鄭少軍,史久新

(中國(guó)海洋大學(xué)教育部物理海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

南極是全球大氣熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的冷源,對(duì)于全球大氣和海洋環(huán)流以及氣候的變換起著重要的作用,海冰則是冷源的關(guān)鍵要素[1]。海冰通過(guò)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及在時(shí)空上的反饋機(jī)制對(duì)地區(qū)乃至全球的氣候狀態(tài)和變化起著極其重要的作用[2]。南極海冰對(duì)大氣-海洋間相互作用有重大影響,特別是對(duì)深海洋區(qū)中冬季的結(jié)冰和發(fā)育造成的垂向?qū)α?、夏季的融化是形成南極表層水,進(jìn)而形成南極中層水的主要原因。南極陸架區(qū)的海冰興衰過(guò)程是形成南極陸架水的直接原因,它與變性南極繞極深層水混合并受到冰川冰的進(jìn)一步冷卻作用,成為形成南極底層水的主要水團(tuán)。南極海冰區(qū)是南大洋生物的主要生長(zhǎng)區(qū),海冰變化對(duì)海洋食物鏈和海洋生物資源造成重大影響[3]。

普里茲灣是南極大陸除了威德海和羅斯海之外,凹進(jìn)南極大陸最深的海灣。其位于67°45′S～69°30′S,70°E～80°E所圍成的區(qū)域內(nèi),西與達(dá)恩利角相臨,灣北為凱爾蓋朗海臺(tái)(圖1給出的僅為其南部),灣底與埃默里冰架相接,灣內(nèi)東、西分別為四女士淺灘和福拉姆淺灘,2個(gè)淺灘中間是水深大于500 m,呈東南-西北走向的凹槽,它是灣內(nèi)外交換的主要通道。冬季,整個(gè)海灣冰封,冰厚可達(dá)2 m,夏季,海冰大部分消融,但仍有個(gè)別區(qū)域被浮冰覆蓋,且覆蓋區(qū)多變[4]。海冰時(shí)空變化是影響夏季普里茲灣表層陸架水的重要因素[5-7]。我國(guó)自1989年建立中山站(76°22′40″E,69°22′24″S,見(jiàn)圖1)以來(lái),考察船經(jīng)常要穿越普里茲灣浮冰區(qū)進(jìn)入中山站進(jìn)行后勤補(bǔ)給和人員更換,并且開(kāi)展普里茲灣區(qū)域的綜合科學(xué)考察。因此,全面認(rèn)識(shí)普里茲灣所在區(qū)域的海冰分布特征不僅能夠更好理解該區(qū)域的海冰變化規(guī)律,為安全航行提供保障,而且能為普里茲灣生物和化學(xué)等研究提供依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)南極海冰的研究已經(jīng)取得了很多成果,但多集中于大尺度海冰變化規(guī)律[8-11],海冰變化與ENSO、全球海平面變化、溫度場(chǎng)等的關(guān)系[12-14],以及南極海冰變化對(duì)中國(guó)的影響[15-16]等,針對(duì)普里茲灣區(qū)域海冰分布的研究非常有限[17-21]。張林等[17]用衛(wèi)星資料計(jì)算了普里茲灣海冰北界多年逐月平均值和距平值,并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比,指出普里茲灣海冰季節(jié)變化很顯著,然而由于當(dāng)時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率只有25 km,無(wú)法給出細(xì)致的海冰空間分布特征。Tang等[19-20]基于考察船走航觀測(cè)資料,對(duì)南極威德?tīng)柡Ｖ疗绽锲潪持g海冰分布進(jìn)行了研究,反映考察船航線上的海冰分布特征,無(wú)法刻畫(huà)海冰整體空間分布特征和季節(jié)變化規(guī)律。Rintoul等[21]研究表明在普里茲灣東部85°E附近存在1個(gè)明顯的北向突出的“冰舌”。就目前發(fā)表的論文看,對(duì)普里茲灣海冰的變化規(guī)律和空間分布仍缺乏全面和細(xì)致的研究。本文將利用較高分辨率海冰密集度資料,結(jié)合地形、氣象資料以及對(duì)該海域水團(tuán)和環(huán)流的認(rèn)識(shí),分析普里茲灣區(qū)域的海冰季節(jié)變化規(guī)律和空間分布特征。

