海冰在全球气候系统中发挥着重要作用, 比如影响云的形成和降水模式(Lemke et al, 1980; Bracegirdle et al, 2015); 调节大气和海洋之间的能量和物质交换(Raphael, 2003; Massom et al, 2010)等。此外, 海冰还通过融化和冻结, 影响海水的温度和盐度, 从而影响海洋环流(Aagaard et al, 1989; Kirkman et al, 2011)。研究发现, 过去40年北极海冰持续减少, 而南极海冰在2014年之前总体呈上升趋势, 1978~2015年期间北极海冰范围平均每10年减少约4.36% (Comiso et al, 2017b), 而南极海冰范围平均每10年增加约1.7% (Comiso et al, 2017a)。然而, 2014年后南极海冰出现快速下降的情况。南极年均海冰范围(sea ice extent, SIE)在2014年达到记录以来的最高值12.8×10⁶ km², 随后在2015~2016年期间减少了1.2×10⁶ km², 是1979年以来连续两年之间的最大减少量(Parkinson, 2019)。2016年9~12月期间南极海冰范围(sea ice extent, SIE)异常发生剧烈下降, 并在2016年12月达到卫星观测以来的最低值(李双林等, 2021)。

2015~2016年南极海冰快速下降的情况引起学者们的关注, 他们对2015~2016年南极海冰下降的原因进行了研究, 比如, 2016年4~10月南大洋强烈且持续的大尺度经向流和气旋形成了温暖的海表面状态, 同时海冰漂移增强, 导致春季南极海冰快速下降(Wang et al, 2020); 威德尔海的海冰减少由2016年9~12月的强气旋活动导致(Turner et al, 2020); 2016年8~10月, 南大洋出现强烈的纬向3波模结构, 印度洋区域、罗斯海和阿蒙森-别林斯高晋海出现强烈的向极热输运, 有利于这些区域的海冰减少(Kusahara et al, 2018); 年代际尺度上, 南半球环状模(southern annular mode, SAM)处于正相位使得环南极西风带增强, Ekman抽吸使深层暖水向上输送, 持续到2016年春季SAM由正相位转为负相位, 产生的温暖海表面状态有利于南极海冰范围持续减少(Meehl et al, 2019; Eayrs et al, 2021); 2016年末SAM为负, 印度洋区域产生较明显的向极热通量, 使得该区域海冰显著减少(Marshall et al, 2016)等。

然而, 最新的南极海冰卫星观测数据显示2022年2月南极海冰范围达到历史新低(Raphael et al, 2022; Turner et al, 2022; Wang et al, 2022)。Raphael等(2022)认为, 2022年夏季南极海冰范围的新低记录是由2021年8月之后海冰持续减少造成的。南极海冰在2021~2022年又一次发生剧烈下降的情况, 导致2022年2月南极海冰范围为卫星观测以来的最低值。南极海冰虽然在1979~2014年整体呈上升趋势, 但这期间也曾出现过海冰快速下降的情况。以往的南极海冰快速下降情况和2015~2016年以及2021~2022年两次南极海冰快速下降在时间和空间上存在哪些异同, 这是本文关注的问题。此外, Wang等(2022)研究了2022年南极海冰创历史新低的原因, 他们发现2021年春季南极海冰快速下降是由于阿蒙森海异常风的动力效应和威德尔海净热通量正异常的综合影响, 并将2022年夏季南极海冰损失主要归因于阿蒙森海和威德尔海净热通量正异常。对于2015~2016年南极海冰的下降, 学者们认为是大气和海洋的热力及动力效应相互叠加的结果, 比如南大洋温暖的海表面状态、经向热输运加强和海表面风对海冰的漂移作用增强等(Schlosser et al, 2018; Wang et al, 2020)。那么, 以往南极海冰快速下降时, 大气和海洋的耦合热动力过程是如何造成海冰减少的, 也是本文要探索的问题。

