平洋扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍變化趨勢較為一致, 都是處于先減少再增加的狀態(tài), 不一樣的是威德爾海扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍在后30年比太平洋扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍增長速度快, 可是兩者在40年間的變化相差不大。

與邊緣區(qū)范圍類似, 5個區(qū)域的邊緣區(qū)平均緯度都是在1979—2018年變化較小, 而在4個10年的時間段上變化相對較為明顯(圖7b)。印度洋扇區(qū)的邊緣區(qū)平均緯度僅在2009—2018年間的變化比較大, 以每年0.084°的速度向南偏移。太平洋扇區(qū)的邊緣區(qū)平均緯度在1979—1998年的20年間先向南偏移后再以2倍的速度向北移動, 隨后的20年停止偏移。羅斯海扇區(qū)在1979—1988年間, 平均每年向北移動0.19°, 隨后向北移動的速度減慢, 直至1999年開始向南移動, 在2009

圖7 1979—2018年5個區(qū)域的海冰邊緣區(qū)范圍和平均緯度月距平曲線變化趨勢圖.a)海冰邊緣區(qū)范圍; b)平均緯度

Fig.7.Monthly deviation trends of marginal ice zone extent and mean latitude in five regions from 1979 to 2018.a) marginal ice zone extent; b) mean latitude

年開始以0.13(°)·a–1年的速度快速向南移動。別林斯高晉-阿蒙森海扇區(qū)邊緣區(qū)平均緯度的變化情況初期與太平洋扇區(qū)邊緣區(qū)平均緯度的變化情況相似, 但是在1999—2008年間向南移動的速度突然變快, 之后停止偏移。威德爾海扇區(qū)邊緣區(qū)范圍的平均緯度在1979—1988年以0.06(°)·a–1的速度向南移動, 隨后的十年向南偏移的速度減半, 但是在1999—2008年間, 平均緯度以0.12(°)·a–1的速度快速向北移動, 可是在2009年后, 平均緯度再次恢復(fù)向南移動的趨勢, 以0.07(°)·a–1的速度移動。

5個扇區(qū)中, 印度洋扇區(qū)和威德爾海扇區(qū)邊緣區(qū)范圍的波動比較大(圖8)。5個區(qū)域的邊緣區(qū)范圍最小值穩(wěn)定的出現(xiàn)在2月, 而最大值出現(xiàn)在11月(印度洋扇區(qū)和太平洋扇區(qū))和12月(羅斯海扇區(qū)、別林斯高晉-阿蒙森海扇區(qū)和威德爾海扇區(qū))。前文中全南極的邊緣區(qū)范圍最大值出現(xiàn)在12月是由于高緯度的高密集度海冰在9月后還在不斷消融導(dǎo)致的, 但是如果某個區(qū)域高緯度的高密集度海冰范圍比較小, 則并不會在9月之后為邊緣區(qū)提供大量海冰, 使該區(qū)域邊緣區(qū)范圍提前在11月達(dá)到最大值。從邊緣區(qū)位置來看, 印度洋扇區(qū)、羅斯海扇區(qū)和威德爾海扇區(qū)的邊緣區(qū)平均緯度波動較大。5個區(qū)域的邊緣區(qū)平均緯度最大值出現(xiàn)在2月(威德爾海扇區(qū))和3月(印度洋扇區(qū)、太平洋扇區(qū)、羅斯海扇區(qū)和別林斯高晉-阿蒙森海扇區(qū)), 最小值出現(xiàn)在9月。

圖8 1979—2018年5個區(qū)域的邊緣區(qū)范圍和平均緯度月平均值箱線圖

Fig.8.Plot box of monthly marginal ice zone extent and mean latitude in five regions from 1979 to 2018