圖1 南極普里茲灣及其鄰近海域地形以及2003年1月1日海冰密集度分布圖Fig.1 Bathymetry of the Prydz Bay region and sea ice concentration on 1 Jan.,2003

1 數(shù)據(jù)及處理

本文海冰衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心NSIDC(National Snow and Ice Data Center)提供的AM SR-E/Aqua海冰密集度數(shù)據(jù)[22](見(jiàn)圖1)。該數(shù)據(jù)序列為逐日資料,采用極方位立體投影,空間分辨率為12.5 km,所用數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為自2003年1月1日到2008年12月31日。水深及地形高度場(chǎng)采用NGDC(National Geophysical Data Center)的ETOPO2數(shù)據(jù)。風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用NCEP/NCAR全球月平均再分析資料[23]。

本文用海冰面積來(lái)量化普里茲灣海冰。海冰面積是海冰資料格點(diǎn)中海冰密集度大于15%的純海冰面積的總和[1],即用大于15%的海冰密集度乘以對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的面積得到該網(wǎng)格海冰的面積,然后將計(jì)算區(qū)域內(nèi)的所有網(wǎng)格海冰的面積相加,便可得到所要計(jì)算區(qū)域的海冰面積。本文計(jì)算普里茲灣的海冰面積時(shí),東西方向取70°E～80°E,南從海岸和冰架開(kāi)始,向北一直累加到海冰外緣線。海冰范圍是計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)海冰密集度大于15%的所有網(wǎng)格面積的和。根據(jù)研究所需,分別計(jì)算了多年日平均、多年月平均海冰面積和海冰范圍。

2 普里茲灣海冰面積的季節(jié)變化規(guī)律

作者首先簡(jiǎn)要分析普里茲灣海冰面積的季節(jié)變化特征,從而為海冰空間分布特征研究提供基礎(chǔ)。從2003—2008年普里茲灣逐日海冰面積(見(jiàn)圖2)可以看到,普里茲灣區(qū)域海冰面積變化存在明顯的年周期。一般而言,海冰面積在2月底達(dá)到最小值,之后從3月份海冰開(kāi)始凍結(jié),直到9月份海冰面積達(dá)到最大值;10月份海冰開(kāi)始融化,到下一年2月達(dá)到最小值,構(gòu)成1個(gè)年循環(huán)。海冰融化過(guò)程和凍結(jié)所經(jīng)歷的時(shí)間是不同的,海冰融化過(guò)程經(jīng)歷約5個(gè)月,而海冰凍結(jié)過(guò)程經(jīng)歷約7個(gè)月時(shí)間,這與整個(gè)東南極海冰的年變化規(guī)律相同[8]。融化和凍結(jié)時(shí)間的不同說(shuō)明海冰融化速度和凍結(jié)速度存在差異,為了便于定量分析這一差異,計(jì)算了2003—2008年多年月平均的海冰凍結(jié)和融化面積指數(shù)[8],即用當(dāng)月的海冰面積減去前1個(gè)月海冰面積,差值為正值則為凍結(jié),為負(fù)時(shí)則為融化,同理計(jì)算了海冰范圍的季節(jié)變化情況(見(jiàn)圖3)。從圖3可以看到,海冰在凍結(jié)和融化階段存在明顯的階段性,海冰融化階段海冰面積和海冰范圍分別在11和12月減少最快,海冰凍結(jié)階段兩者在4月份增長(zhǎng)最快。該結(jié)果與卞林根等[11]所得出的整個(gè)南極海冰面積融化和凍結(jié)最快月份的分別為12～1月和4～5月結(jié)論稍有不同,反映了普里茲灣局地的海冰變化特征。對(duì)比同一月份海冰面積和海冰范圍可以看到兩者的變化并非同步的,比較明顯的是在10月,海冰面積減少值明顯大于海冰范圍減少值,而在12月海冰面積減少值卻明顯小于海冰范圍減少值。因此海冰融化和凍結(jié)存在幾個(gè)明顯的階段性,10月為海冰融化初期,海冰開(kāi)始緩慢融化,海冰面積和海冰范圍相比9月緩慢減少,之后11～12月為海冰融化中期,海冰快速融化,海冰面積和海冰范圍均迅速減少,并且減少值分別在11和12月到達(dá)極值,到1～2月進(jìn)入海冰融化末期,海冰面積和海冰范圍又緩慢減少;3月份為海冰凍結(jié)初期,海冰緩慢凍結(jié),海冰面積和海冰范圍相比2月緩慢增加,之后4～8月為海冰凍結(jié)中期,海冰快速凍,海冰面積和海冰范圍迅速增加,并在4月增加值達(dá)到最大,到9月份進(jìn)入海冰凍結(jié)末期,海冰面積和海冰范圍又緩慢增加。