本文首先划分出1979年以来的5次南极海冰快速下降事件, 并从时间和空间两个维度总结5次南极海冰快速下降事件的特征。然后, 探究5次南极海冰快速下降事件的影响因素及其驱动过程, 考虑了海温、大气热辐射、海表面气压以及海表面风这几项驱动海气耦合热动力过程的主要环境因素。最后对上述分析及讨论进行总结, 对未来南极海冰的研究提出展望。

1 数据介绍

海冰范围的卫星观测数据来自National Snow & Ice Data Center (NSIDC)提供的sea ice index, Version 3 (https://nsidc.org/data/G02135/versions/3)。该产品基于Nimbus-7的卫星观测数据, 提供每月数据, 时间范围从1978年10月至今。本文选用1979年1月到2022年5月的海冰范围数据。

海冰密集度(sea ice concentration, SIC)的卫星数据来自NOAA/NSIDC Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration, Version 4 (https://nsidc.org/data/G02202/versions/4)。该数据集提供了被动微波数据的海冰密集度的气候数据记录(climate data record, CDR)。CDR包括了1978年10月25日到2021年12月31日的南极和北极地区海冰密集度的日均和月均的时间序列数据, 空间分辨率为25 km× 25 km。本文选用1979年1月到2021年12月的月均海冰密集度数据。2022年1月到5月的海冰密集度数据则来自该数据集的近实时版本Near-Real-Time NOAA/NSIDC Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration, Version 2 (https://nsidc.org/data/g10016)。

南大洋的海表面温度(sea surface temperature, SST)、海表面净热通量(海面长波辐射、太阳短波辐射、感热通量、潜热通量之和)、经向热输运垂向积分、海平面气压(sea level pressure, SLP)、海表面10 m风的纬向分量和经向分量的数据均来自Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Reanalysis v5 (ERA5) (https://www.ecmwf.int/en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5), 这是ECMWF对1950年1月至今全球气候的第五代大气再分析, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 本文选用1979年1月到2021年12月的以上各项环境因素数据。

2 结果与分析 2.1 南极海冰快速下降事件的时间特征

1979年1月到2022年5月南极海冰范围的逐月变化如图 1a所示(选取的SIE数据集里1987年12月和1988年1月的数据缺失), 红点表示2月, 蓝点表示9月。本文所指的季节均以南半球为基准, 9~11月为春季; 12月至次年2月为夏季; 3~5月为秋季; 6~8月为冬季。南极海冰范围季节变化明显, 海冰范围在夏季减少, 秋季和冬季增加, 在2月达到每年最低值, 9月达到每年最高值。2022年2月南极海冰范围减小到历史最小值, 2017年2月南极海冰范围是历史第二最小值, 分别反映出2021年春季和2016年春季南极海冰出现快速下降的情况, 与前人的分析相符(Parkinson, 2019; Raphael et al, 2022)。

为了直接观察南极海冰范围每月的变化情况, 去掉1981~2020年海冰范围的月气候平均态, 得到1979年1月到2022年5月南极海冰范围异常逐月变化如图 1b所示。图 1b显示2015~2016年南极海冰范围异常剧烈减少, 尤其是2016年8~12月的减少量十分显著, 连续5个月内海冰范围异常减少了2.224× 10⁶ km²。类似地, 发现2021~2022年南极海冰下降也集中在2021年8~12月, 这期间海冰范围异常的减少量为1.654×10⁶ km²。以上两次南极海冰快速下降时期, 海冰范围异常在连续5个月内的减少量超过1.4×10⁶ km², 因此, 本文将连续5个月内海冰范围异常减少量超过1.4×10⁶ km²定义为划分南极海冰快速下降事件的标准, 并以此标准划分1979年以来发生的南极海冰快速下降事件。结合图 1b和卫星观测的海冰范围数据可知, 尽管南极海冰范围异常在1979~2014年期间整体呈上升趋势, 但也曾发生过三次快速下降的情况, 分别在1985年12月至1986年4月、2008年4~8月、2010年12月至2011年4月, 南极海冰范围异常的减少量分别为1.435×10⁶ km²、1.767×10⁶ km²、1.644×10⁶ km²。

