南極難言島固定冰年際變化及驅(qū)動力分析

孫曉宇 沈輝 李春花 于旭鵬 汪大立

(1 國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京 100081; 2 國家海洋局極地考察辦公室,北京100860; 3 中國極地研究中心,上海 200136)

提要 通過長時間序列Landsat 遙感影像提取難言島固定冰信息,獲取了2008—2018年夏季固定冰的變化規(guī)律。利用曼努埃拉自動氣象站(Manuela AWS)同期觀測氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了固定冰變化驅(qū)動力分析。結(jié)果表明,難言島沿岸固定冰在每年11月覆蓋范圍最大,12月底至1月初徹底消失,2月底開始重新生長。通過相關(guān)分析可知,氣溫升高是固定冰減少的主要驅(qū)動力,日均氣溫-10℃為固定冰面積增減的臨界點(diǎn),日均氣溫穩(wěn)定在-10℃以上,固定冰開始減少。固定冰消減期處于年際風(fēng)力最小時段,因此,雖然下降風(fēng)有助于海冰漂離,但下降風(fēng)僅是固定冰減少的次要驅(qū)動力。掌握南極科考站區(qū)固定冰變化規(guī)律,對于我國南極科學(xué)考察工作的行程規(guī)劃制定和具體工作開展具有重要的意義。

0 引言

2017—2018年我國開展了中國第34 次南極科學(xué)考察,本次科考的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容是在難言島開展我國第五個南極科考站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),需要完成重型設(shè)備和物資的卸貨任務(wù)。2017年12月7日“雪龍”號船第一次抵達(dá)難言島海域,由于沿岸固定冰情較為嚴(yán)重,無法完成卸貨工作,只能改變原來的科考計(jì)劃,離開難言島進(jìn)行下一步科考任務(wù); 2018年1月2日難言島碼頭固定冰完全脫離漂走; 1月21日科考船完成中山站卸貨之后再次返回難言島,最終完成了建站物資的卸貨任務(wù)。由此可見,由于對難言島固定冰年際變化規(guī)律認(rèn)識不足,影響了原有的科學(xué)考察計(jì)劃的有序進(jìn)行,在一定程度上延長了科考周期。目前,國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對極地固定冰開展了相關(guān)研究,Shirasawa 等人[1]采用實(shí)測數(shù)據(jù)和熱力學(xué)模型對鄂霍次克海兩個區(qū)域的沿岸固定冰進(jìn)行了季節(jié)性變化模擬和評估,獲取了該區(qū)域固定冰季節(jié)性變化規(guī)律并驗(yàn)證了該模型的適用性; Divine 等[2]采用亮溫遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲取了1953年至2001年喀拉海固定冰的時空分布和變化規(guī)律; 趙杰臣、郝光華等利用溫度鏈浮標(biāo)對普里茲灣固定冰厚度進(jìn)行了長時間序列觀測和反演,驗(yàn)證了利用冰浮標(biāo)開展海冰自動觀測的有效性[3-4]。本文利用2008年至2018年難言島區(qū)域Landsat-7 和Landsat-8全色波段數(shù)據(jù)對難言島新建站區(qū)沿岸固定冰分布范圍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,獲取了固定冰的年際變化規(guī)律。并結(jié)合該區(qū)域氣象要素對固定冰的年際變化進(jìn)行了驅(qū)動力分析。研究成果對于未來在羅斯海新站開展常規(guī)科學(xué)考察具有一定的參考意義。

1 研究區(qū)概況

難言島位于東經(jīng)163°40′,南緯74°53′(大致為島的中心點(diǎn))的南極大陸羅斯海特拉諾瓦灣(圖1),西側(cè)緊鄰維多利亞地,面積約30 平方公里。難言島地勢西高東低,西側(cè)有一個南北走向的山梁,東側(cè)為平地和丘陵,有3 個常年積水的淡水湖泊。特拉諾瓦灣(Terra Nova Bay,TNB)氣候特征鮮明,是下降風(fēng)較強(qiáng)的地區(qū)之一。強(qiáng)烈的下降風(fēng)將特拉諾瓦灣的浮動海冰向東推動,特拉諾瓦灣南側(cè)的Drygalski 冰舌阻擋了更高緯度地區(qū)的海冰向北漂移(圖1),使得該海灣離岸水域即使在冬季也經(jīng)常處于無冰或少冰狀態(tài),這是特拉諾瓦灣冰間湖在冬季形成和維持的重要原因[5-14]。我國將在難言島新建第五個南極科學(xué)考察站[13-14],也將是繼長城站和中山站之后的我國第三個常年科學(xué)考察站。

2 數(shù)據(jù)資料

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)主要為美國陸地衛(wèi)星Landsat 系列,來源于美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測與科學(xué)中心(the United States Geological Survey Earth Resources Observation and Science Center,USGS/EROS)網(wǎng)絡(luò)共享,時間為 2008—2018年。2013年3月之前數(shù)據(jù)采用Landsat-7,共75 景; 2013年11月之后數(shù)據(jù)采用Landsat-8,共98 景。兩顆衛(wèi)星傳感器波數(shù)量和段劃分上略有差異,但8 波段均為分辨率為15 米的全色波段,Landsat-7 全色波段波長范圍為 0.52～0.90 μm,Landsat-8 全色波段波長范圍為0.50～0.68 μm。在全色波段上,陸、冰、海的光譜特征具有較為明顯的差異,易于判別。