圖2 普里茲灣2003—2008年海冰面積(a)和海冰范圍(b)變化指數(shù)Fig.2 Sea ice area(a)and sea ice extent(b)indexes of the Prydz Bay region from 2003 to 2008

圖3 普里茲灣2003—2008年多年月平均海冰面積和海冰范圍(a)和多年月平均的海冰凍結(jié)和融化面積指數(shù)(b)Fig.3 Monthly sea ice area(a)and extent freezing and thawing areas indexes(b)from 2003 to 2008 in the Prydz Bay

3 普里茲灣海冰季節(jié)性變化階段的空間分布特征

根據(jù)以上分析的普里茲灣海冰融化和凍結(jié)過(guò)程的差異,本節(jié)對(duì)上述6個(gè)階段海冰空間分布特征進(jìn)行分析,即海冰融化初期(10月),海冰融化中期(11～12月),海冰融化末期(1～2月),海冰凍結(jié)初期(3月),海冰凍結(jié)中期(4～8月),海冰凍結(jié)末期(9月),并且選取各個(gè)時(shí)期中具有代表性的月份進(jìn)行詳細(xì)討論。為了方便分析海冰融化和凍結(jié)不同階段海冰變化的主要原因,本文計(jì)算了2003—2008年多年月平均海冰外緣線(見(jiàn)圖4),即普里茲灣區(qū)不同月份海冰密集度大于15%的海冰所能到達(dá)的最北端。

3.1 海冰融化初期(10月)

海冰的范圍和面積在9月達(dá)到極大值,自10月海冰開(kāi)始融化。相比9月份,海冰范圍沒(méi)有明顯變化(見(jiàn)圖3),其原因是海冰外緣線(見(jiàn)圖4)沒(méi)有明顯的向南退縮。相比海冰范圍,海冰面積減少顯著。因此,海冰融化初期主要以海冰密集度減少為主,即體現(xiàn)為浮冰區(qū)內(nèi)部的融化。比較圖5j和圖5i,可以看到海冰面積的減少主要來(lái)源于海冰覆蓋區(qū)北部、特別是凱爾蓋朗海臺(tái)處海冰密集度的減小。該處的海冰外緣線接近57°S,比其它區(qū)域偏北約1個(gè)緯度。這樣,10月的海冰分布在海臺(tái)處體現(xiàn)出海冰分布范圍較大、但密集度較小的特征。這一特征的形成,可以聯(lián)系海洋環(huán)流的形式來(lái)解釋。東向的南極繞極流在經(jīng)過(guò)凱爾蓋朗海臺(tái)時(shí),分成3支,分別從其北部、中部和南部繞過(guò)[24-25]。從海臺(tái)中部通過(guò)的分支繞過(guò)海臺(tái)南部海山的北部,將海冰帶到更低緯度,形成了海冰外緣線偏北的現(xiàn)象;而轉(zhuǎn)向東南方向的流動(dòng),能將低緯的能量攜帶至海臺(tái)區(qū)域,從而使海臺(tái)處的海冰先融化,海冰密集度減小。另外,海臺(tái)處來(lái)自西北方向的風(fēng)將低緯度的暖空氣帶過(guò)來(lái),也有利于此處海冰的消融。比較而言,近岸區(qū)海冰變化并不明顯。因此,這個(gè)時(shí)期,海冰的融化主要體現(xiàn)在北部海冰密集度的減小。