综上所述, 1979~2021年期间共划分出5次南极海冰快速下降事件, 分别是1985年12月至1986年4月、2008年4~8月、2010年12月至2011年4月、2016年8~12月以及2021年8~12月。以上5次下降事件持续5个月, 海冰剧烈减少的情况主要发生在1986年夏季、2008年冬季、2010年夏季、2016年春季以及2021年春季, 且完全覆盖以上季节。因此本文选择用某一季节指代某次南极海冰下降事件, 并按季节不同对比分析南极海冰快速下降事件的空间特征和影响因素, 总结5次南极海冰快速下降事件的异同。接下来将探究不同季节的南极海冰快速下降事件在空间上的变化特征, 以各季节内3个月的海冰密集度(sea ice concentration, SIC)异常的算术平均值代表该季节的SIC异常。

2.2 南极海冰快速下降事件的空间特征

为了直观地了解5次海冰快速下降时期海冰的空间分布特征, 按季节的不同, 分别进行SIC异常的空间分布特征的描述。基于1981~2020年SIC的月气候平均态, 绘制2021年春季和2016年春季SIC异常的空间分布, 如图 2所示, 黑线表示南大洋5个海区的分界线, 分别是罗斯海(RS, 160°E ~ 130°W)、阿蒙森-别林斯高晋海(ABS, 130°W ~ 60°W)、威德尔海(WS, 60°W ~ 20°E)、印度洋区域(IO, 20°E ~ 90°E)、西太平洋区域(PO, 90°E ~ 160°E)。

由图 2可知, 2021年春季SIC在别林斯高晋海、威德尔海、印度洋区域东部和西太平洋区域西部的海冰边缘表现为负异常; 在阿蒙森海和罗斯海东部、印度洋西部的海冰边缘为正异常(图 2a)。2016年春季, SIC在阿蒙森-别林斯高晋海、威德尔海西部、印度洋区域、西太平洋区域东部和罗斯海西部的海冰边缘表现为明显的负异常; 在罗斯海东部、威德尔海东部的海冰边缘为正异常(图 2b)。总体而言, 2021年春季和2016年春季海冰下降的空间分布存在相似性, 海冰减少都发生在别林斯高晋海、威德尔海、印度洋区域和西太平洋区域, 这些区域SIC表现为显著负异常。两个时期的SIC在罗斯海西部和西太平洋区域东部的异常情况有所不同, 前者无明显变化, 后者表现为显著负异常。

同样地, 基于1981~2020年SIC的月气候平均态, 绘制2011年夏季、1986年夏季和2008年冬季SIC异常的空间分布如图 3所示。2011年夏季SIC在威德尔海、罗斯海沿岸和西太平洋区域沿岸表现为负异常; 在阿蒙森-别林斯高晋海、印度洋区域以及罗斯海远岸表现为正异常(图 3a)。与2011年夏季类似, 1986年夏季SIC在威德尔海沿岸、罗斯海沿岸和西太平洋区域沿岸表现为负异常, 西太平洋区域的SIC负异常比较显著, 而其余区域SIC表现为正异常(图 3b)。由此可见, 2011年夏季和1986年夏季南极海冰快速下降的空间分布与春季南极海冰下降的分布不同, 两次夏季海冰下降都只发生在威德尔海、罗斯海沿岸和西太平洋区域, 存在一定的相似性, 但这两次夏季海冰快速下降时期SIC的正异常分布情况存在差异。

此外, 由图 3c可知, 2008年冬季SIC异常程度较小, SIC在别林斯高晋海和西太平洋区域的海冰边缘表现为负异常; 在威德尔海、印度洋区域和罗斯海的海冰边缘表现为正异常, 与前文中春季和夏季海冰快速下降的分布情况都不相似。

总而言之, 5次南极海冰快速下降的空间分布存在季节性差异。两次春季海冰快速下降事件中SIC负异常的空间分布相似, 且范围较广、程度显著, 海冰减少主要发生在别林斯高晋海、威德尔海、印度洋和西太平洋区域; 两次夏季海冰快速下降事件中SIC负异常情况只出现在威德尔海、罗斯海和西太平洋区域的沿岸, 夏季SIC负异常的空间范围没有春季SIC负异常的空间范围广; 冬季海冰快速下降事件中SIC负异常的程度弱、范围小, 海冰减少主要发生在别林斯高晋海和西太平洋区域。

