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南极洲罗斯海的小岛,前景是浮冰
南极洲罗斯海的小岛,前景是浮冰。 图片来源:André Gilden / Alamy Stock Photo。
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2021年6月29日12:17

客座文章:解读南极海冰范围的上升和下降

客人的作者

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06.29.21
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29.06.2021 | 12:17pm
乐动体育平台 客座文章:解读南极海冰范围的上升和下降

北极海冰急剧减少已经成为地球气候变暖最经久不衰的图像之一。然而,与此同时,地球南极海冰的变化却不那么明显。

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年至2014年连续创新高。然而,2016年的海冰覆盖开始出现有史以来最明显的下降。在接下来的三年里,南极海冰急剧减少相当于北极30年的海冰损失

这些波动导致了政府间气候变化专门委员会(IPCC)结论在其2019年的特别报道在海洋和冰冻圈上,南极海冰范围“总体上没有显著的统计趋势”,因为“区域信号对比和年际变化大”。

我们的观点论文,发表于自然地球科学乐动体育 英超,利用最近的研究来研究最近南极海冰覆盖的急剧减少揭示了控制该地区海冰的过程。

我们发现,海冰的迅速和出乎意料的减少主要是由于环绕南极洲大陆的西风异常减弱造成的。

虽然海冰似乎在反弹,但覆盖范围仍远低于2014年的历史最高水平。这一地区的海冰覆盖显然容易受到快速变化的影响。然而,如果我们要准确地预测未来的变化,我们需要查明影响南极洲周围风的远近过程。

海冰变化

南极海冰的年度波动是地球表面覆盖的最大季节性变化之一。它有巨大的连锁反应全球气候和海洋生态系统

在冬季,由于1500万平方公里(平方公里)的海洋结冰,南极洲实际上是面积的两倍。北极被大陆所包围,限制了海冰的季节性增长,而南极则被绵延数英里的海水所包围,可以形成海冰。

然而,由于南极洲的海冰会扩散到纬度较低、较温暖的地区,随着气温上升,在夏季存活的海冰会减少。平均而言,只有15%左右大部分南极海冰会持续一年到下一年,而北极只有40%左右。你可以在下面的地图中看到这一点,图中显示了2020年冬季最大值(左)和2021年夏季最小值(右)时的南极海冰范围。

南极海冰范围图
南极海冰面积在最近冬季最大值的地图2020年9月28日(左)和夏季最低2021年2月21日(右)。粉线显示的是1981-2010年该月的平均水平。来源:国家冰雪数据中心。

这种逐年的变化意味着南极洲持续多年的厚海冰变少了。这也意味着海冰的范围更有可能在十年与十年之间发生巨大变化。

下面的图表显示了通过卫星记录南极海冰的年平均范围是如何波动的。

1979年至2020年的南极海冰面积
1979年至2020年的每年南极海冰面积(该时期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,海冰范围是指冰浓度在15%或15%以上的总面积。总的趋势掩盖了主要的和对比鲜明的区域变化。信贷:克莱尔Eayrs。

远近作用形成了冰的形状

海冰在大气和海洋的交界面形成。它增长或融化的多少取决于它们之间的相互作用。表面风可以吹起海冰,并将暖风或冷空气带到该地区,它受大规模大气环流的控制。同时,上层海洋在深海和大气之间传递热量。

下图强调了在南极洲周围发挥作用的不同力量。根据纬度不同,环绕南极洲的西风被称为“咆哮的40度”、“狂暴的50度”或“尖叫的60度”(如图中黑色箭头所示),通过一种被称为南极风的环流模式周期性地增强或减弱南部年度模式(山姆)。

增强的西风带具有“two-timescale对海冰覆盖的影响。强风最初推动海冰扩张,将海冰从南极大陆推开,并将寒冷的表层水带到北方,然后结冰。但是,几十年来,这种向北输送的增加将温暖的深海海水带到海面,融化海冰,导致长期覆盖面积减少(小红色箭头)。

西风带的绕极气流被急流打断zonal-wave-number三种模式.顾名思义,这是一种由三个高压脊和三个低压槽穿插而成的模式。这些低压槽中最深的是阿蒙森海低(ASL)——由蓝色阴影区域所示,以南极洲西部海域命名。在南半球,风沿着这种低压系统顺时针移动,将冷空气和海冰吹向西侧的北方。暖空气从东翼向南吹,可以把海冰推回海岸。这些风由绿色箭头所示。

南极洲周围的风会影响海冰覆盖
较强的西风带(黑色箭头)将冷空气、地表水和海冰推向北方。第三纬向波模式可将暖空气南下,将冷空气北上(绿色箭头)。在十年的时间尺度上,增强的西风带向上延伸到温暖的深水表面(小红色箭头),导致海冰覆盖的减少。来源:克莱尔·埃尔斯,改编自埃尔斯等人。2021).

