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南极洲罗斯海中的小岛,前景是浮冰
南极洲罗斯海中的小岛,前景是浮冰。 信贷:安德烈·吉尔登/阿拉米股票照片。
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2021年6月29日12:17

客座帖子:解读南极海冰范围的升降

客人的作者

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06.29.21
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2021年6月29日下午12:17
来宾职位 客座帖子:解读南极海冰范围的升降

这个北极海冰急剧减少近几十年来,它已成为地球气候变暖最持久的图像之一。然而,与此同时,地球南极的海冰变化却不那么明显。

南极海冰范围逐渐增加在卫星记录的大部分时间里(1979年至今),2012-2014年达到了连续的最高记录。然而,2016年开始了有史以来最明显的海冰覆盖下降。在随后的三年中,南极海冰急剧下降相当于北极30年的海冰流失.

这些波动导致了政府间气候变化专门委员会(警监会)至断定在其2019年特别报告在海洋和冰层上,由于“区域信号对比强烈,年际变化较大”,南极海冰范围“总体上没有统计上显著的趋势”。

我们的观点论文,发表于地球科学亚慱彩票APP,利用最近的研究来研究最近南极海冰覆盖面积的急剧减少揭示了控制该地区海冰的过程。

我们发现,海冰迅速而出乎意料地减少,主要是由于环绕南极洲大陆的西风异常减弱所致。

虽然海冰似乎正在反弹,但覆盖率仍远低于2014年的创纪录高点。该地区的海冰覆盖率显然容易受到快速变化的影响。然而,如果我们要准确预测未来的变化,我们需要查明影响南极洲周围风的远近过程。

海冰变率

南极海冰的年度波动是地球表面覆盖物最大的季节性变化之一。它对地球有巨大的连锁反应全球气候和海洋生态系统.

在冬季,南极洲的面积实际上翻了一番,有1500万平方公里(平方公里)的海洋结冰。虽然北极被大陆包围着,限制了季节性海冰的增长,但南极被绵延数英里的水域包围着,海冰可以在这些水域形成。

然而,由于南极洲的海冰扩散到较低、较温暖的纬度地区,随着温度的升高,在夏季存活下来的海冰会减少,只有15%左右南极海冰的数量从一年持续到下一年,与北极的40%不同。你可以在下面的地图中看到这一点,地图显示了南极海冰的范围在2020年冬季最大值(左)和2021年夏季最小值(右)。

南极海冰范围图
南极最近冬季最大海冰范围地图2020年9月28日(左)和夏季最低值2021年2月21日(右)。粉红线显示了该月1981-2010年的平均范围。信用:NSIDC。

这种逐年变化意味着南极洲的海冰厚度减少,持续多年。这也意味着海冰的范围更可能在未来十年内发生巨大变化。

下图显示了南极海冰的年平均范围是如何通过卫星记录波动的。

1979年至2020年南极海冰的年度范围
1979年至2020年的南极海冰年范围(该期间的平均值用蓝色虚线表示),基于数据来自国家冰雪数据中心(NSIDC)。根据卫星数据,海冰范围是冰浓度为15%或更高的总面积。总的趋势掩盖了主要的、对比鲜明的区域变化。信贷:克莱尔·伊尔斯。

近距离和远距离的过程形成了冰

海冰形成于大气和海洋的交界处。它生长或融化的程度取决于它们之间的相互作用。可以吹海冰并给该地区带来暖空气或冷空气的地面风受大规模大气环流控制。同时,上层海洋在深海和大气之间传递热量。

下图突出显示了南极洲周围的不同力量。被称为“咆哮的40年代”、“狂怒的50年代”或“尖叫的60年代”——取决于纬度——环绕南极洲的西风(黑色箭头所示)通过一种称为南部年度模式(山姆)。

增强的西风带有一个双时标“对海冰覆盖的影响。强风最初推动海冰扩张,将海冰推离南极大陆,并将寒冷的地表水向北,然后冻结。但是,几十年来,这种北上运输的增加将温暖的深海水域带到了表面,融化了海冰,导致长期覆盖减少(红色小箭头)。

西风带的绕极气流被一个气流中断纬向三号波型。顾名思义,这是一种由三个高压脊和三个低压槽组成的模式。这些低压槽中最深的是阿蒙森海低压(ASL)-蓝色阴影区域显示,以南极洲西部海域命名,通常位于其上方。在南半球,风沿着这样的低压系统顺时针移动,将冷空气和海冰吹向西侧的北部。暖空气从东侧向南吹,可以将海冰推回海岸。这些风用绿色箭头表示。

南极洲周围的风影响海冰覆盖
更强的西风带(黑色箭头)将寒冷的地表水和海冰向北推进。纬向三号波模式可将暖空气向南输送,并将冷空气向北输送(绿色箭头)。在十年尺度上,增强的西风带将温暖的深水上升至地表(红色小箭头)导致海冰覆盖减少。来源:Clare Eayrs,改编自Eayrs等人(2021).