2.3 南极海冰快速下降事件的影响因素

前人研究发现, 大气和海洋对南极海冰的影响是复杂的, 既能单独影响海冰, 也能通过相互作用影响海冰(Meehl et al, 2016; Stuecker et al, 2017; Wang et al, 2019)。大气既通过冷热空气平流发挥热力效应, 也通过风的动力效应影响海冰漂移, 进而影响海冰范围(Haumann et al, 2014; Kwok et al, 2017; Wang et al, 2019)。海洋上层在低层大气和深海之间的热传递过程中发挥作用(Zhang, 2007; Goosse et al, 2014), 海洋、大气和海冰之间强烈的热量反馈会加速或减缓海冰的冻结和融化(Stammerjohn et al, 2012)。

为了揭示5次南极海冰快速下降事件的影响因素, 本文对比研究了2021年春季和2016年春季、2011年夏季和1986年夏季以及2008年冬季南大洋海表面温度、海表面净热通量、海平面气压和海表面风的异常情况, 以期发现大气和海洋对南极海冰快速下降事件的主要驱动过程。本文以各季节内3个月的环境因素异常的算术平均值代表该季节的环境因素异常。

温暖的海洋表面状态和强烈的海表面净热通量会通过热力效应促进海冰融化, 有利于海冰减少(Schlosser et al, 2018; Hao et al, 2021)。为了研究5次南极海冰快速下降事件中海洋和大气的直接热力效应是如何导致海冰减少的, 绘制了5次海冰快速下降时期的海表面温度和海表面净热通量(向下为正)的异常情况如图 4所示。

由图 4可知, 2021年春季海表面温度和海表面净热通量都在别林斯高晋海、威德尔海、印度洋区域和西太平洋区域表现为正异常(图 4a、4b), 表明这些区域表层海水温度较高, 海表面净热通量较强。同时, 对应区域的SIC表现为负异常(图 2a), 说明海洋和大气的热力效应会导致海冰减少, 表层海温升高和海表面净热通量增强是导致2021年春季南极海冰快速下降的原因。与2021年春季的表层海温和海表面净热通量情况类似, 2016年春季海表面温度在阿蒙森-别林斯高晋海、印度洋区域和罗斯海表现为正异常(图 4c), 海表面净热通量在别林斯高晋海、威德尔海、印度洋区域和罗斯海表现为正异常(图 4d), 这些区域的SIC表现为负异常(图 2b), 说明2016年春季海冰减少也受表层海温升高和海表面净热通量增强的共同影响。两次春季南极海冰快速下降时期的SIC异常空间分布虽然相似, 但表层海温和海表面净热通量在同一区域的异常情况有所差别, 比如2021年春季威德尔海的海冰减少受表层海温和海表面净热通量的共同影响, 而2016年春季威德尔海的海冰受强烈的海表面净热通量影响而减少, 说明南大洋海表面温度和海表面净热通量的异常情况复杂, 其对海冰变化的影响具有区域性差异。

类似地, 2011年夏季海表面温度在威德尔海西部表现为正异常(图 4e), 海表面净热通量在威德尔海西部、西太平洋区域沿岸和罗斯海沿岸表现为正异常(图 4f), 这些区域的SIC表现为负异常(图 3a), 说明夏季的海冰减少受海洋和大气的热力效应影响。1986年夏季海表面温度在西太平洋区域东部沿岸表现为正异常(图 4g), 海表面净热通量在威德尔海沿岸、西太平洋区域沿岸表现为正异常(图 4h), 这些区域的SIC为负异常(图 3b)。由此可见, 两次夏季南极海冰快速下降时, 海冰的区域性减少受正异常的海表面温度和海表面净热通量影响, 相较而言海表面净热通量对海冰的影响范围更大。