3.2 海冰融化中期(11～12月)

相比10月份,11月份為海冰快速融化時(shí)期。海冰面積和海冰范圍都顯著減少,且海冰面積的變化在所有月份中達(dá)到極大值(見(jiàn)圖3)。海冰面積的減少值仍大于海冰范圍減少值,說(shuō)明海冰融化仍以海冰密集度減少為主。從圖5k可以看到,63°S以北區(qū)域海冰密集度顯著減少,海冰外緣線南移,而且之前海臺(tái)處存在的海冰外緣線北向突出已經(jīng)不存在;而63°S以南仍以海冰密集度大于70%的密集冰區(qū)為主,但是在近岸處卻出現(xiàn)了3個(gè)海冰密集度的低值區(qū),即形成了達(dá)恩利角冰間湖(68°E～70.5°E)、普里茲灣冰間湖(75°E～79°E)和Barrier灣冰間湖(在78.8°E與普里茲灣冰間湖相連接)[26],從陸坡附近直到海岸。總體上看,11月的海冰密集度空間分布上呈現(xiàn)出隨緯度增加先增加后減少再增加的特殊分布。對(duì)比圖5k和圖5j可以看到,海冰的融化并不是單單從北向南整體推進(jìn),而是從南北2個(gè)方向進(jìn)行。近岸冰間湖的出現(xiàn)無(wú)疑是造成這一特殊分布的關(guān)鍵因素。南極的冰間湖多出現(xiàn)在沿岸地區(qū)[27],主要原因是南極地區(qū)特殊的海陸分布特征,使南極大陸沿岸產(chǎn)生強(qiáng)的下降風(fēng),將浮冰吹離岸邊,形成潛熱型冰間湖[28]。在融冰期間出現(xiàn)的冰間湖顯然與海冰的融化相關(guān),只有海冰密集度減少,產(chǎn)生了較多的冰間水域,才能在風(fēng)力的作用下,形成冰間湖這樣大面積的集中開(kāi)闊水域。當(dāng)然,這3個(gè)冰間湖的形成還有地形、海洋環(huán)流等其他因素的影響。值得注意的是在四女士淺灘與弗拉姆淺灘之間存在1個(gè)低海冰密集度區(qū)域,且從79°E,64°S可以擴(kuò)展到75°E,66°S。夏季的觀測(cè)表明,這里正是大洋區(qū)的繞極深層暖水進(jìn)入普里茲灣的通道[29]。如果11月也存在進(jìn)入普里茲灣的暖水,將有助于普里茲灣內(nèi)海冰的融化,這一推論尚有待于春季海洋觀測(cè)資料的支持。同時(shí),西向的陸坡流流經(jīng)此處時(shí),由于不再受到四女士淺灘的阻擋,可以向南侵入到灣內(nèi),從而為海冰融化提供能量,也可能是灣內(nèi)海冰減少的原因。

圖4 普里茲灣2003—2008年多年月平均海冰外緣線Fig.4 Monthly sea ice edges from 2003 to 2008 in the Prydz Bay