5 結(jié)語

本文基于1979—2018年SSMR、SSM/I和SSMIS海冰密集度數(shù)據(jù)獲取相應(yīng)時間內(nèi)的邊緣區(qū)范圍和平均緯度, 分析了40年來南極海冰邊緣區(qū)范圍和平均緯度的變化特征和可能原因。結(jié)果顯示, 南極海冰邊緣區(qū)所在的位置并不穩(wěn)定, 大部分邊緣區(qū)海冰出現(xiàn)的頻次小于20年。過去40年間南極海冰邊緣區(qū)總體范圍呈略微減少趨勢, 減少速度為(5.8±2.6) ×103km2·a–1(<0.05), 其中1979—1988年邊緣區(qū)范圍減少得最快; 但是四十年內(nèi)邊緣區(qū)平均緯度并沒有明顯偏移趨勢。南極海冰邊緣區(qū)范圍和平均緯度呈現(xiàn)穩(wěn)定的季節(jié)性周期變化, 邊緣區(qū)范圍于2月達(dá)到最小值, 在3—11月緩慢增長, 12月到達(dá)最大值后迅速下降。邊緣區(qū)平均緯度通常在9月到達(dá)最北端, 2月到達(dá)最南端。從季節(jié)性變化看, 春季南極海冰邊緣區(qū)范圍最大, 秋季最小; 春季邊緣區(qū)位置抵達(dá)最北, 夏季位于最南。在四個季節(jié)中, 邊緣區(qū)范圍呈現(xiàn)一定的下降趨勢, 冬季減小速度最快, 達(dá)到7.5× 103km2·a–1; 邊緣區(qū)位置有輕微向北偏移的趨勢, 秋季偏移趨勢最為明顯, 達(dá)到0.010(°) ·a–1。此外, 五個地理分區(qū)中威德爾海扇區(qū)的邊緣區(qū)范圍最大, 波動最明顯, 平均緯度最偏北。40年間5個子區(qū)域的邊緣區(qū)范圍和平均緯度的變化趨勢較為平緩, 邊緣區(qū)范圍的變化趨勢不超過–3×103km2·a–1, 平均緯度的變化趨勢在±0.03 (°)·a–1; 邊緣區(qū)范圍和平均緯度的變化趨勢分別在1979—1988年間和1999—2018年間最為明顯。

由于本文識別邊緣區(qū)的方法與Stroeve等[16]識別邊緣區(qū)的方法存在差異, 使得本研究與文獻(xiàn)[16]得到的趨勢不同。本文識別邊緣區(qū)的前提是只要密集度在15%～80%, 且這些區(qū)域是連通的, 則它一定是邊緣區(qū)。這樣就會把文獻(xiàn)中認(rèn)為的部分破碎冰識別為邊緣區(qū), 導(dǎo)致結(jié)果存在一些差異, 從而造成趨勢的不同。從季節(jié)性變化來看, Stroeve等[16]指出, 邊緣區(qū)范圍沒有明顯變化趨勢, 潛在冰間湖范圍具有減小的趨勢。而在本研究中, 邊緣區(qū)范圍是有減小趨勢。這是因為在對邊緣區(qū)的識別中, 本研究將部分離岸冰間湖(不與大陸或冰架相鄰)和破碎冰識別成邊緣區(qū), 從而導(dǎo)致邊緣區(qū)范圍具有減小趨勢。此外本文和文獻(xiàn)用到的數(shù)據(jù)都是25 km×25 km的低分辨率數(shù)據(jù), 這對邊緣區(qū)的分類結(jié)果也會造成很大的數(shù)值影響, 一個柵格的增減就會造成625 km2的數(shù)值差異, 后續(xù)可以用高分辨率的影像數(shù)據(jù)來識別邊緣區(qū), 降低分辨率造成的差異。

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Analysis of temporal and spatial changes in the extent of the Antarctic marginal ice zone from 1979 to 2018

Liu Yue1, Pang Xiaoping1,2, Zhao Xi1,3,4, Huo Rui1, Liu Chuang1

(1Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan 430079, China;2Key Laboratory of Polar Surveying and Mapping, National Administration of Surveying,Mapping and Geoinformation, Wuhan 430079, China;3School of Geospatial Engineering and Science, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China;4Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratorg(Zhuhai), Zhuhai 519082, China)

The marginal ice zone (MIZ) around Antarctica is an important ocean–air interaction zone and a crucial habitat for marine life.Its annual, seasonal, and regional variations significantly affect the global ocean and atmospheric environments.Based on the sea ice concentration data set of the National Snow and Ice Data Center from 1979 to 2018, the MIZ is defined by a sea ice concentration threshold between 15% and 80%.In this study, we investigated the spatiotemporal variation of the extent of the MIZ, and analyzed its interannual and seasonal changes over the entire Antarctica and its five subregions.Results show that the Antarctic MIZ is not stable, and most of the sea ice in MIZ is less than 20 years.Over the past 40 years, the MIZ extent slightly decreased at a speed of 5.8 ± 2.6×103km2·a?1(< 0.05), although the MIZ average latitude showed no significant trend.Both the MIZ extent and average latitude exhibited stable periodic variations.The MIZ extent is minimal in February, but increases from March to November, decreasing rapidly after reaching its peak in December.The average latitude of the MIZ is northernmost in September and southernmost in February.The MIZ extent in the Weddell Sea is largest among Antarctic sub-regions, where the fluctuations are most obvious and the average latitude is more north.The MIZ extent and average latitude in the five sub-regions are stable during 1979–2018, but the trends of those are the most obvious during 1979—1988 and 1999—2018, respectively.

marginal ice zone, sea ice concentration, sea ice extent, spatiotemporal variation, Antarctic

2020年11月收到來稿, 2021年2月收到修改稿

國家自然科學(xué)基金(41876223)資助

劉玥, 女, 1993年生。博士研究生, 主要從事極地遙感方向研究。E-mail: yue.liu@whu.edu.cn

龐小平, E-mail: pxp@whu.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20200071