2008年冬季SIC在别林斯高晋海和西太平洋区域下降(图 3c), 对应区域的海表面温度表现为微弱的正异常(图 4i), 但海表面净热通量表现为微弱的负异常(图 4j), 说明冬季海冰减少受温暖的表层海水的热力效应影响, 而海表面净热通量对冬季海冰减少的影响情况与春季和夏季相反。

综上所述, 海表面温度和海表面净热通量是以上5次南极海冰快速下降的影响因素。温暖的表层海水和强烈的海表面净热通量通过直接的热力效应导致海冰融化减少, 但同一海冰快速下降时期的海表面温度和海表面净热通量的异常情况并不完全相同, 对海冰变化的影响具有区域性差异。

南大洋上空的气压异常使得大气产生强烈的气旋活动, 而风异常不仅通过热力效应影响海冰的生长或融化, 还通过动力效应驱动海冰漂移到更冷或更暖的区域, 导致海冰的增加或减少(Wang et al, 2020)。为了研究南大洋气压和海表面风对5次南极海冰快速下降的影响过程, 绘制了5次海冰快速下降时期的经向热输运(向北为正)、海平面气压和10 m风的异常情况如图 5所示。

由图 5可知, 2021年春季阿蒙森-别林斯高晋海出现强烈的低压系统, 产生明显的气旋活动, 别林斯高晋海和威德尔海西部出现北风异常(图 5b), 一方面, 风的动力效应推动海冰向南漂移, 使得海冰边缘处海冰减少、近岸海冰增加; 另一方面, 北方温暖的空气向南流动, 产生向南的经向热输运(图 5a), 直接的热力效应促使海冰融化, 不仅使海冰边缘处海冰减少, 而且抵消了近岸海冰的增加, 最终SIC在别林斯高晋海和威德尔海表现为负异常(图 2a)。同时, 罗斯海出现西南风异常(图 5b), 冷空气从西南方吹向海冰时, 风的动力效应驱动海冰向东北漂移, 使得更多的海冰从受冷平流影响的区域向更温暖的北部区域输送, 导致罗斯海西部近岸SIC降低而东部远岸SIC升高(图 2a)。结合图 2a和图 5a可知, 印度洋区域和西太平洋区域的海冰减少主要受向南的经向热输运影响。就2016年春季海平面气压和海表面风情况而言, 阿蒙森海和西太平洋区域出现低压系统, 威德尔海北部和罗斯海出现高压系统(图 5d), 并且在南大洋上空出现明显的纬向3波模结构, 即在阿蒙森-别林斯高晋海、罗斯海西部和太平洋区域东部、印度洋区域产生了明显的北风异常和强烈的向南经向热输运(图 5c), 导致这些区域海冰减少, SIC表现为负异常(图 2b), 以上分析与Kusahara等(2018)的结论一致。总而言之, 两次春季南极海冰快速下降都受到气压和海表面风的强烈影响, 其中阿蒙森低压是阿蒙森-别林斯高晋海及周围区域出现北风异常和向南的经向热输运的主导原因, 进而驱动了威德尔海和别林斯高晋海的海冰漂移和融化, 这些区域的海冰减少主导了两次春季南极海冰的快速下降。

同样地, 观察2011年夏季和1986年夏季南大洋海平面气压、海表面风和经向热输运情况, 发现两次夏季南极海冰快速下降时期, 阿蒙森-别林斯高晋海都曾出现低压系统, 使得威德尔海西部出现北风异常(图 5f、5h), 产生向南的经向热输运(图 5e、5g), 有利于海冰融化减少, 威德尔海西部SIC表现为负异常(图 3a、3b)。同时, 阿蒙森低压还使得罗斯海出现南风异常(图 5f、5h), 风的动力效应推动罗斯海近岸海冰向北漂移, 导致罗斯海近岸SIC降低、远岸SIC升高(图 3a、3b)。2011年夏季和1986年夏季威德尔海和罗斯海的海冰减少受阿蒙森低压控制的经向热输运的热力效应和风的动力效应共同影响。

2008年冬季与以上四次南极海冰快速下降时期不同, 阿蒙森-别林斯高晋海上空并未出现低压系统, 但印度洋区域出现高压系统, 别林斯高晋海和太平洋区域出现北风异常并伴随着向南的经向热输运(图 5i、5j), 有利于海冰减少, 这些区域SIC表现为负异常(图 3c)。