12月份仍為海冰快速融化時(shí)期,海冰面積和海冰范圍仍繼續(xù)減少,但海冰范圍減少值明顯大于海冰面積減少值,且為全年之最(見(jiàn)圖3)。該月海冰融化以海冰外緣線向南退縮為主,海冰外緣線整體上急劇向南退縮至64°S附近(見(jiàn)圖4)。上文提到的3個(gè)冰間湖的海冰密集度繼續(xù)減少,出現(xiàn)海冰密集度小于15%的開(kāi)闊水域,且普里茲灣冰間湖和Barrier灣冰間湖連成一片。而11月已初現(xiàn)端倪的四女士淺灘與弗拉姆淺灘兩處密集海冰之間的低密集度冰區(qū)也充分發(fā)展,形成了1個(gè)海冰密集度低于60%的區(qū)域,該區(qū)域大約以74°E,67°S為中心呈西北-東南走向,且中心位于普里茲灣口的深水道。如前所述,這一低值區(qū)的形成很可能與灣外深層暖水和沿岸流侵入灣內(nèi)有關(guān)。低值區(qū)兩側(cè)的高密集度海冰區(qū)很早就受到中國(guó)學(xué)者的關(guān)注[1,10],因?yàn)樗鼈兘?jīng)常成為考察船進(jìn)出普里茲灣的障礙,被稱(chēng)為灣口的“冰壩”。從本文的海冰密集度圖上看,盤(pán)踞灣口的這兩條冰壩分別處于弗拉姆淺灘和四女士淺灘,與地形有非常好的對(duì)應(yīng);灣口東側(cè)的冰壩從西冰架大體沿著四女士淺灘形成了1條東北-西南走向的冰舌,與陸坡流的方向一致[25];而灣口西側(cè)的冰壩則來(lái)自普里茲灣的西側(cè),與灣內(nèi)順時(shí)針流場(chǎng)的出流一致[30]。在達(dá)恩利角存在不封閉的逆時(shí)針的環(huán)流,當(dāng)海流流經(jīng)弗拉姆淺灘時(shí),受該淺灘的阻擋而向北和西形成逆時(shí)針的繞流,從而造成了海冰在達(dá)恩利角以東堆積形成密集冰區(qū)。該冰舌在夏季經(jīng)常存在,即使在灣內(nèi)海冰融化較多的月份(如2003年1月)依然存在。綜上所述,這兩條冰壩的形成,與普里茲灣的地形和環(huán)流場(chǎng)有密切的關(guān)系。

3.3 海冰融化末期(1～2月)

相比12月份,1月份為海冰緩慢融化時(shí)期。1月份海冰面積和海冰范圍都緩慢減少,且海冰范圍減少值大于海冰面積減少值(見(jiàn)圖3),即海冰融化仍以海冰外緣線的退縮為主。北部海冰外緣線退縮至65°S以南(見(jiàn)圖4),而且普里茲灣內(nèi)無(wú)冰水域的范圍也比12月份擴(kuò)大,呈東北-西南走向,大致位于灣東部73°E～82°E的區(qū)域,南北跨越可以達(dá)到2個(gè)緯度;浮冰區(qū)密集度也明顯減少,除了幾個(gè)孤立的密集冰區(qū),海冰密集度多已降到50%以下(見(jiàn)圖5a)。達(dá)恩利角以東冰舌的范圍減少,沿著達(dá)恩利角突出的方向呈東北-西南走向,占據(jù)67.4°S～68.3°S,70°E～71.5°E的區(qū)域。四女士淺灘處的冰舌最南端位于76°E,67°S,海冰密集度約為70%,沿著東北-西南走向海冰密集度逐漸增加,在82°E,65.5°S與西冰架外密集度為100%密集海冰相接。在85°E存在海冰密集度為15%的海冰突出,其最北端可以達(dá)到63.5°S附近,這也是1月多年平均海冰所能達(dá)到的最北端。上文提到的南極繞極流的東南分支繞過(guò)海臺(tái)后急劇向北偏轉(zhuǎn)[25],可能是形成這一北向的突出的主要原因。值得注意的是,埃默里冰架前緣的東部還存在1個(gè)密集冰區(qū),位于73°E～77°E,最北端可達(dá)到69°S。這個(gè)密集冰區(qū)恰位于冰架與海岸形成的小灣內(nèi)。