此外,热带海洋可能对南极海冰产生了令人惊讶的影响。当海洋表面变暖时,热量和水分在大气中垂直上升。大气试图保持平衡,一种巨大的蜿蜒风被称为行星波,或罗斯贝波,将热量转移到两极。

两个重要的气候周期以这种方式影响南极大气环流。的太平洋年代际振荡(IPO)描述了西太平洋海表温度如何在暖(IPO+)和冷(IPO-)阶段之间摇摆。类似地,大西洋数十年震荡(AMO)表示北大西洋暖(AMO+)和冷(AMO-)海面温度。

极地冰激流和极地冰激流在不同的时间尺度上起作用,并以不同的方式影响南极大气。如下表所示,IPO-和AMO+导致阿蒙森低海区更深,西风更强。

首次公开募股(IPO) + IPO - AMO + >AMO -
西风带 较弱的 更强的 更强的 较弱的
阿蒙森海低 更深层次的 更深层次的
热带海洋的海表温度可以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。

风更少(+温暖的海洋)=冰更少

2016年的下降主要是由于巧合,但是自然发生的可变性。

对于深海的热量是否在海冰的迅速融化中起了作用仍有一些争论,但我们知道,在之前的十年中,厄尔尼诺现象加强了西风带,并为将温暖的海水带到海洋的地下创造了条件。

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首先,2016年秋季强烈的第三纬向波模式导致大气热向南转移。然后,环绕南极大陆的风异常减弱,将海冰推回到南极洲,导致海冰覆盖面积大幅减少。

更改IPO+和AMO-减弱了西风但是对于西风带的减弱也提出了许多其他的解释。

下图显示了2015年8月前(橙色实线)和之后(橙色虚线)南极海冰的巨大变化(蓝线)。

还有很多工作要做,以了解不同驱动因素的作用,以便我们可以预测南极海冰在未来可能发生的变化。

1979年以来相对于1979-2018年气候学的月度海冰范围异常
1979年以来相对于1979-2018年气候学的月度海冰范围异常(蓝线),基于数据国家冰雪数据中心。趋势线(橙色)是通过月度异常计算出来的。橙色阴影表示IPO是负面的。灰色阴影表示AMO为阳性。来源:克莱尔·埃尔斯,改编自埃尔斯等人。2021).

记录中的一个小插曲还是未来快速衰退的预兆?

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年的最高覆盖记录还有很长的路要走。

我们知道,西风是决定某一年海冰数量的关键,但我们仍需了解推动这些风的过程。

然而,很明显,热带气候的变化也起到了一定作用。南极海冰的变化也有影响对热带地区影响深远这些联系值得进一步研究。

随着气候变暖,西风带预计将加强.上述“双时间尺度”理论表明,这将导致海冰在短期内扩张,但最终覆盖面积将减少。更强的西风预计也会导致增加了南大洋的热储存这也预示着未来海冰面积将会下降。

下一个什么?

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了阻碍。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,预计的退役之间可能存在两到五年的数据缺口ICESat-2而且克里赛特- 2卫星回传-只有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,克丽丝特尔在2027年,。

海冰的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海冰是如何变化的,这是必不可少的。

显然,影响南极海冰的过程具有广泛的时间和空间尺度。由于我们不能再依靠线性技术和纬向平均指标来研究海冰的变率,因此迫切需要新的技术。

这是人为的影响吗?最近的快速下降是由自然变化引起的,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变化中的作用应该是未来研究的重点。

很明显,在某些条件下,南极海冰容易迅速变化。海冰在全球气候中扮演着重要的角色,重要的是我们要缩小知识差距,以便能够做出未来的预测。

埃尔斯,C.等人(2021),近年来南极海冰的快速减少暗示着未来的变化,自然地球科学,乐动体育 英超doi: 10.1038 / s41561 - 021 - 00768 - 3.这篇客座文章的作者也要感谢他们论文的合著者,李西辰博士和玛丽莲教授拉斐尔

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