综上所述, 南大洋气压和海表面风异常是5次南极海冰快速下降事件的主要影响因素, 既通过经向热输运与海冰之间的直接热力效应影响海冰, 也通过风驱动海冰漂移的动力效应影响海冰。除2008年冬季南极海冰快速下降事件以外, 其他四次南极海冰快速下降事件受阿蒙森低压的强烈影响。阿蒙森低压的加强使得威德尔海、别林斯高晋海和罗斯海北风增强和向南的经向热输运增强, 风的动力效应和经向热输运的热力效应导致这些区域海冰减少。2008年冬季虽未出现阿蒙森低压加强的情况, 但此次海冰快速下降事件受别林斯高晋海和太平洋区域出现的北风异常及向南的经向热输运的影响。

3 结论

2015~2016年南极海冰出现快速下降, 一反南极海冰在2014年之前总体上升的情况, 引发了学者广泛研究。而最新卫星观测数据显示2022年2月南极海冰范围创造历史新低, 有学者认为这是由2021年8月之后海冰持续减少造成的。2015~2016年以及2021~2022年南极海冰的减少并非卫星记录以来的唯二两次海冰快速下降事件, 在1979~2014年期间也曾出现过海冰快速下降的情况。本文发现自1979年以来南极海冰发生5次快速下降的情况, 分别是1985年12月至1986年4月、2008年4~8月、2010年12月至2011年4月、2016年8~12月以及2021年8~12月。5次南极海冰快速下降事件发生在不同季节, SIC的空间变化情况存在差异。于是, 本文按季节的不同, 进行南极海冰快速下降时期海冰空间变化特征的描述, 探讨大气和海洋的热动力耦合过程对海冰减少的影响。

本文研究发现, 2021年8~12月和2016年8~12月的南极海冰快速下降事件主要发生在春季, SIC异常的空间分布存在相似性, 海冰减少都发生在别林斯高晋海、威德尔海、印度洋和西太平洋区域。2010年12月至2011年4月和1985年12月至1986年4月的南极海冰快速下降事件主要发生在夏季, 威德尔海、罗斯海沿岸和西太平洋区域海冰减少, 存在一定的相似性。2008年4~8月的南极海冰快速下降事件主要发生在冬季, SIC在别林斯高晋海和西太平洋区域表现为负异常, 与前面春季和夏季海冰快速下降的分布情况都不相似。总体而言, 5次南极海冰快速下降的空间分布存在季节性差异。

此外, 对比研究5次南极海冰快速下降时的南大洋海表面温度、海表面净热通量、海平面气压和海表面风的异常情况, 发现海表面温度和海表面净热通量是5次南极海冰快速下降的影响因素。同一海冰快速下降时期海表面温度和海表面净热通量的异常情况并不完全相同, 对海冰变化的影响具有区域性差异。同时, 南大洋气压和海表面风异常既通过经向热输运与海冰之间的直接热力效应导致海冰融化减少, 也通过风的动力效应驱动海冰漂移使得SIC降低。值得注意的是, 阿蒙森低压的加强使得威德尔海、别林斯高晋海和罗斯海北风增强和向南的经向热输运增强, 通过风的动力效应和经向热输运的热力效应导致这些区域的海冰减少, 主导了南极海冰的快速下降。

尽管这5次南极海冰快速下降发生在不同季节, 但相同季节的快速下降事件中, SIC负异常的空间分布存在相似性, 海冰受到的海洋和大气热动力耦合过程的影响也存在共同点。本文按季节归类总结了5次南极海冰快速下降事件的时空特征和影响因素, 为南极海冰快速下降事件背后的物理机制的研究提供参考。但本文尚未从气候变率和大气遥相关的角度探讨海冰快速下降的原因, 没有系统地将海气耦合过程中的环境因素与气候变率的长期变化联系起来进行分析, 以上5次南极海冰快速下降事件背后是否存在由气候变率调控的机制尚未明晰, 未来的研究期待能在这方面有新的发现。