2月海冰的范圍和面積都進(jìn)一步減小(見(jiàn)圖3),海冰面積達(dá)到最小值(見(jiàn)圖2),但海冰融化的速度較前3個(gè)月已經(jīng)明顯減慢。2月海冰分布情況與1月相似,集中在普里茲灣東西兩側(cè)的近岸區(qū)域和灣口的陸坡附近(見(jiàn)圖5b)。近岸達(dá)恩利角冰間湖和普里茲灣內(nèi)開(kāi)闊水域范圍繼續(xù)擴(kuò)大,灣口的2條冰舌雖仍然存在,但是海冰密集度已降至70%以下。西冰架外緣存在海冰密集度為100%的密集海冰。此外,60°E附近、埃默里冰架前緣東部和西冰架以西依然存在海冰密集度達(dá)到100%的密集海冰。

3.4 海冰凍結(jié)初期(3月)

隨著氣溫的降低,從3月份開(kāi)始海冰進(jìn)入凍結(jié)時(shí)期,海冰面積和范圍都緩慢增加,且海冰面積的增加值小于范圍增加值(見(jiàn)圖3),但海冰外緣線向北擴(kuò)展并不顯著,其擴(kuò)展主要位于60°E～75°E范圍內(nèi),其它區(qū)域海冰邊緣線基本上不變(見(jiàn)圖4)。相比2月份,達(dá)恩利角冰間湖、普里茲灣冰間湖和Barrier灣冰間湖所在位置海冰密集度明顯增加,海冰凍結(jié)以灣內(nèi)冰間湖所在位置海冰密集度的增加為主。原來(lái)的冰間湖已全部為海冰覆蓋,整個(gè)冰區(qū)不存在任何無(wú)冰水域。除此之外,達(dá)恩利角以東和四女士淺灘處海冰密集度也明顯增加。達(dá)恩利角以東高密集度海冰從70°E,68°S向東北方向延伸,與沿著陸架坡折呈東北-西南走向的四女士淺灘處的海冰連成一片,從而形成灣口陸架坡折處海冰密集度高于其南部和北部的特殊海冰分布特征。西冰架以北82°E～84°E之間依然存在海冰密集度為80%的密集海冰,相比2月份其海冰密集降低,控制范圍減小,由此可以看到當(dāng)灣內(nèi)大部區(qū)域海冰開(kāi)始凍結(jié)時(shí),西冰架北部的海冰密集度仍處于減少階段,其開(kāi)始凍結(jié)階段相比灣內(nèi)要晚。2月份在60°E附近和埃默里冰架前緣以東的密集冰區(qū)范圍均顯著減小甚至消失。總體上看,相對(duì)于前3個(gè)月而言,3月的海冰覆蓋區(qū)內(nèi)密集度的差異明顯減小,呈現(xiàn)相對(duì)均一的態(tài)勢(shì),即海冰凍結(jié)初期的區(qū)域性差異不大,這與融化期密集冰區(qū)與開(kāi)闊水域并存的分布特征(見(jiàn)圖5a、b和l)形成鮮明的對(duì)比,體現(xiàn)出該區(qū)域海冰凍結(jié)和融化過(guò)程的差別。

3.5 海冰凍結(jié)中期(4～8月)