此外,热带海洋对南极海冰的影响可能令人惊讶。当海洋表面变暖时,大气中的热量和水分垂直上升。大气试图保持平衡,一种巨大的蜿蜒风被称为行星波,或罗斯比波,将热量传递到两极。

两个重要的气候循环以这种方式影响南极大气环流。这个年代际太平洋振荡(IPO)描述了西太平洋海面温度如何在暖(IPO+)和冷(IPO-)阶段之间波动大西洋数十年振荡(AMO)表示北大西洋的暖(AMO+)与冷(AMO-)海面温度。

IPO和AMO作用于不同的时间尺度,以不同的方式影响南极大气。IPO-和AMO+导致阿蒙森海低压更深,西风更强,如下表所示。

首次公开募股+ 首次公开募股- 阿莫+ >阿莫-
西风带 弱的 更强 更强 弱的
阿蒙森海低压 浅的 更深的 更深的 浅的
热带海洋的海洋表面温度会以不同的方式影响南极西风的强度和阿蒙森海低压的特征。

少风(+温暖的海洋)=少冰

2016年的下降主要是巧合,但自然发生的易变性。

关于深海热是否在迅速融化海冰方面起到了作用,仍然存在一些争论,但我们知道,在之前的十年中,IPO加强了西风带,并为将温暖的海水带到海洋地下创造了条件。

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首先,2016年秋季的强纬向三号波模式导致大气热量向南转移。然后,环绕南极大陆的风异常减弱,将海冰推回南极,导致海冰覆盖面积大幅度减少。

改变现状IPO+和AMO-减弱了西风,但对于特别减弱的西风带也提出了许多其他解释。

下图显示了2015年8月之前(橙色实线)和之后(橙色虚线)南极海冰的剧烈变化(蓝线)。

为了理解不同驱动因素的作用,我们还有很多工作要做,以便我们能够预测南极海冰在未来可能发生的变化。

1979年以来每月海冰范围异常与1979-2018年气候学的关系
自1979年以来,与1979-2018年气候学(蓝线)相关的每月海冰范围异常,基于数据来自NSIDC。趋势线(橙色)通过月度异常计算。橙色阴影表示IPO为负值的时间。灰色阴影表示AMO为正值的时间。信贷:克莱尔·伊尔斯,改编自伊尔斯等人(2021).

记录中的一个小插曲,还是未来快速衰落的预兆?

南极海冰现在似乎正在恢复到接近卫星记录的平均状态——尽管要恢复到2014年达到的最高覆盖率还有很长的路要走。

我们知道西风是决定一年中有多少海冰的关键,但我们仍然需要了解驱动这些风的过程。

然而,很明显,热带变化也有一定的作用。南极海冰的变化也产生了影响对热带的深远影响这些联系需要进一步调查。

随着气候变暖,西风带预计会加强。上述“两个时间尺度”理论表明,这将在短期内导致海冰扩张,但最终覆盖面积将减少。更强的西风也将导致南大洋的蓄热增加这也表明未来海冰范围将会下降。

接下来呢?

由于缺乏观测,我们对控制南极海冰覆盖的过程的理解受到阻碍,目前,我们依靠40年的卫星记录来监测海冰。一个紧迫的问题是,预期的南极海冰退役之间可能存在2至5年的数据差距ICESat-2CryoSat-2–仅有的两颗卫星提供测高在极地地区——以及下一个极地高度计的发射,,2027年。

海冰范围只是故事的一部分。目前,我们只有来自卫星的关于海冰覆盖的可靠信息。准确测量南极海冰厚度是一个活跃的研究领域,如果我们要充分了解冰是如何变化的,这一点至关重要。

显然,影响南极海冰的过程在广泛的时间和空间尺度上起作用。我们迫切需要新的技术,因为我们不能再依赖线性技术和纬向平均指标来研究海冰的变化。

有人为的影响吗?最近的快速下降是由自然变化造成的,但我们不能排除人类活动的作用。特别是,人类活动在驱动热带地区变化方面的作用应该成为未来研究的重点。

很明显,在某些条件下,南极海冰可能会受到快速变化的影响。海冰在全球气候中扮演着重要角色,我们必须缩小知识差距,以便能够做出未来预测。

Eayrs,C.等人(2021年)近年来南极海冰的迅速减少暗示了未来的变化,自然地球科学,亚慱彩票APP内政部:10.1038/s41561-021-00768-3. 这篇客座文章的作者还要感谢他们的论文合著者李锡晨博士和拉斐尔教授.

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