從圖3可以看到,4～8月為海冰快速凍結(jié)時(shí)期,在此階段海冰面積和海冰范圍增長(zhǎng)速度都較快。一方面,海冰外緣線大幅度地逐步向北擴(kuò)展,從66°S的陸坡附近,一直推進(jìn)到59°S附近,北進(jìn)了7個(gè)緯度(見(jiàn)圖4);另一方面,海冰密集度也顯著增加,只是在海冰外緣線以南約2個(gè)緯度之內(nèi)海冰密集度可以低于70%(見(jiàn)圖5e～h),在此之南絕大多數(shù)是密集冰區(qū)。只是在達(dá)恩利角以北、沿埃默里冰架前緣,西冰架前緣的86°E處存在小塊的密集度為70%的海冰區(qū)域,如前所述,這些區(qū)域存在的強(qiáng)烈南極下降風(fēng)是形成這些冰間湖的主要原因。在78°E,67°S的四女士淺灘以南也存在小塊海冰密集度為70%的區(qū)域,這可能與進(jìn)入灣內(nèi)的暖水有關(guān)。4月份是海冰凍結(jié)速度最快的階段,海冰面積增長(zhǎng)值略大于海冰范圍增長(zhǎng)值。4月份普里茲灣海冰密集度明顯增加,整個(gè)普里茲灣被密集海冰所覆蓋,海冰凍結(jié)主要表現(xiàn)為普里茲灣海冰密集度的增加(見(jiàn)圖5d),5月份海冰面積和海冰范圍增長(zhǎng)值小于4月份和6月份,體現(xiàn)出海冰增長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜性。作者認(rèn)為,造成這一現(xiàn)象的主要原因是5月份海冰外緣線推進(jìn)到了南極輻散帶[30-31]所在位置。由于南極輻散帶北部為終年西風(fēng)所控制的東向流(南極繞極流),南部為極地東風(fēng)控制的西向流(南極沿岸流),從而在該處形成了輻散上升流。一方面,輻散帶南側(cè)的偏南流,阻礙了海冰外緣線的北進(jìn);另一方面,上升流攜帶深層暖水為海冰融化提供能量,阻礙海冰密集度的增加。因此,輻散帶成為浮冰區(qū)擴(kuò)張的障礙,從而使5月份海冰增長(zhǎng)速度低于4月份和6月份。從圖5e可以看到,5月份沿岸區(qū)域基本上被密集度為100%的密集海冰所覆蓋,大洋區(qū)海冰向北最遠(yuǎn)可以擴(kuò)展到61°S附近,海冰密集度超過(guò)80%的海冰基本上分布于64°S以南的區(qū)域,海冰密集度向北逐漸減小,海冰外緣線在60°E～84°E之間基本上沿著63°S緯線,在中部稍微向北突出,而在85°E附近海冰外緣向北突出明顯,可達(dá)到61°S,比其東部83°E附近的海冰外緣突出接近2個(gè)緯度。Rintoul等[21]研究表明,85°E附近受地形限制的近岸流和異常南向的風(fēng)場(chǎng)是形成這一北向突出的主要原因。從地形上可以看到3 000 m等深線在83°E,63°S存在明顯的向南彎曲,東向的南極繞極流繞過(guò)海臺(tái)南端后而轉(zhuǎn)向東北[25],從而形成了在83°E,63°S海冰外緣略向南凹進(jìn),而在85°E,61°S海冰向北明顯突出的特殊海冰分布特征。同樣,當(dāng)東向的南極繞極流繞道凱爾蓋朗海臺(tái)中部的凹陷時(shí),能將高緯度冷水帶到北部,從而使海冰外緣線從7月份開(kāi)始形成在凱爾蓋朗海臺(tái)處明顯北向突出的特征。

3.6 海冰凍結(jié)末期(9月)

9月海冰面積達(dá)到最大值(見(jiàn)圖2),海冰凍結(jié)速度達(dá)到最小值,海冰范圍和海冰密集度的增加非常有限(見(jiàn)圖3),海冰外緣線與上個(gè)月相比變化不大(見(jiàn)圖4),為海冰凍結(jié)末期。此時(shí)海冰外緣線在東西方向上基本上平行于等深線,僅在凱爾蓋朗海臺(tái)北部存在沿2 000 m等深線向北的突出,可以達(dá)到57°S,仍然體現(xiàn)了海臺(tái)的重要影響。隨著緯度的升高,海冰密集度逐漸增加,而在63°S附近稍微降低,然后繼續(xù)增加,在64°S以南除達(dá)恩利角以北、埃默里冰架前緣和四女士淺灘以外,海冰均為密集度為100%的密集冰區(qū)。值得注意的是60°S～64°S之間的海冰密集度約為90%,而其南部和北部均存在密集度為100%的海冰,特別是在73°E～80°E之間這種現(xiàn)象尤為顯著,這種特殊的海冰分布特征同樣是由于南極輻散帶造成的。輻散的流場(chǎng)使海冰在輻散帶不易聚集,上升的暖水阻礙海冰的增加,從而最終形成了海冰密集度比其南部和北部都略低的特征。

圖5 2003年到2008年多年月平均海冰密集度Fig.5 Monthly sea ice concentration from 2003 to 2008

4 結(jié)論

本文利用美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心提供的2003—2008年高分辨率海冰密集度數(shù)據(jù),結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和以往的水團(tuán)和環(huán)流研究結(jié)果,對(duì)普里茲灣區(qū)域海冰的季節(jié)變化和空間分布特征進(jìn)行了討論,得出如下結(jié)論:

(1)普里茲灣區(qū)域海冰面積呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的季節(jié)變化規(guī)律,表現(xiàn)為自3～9月份為海冰凍結(jié)階段,9月份海冰面積達(dá)到最大值,自10月到下一年2月份為海冰融化階段,2月份海冰面積達(dá)到最小值。海冰凍結(jié)過(guò)程和融化過(guò)程分別經(jīng)歷7和5個(gè)月。

(2)海冰凍結(jié)速度和融化速度存在差異,海冰融化速度最快月份是10和11月,海冰凍結(jié)以4和6月為最快,而5月的凍結(jié)速度有所降低。海冰融化階段,10～11月份海冰融化以海冰密集度減少為主,之后11～2月份海冰融化以海冰外緣線向南退縮為主。海冰凍結(jié)階段,2～4月份海冰凍結(jié)以海冰密集度增加為主,之后4～9月份海冰凍結(jié)以海冰外緣線向北擴(kuò)展為主。

(3)普里茲灣近岸存在達(dá)恩利角冰間湖、普里茲灣冰間湖和Barrier灣冰間湖,這3個(gè)冰間湖自11月份開(kāi)始出現(xiàn)到下一年2月份冰間湖面積達(dá)到最大值,冰間湖可以維持約4個(gè)月的時(shí)間,且普里茲灣冰間湖與Barrier灣冰間湖經(jīng)常連成一片,從而形成大面積的冰間開(kāi)闊水域。由于普里茲灣近岸冰間湖的存在,在海冰融化階段,形成了海冰密集度從大洋到陸架坡折處先增加,到灣內(nèi)冰間湖區(qū)減少,在埃默里冰架前緣又增加的特殊海冰分布。因此普里茲灣海冰存在大洋區(qū)由北向南融化,近岸區(qū)由南向北融化的特征。這種特殊的融化機(jī)制不僅會(huì)加速普里茲灣近岸海冰的融化,同時(shí)也將影響灣內(nèi)海洋過(guò)程。

上述研究使作者對(duì)于普里茲灣區(qū)域海冰的季節(jié)變化和空間分布特征有了較全面的認(rèn)識(shí),下面對(duì)影響普里茲灣海冰分布的因素進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。位于達(dá)恩利角以東和四女士淺灘處冰舌,與地形有非常好的對(duì)應(yīng),兩冰舌之間的低密集度海冰可能由于從灣口深水道侵入灣內(nèi)的暖水形成。南極繞極流在流經(jīng)凱爾蓋朗海臺(tái)時(shí)在海臺(tái)中部向北偏轉(zhuǎn),從而形成使8～10月海冰外緣線在海臺(tái)處形成向北的凸起,最北可達(dá)57°S。南極繞極流在流經(jīng)凱爾蓋朗海臺(tái)時(shí)繞過(guò)海臺(tái)南部后轉(zhuǎn)向東北,使5月海冰外緣線在85°E附近向北突出明顯。受南極輻散帶的表層輻散流和上升暖流的影響,5月海冰外緣線跨越南極輻散帶時(shí)受阻;在冬季冰盛期,南極輻散帶處海冰密集度明顯小于周?chē)鷧^(qū)域。南極大陸下降風(fēng)有利于普里茲灣近岸冰間湖的產(chǎn)生,海冰融化初期西北方向的風(fēng)帶來(lái)低緯度的暖空氣,從而有利海臺(tái)處海冰融化,異常南向的風(fēng)場(chǎng)是85°E附近向北突出另1個(gè)主要原因。因此地形、流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)均對(duì)普里茲灣海冰分布特征具有重要影響,但其具體過(guò)程仍有待進(jìn)一步深入研究。

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