由于難言島緯度較高,冬季極夜現(xiàn)象持續(xù)時間較長,每年 3月底到 9月初太陽光線不足,Landsat 影像無法獲取,因此本研究所用的173 景影像均不在該段時間內(nèi)。另外,由于受到數(shù)據(jù)重返周期,云量等條件的限制,無法獲取逐日或等時間間距的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。但在固定冰消融等重要時間節(jié)點(diǎn)影像時間間隔小于5d,通過11年數(shù)據(jù)的對比,整體變化趨勢和時間節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的一致性。

本文使用的曼努埃拉自動氣象站數(shù)據(jù)來自威斯康辛大學(xué)空間科學(xué)與工程中心,該自動氣象站于1984年2月6日在難言島上架設(shè)并開始工作。曼努埃拉自動氣象站位于恩克斯堡島的南端(圖1),位置為(74.946°S,163.687°E),海拔為78 m。該自動氣象站型號為AWS2B,采用全球衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時傳輸包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)[6]。由于傳感器故障本文利用的數(shù)據(jù)中2012年2月6日之前的風(fēng)速和2011年10月9日至2012年2月6日的氣溫?cái)?shù)據(jù)缺失。

圖1 難言島地理環(huán)境Fig.1.Geographic conditions of Inexpressible Island

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

對于所有遙感影像數(shù)據(jù)都進(jìn)行了幾何校正和圖像增強(qiáng)處理。由于2003年5月31日Landsat-7 ETM+機(jī)載掃描行校正器(Scan Lines Corrector,SLC)突然發(fā)生故障,導(dǎo)致獲取的圖像出現(xiàn)數(shù)據(jù)重疊和大約25%的數(shù)據(jù)丟失,對此,本文利用ArcGIS 中Mask Function 進(jìn)行掩膜運(yùn)算,應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)算法進(jìn)行了去條帶處理?；谔幚砗蟮倪b感影像對站位、碼頭、自動氣象站等基本空間信息進(jìn)行了矢量化處理。經(jīng)對比分析,選取影像清晰且處于無冰期的2017年1月3日影像進(jìn)行了難言島海岸線提取,基于上述空間信息完成了基礎(chǔ)底圖的制作。

在Landsat 全色影像上冰與海水光譜特征差異顯著,通過目視解譯的方法可以精準(zhǔn)獲取固定冰外緣線信息。本文基于基礎(chǔ)底圖,通過目視解譯的方法提取了2008—2018年共173 個時次的固定冰范圍信息。由于船站之間進(jìn)行物流屬于點(diǎn)對點(diǎn)的關(guān)系,在路徑非復(fù)雜的情況下,最短路徑是衡量物流難度的最為重要的指標(biāo),因此,本文以碼頭為固定點(diǎn),以到固定冰外緣線的最短路徑即固定冰寬度作為本文的評價指標(biāo)。

結(jié)合難言島曼努埃拉自動氣象站觀測數(shù)據(jù),對固定冰與溫度、風(fēng)等氣象條件進(jìn)行相關(guān)分析,獲取氣象條件對固定冰空間范圍變化所具有的驅(qū)動作用。本文采用的具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線Fig.2.Overview of the used methodologies

3.2 數(shù)據(jù)分析

雖然在Drygalski 冰舌和下降風(fēng)的共同影響下,難言島東側(cè)海域常年存在冰間湖[15-17],但是通過氣象數(shù)據(jù)可知,難言島冬季日均最低氣溫可以達(dá)到-35℃左右,因此秋冬季沿岸會生長一定范圍的固定冰。通過2008—2018年的數(shù)據(jù)分析可知,難言島沿岸固定冰季節(jié)性空間范圍變化規(guī)律性較為明顯(圖3),通常每年10—11月固定冰寬度基本達(dá)到最大值,12月底至第二年2月底沿岸固定冰最少,基本處于無冰期。2月底固定冰進(jìn)入增長期。固定冰最大值的年際差異較大(表1),所統(tǒng)計(jì)的11年當(dāng)中,有8年固定冰范圍最大值出現(xiàn)在11月上中旬,有兩年出現(xiàn)在9月底。2011年最大固定冰寬度最大,達(dá)到1700 米; 其次是2012年和2015年,固定冰寬度分別為1230 米和1180 米; 其他年份監(jiān)測窗口內(nèi)固定冰寬度均不到1 km,其中2010年、2013年和2014年最大固定冰范圍只有50 米左右。由圖4 可見,年最大固定冰范圍與年均氣溫存在一定的關(guān)系,2011年固定冰范圍最大,當(dāng)年的年均氣溫最低,在年均氣溫逐年升高走勢下,2014—2018年的最大固定冰寬度和年均氣溫的負(fù)相關(guān)關(guān)系尤為明顯。

圖3 2008—2018年難言島固定冰寬度空間范圍變化過程Fig.3.The changing process of fast ice on Inexpressible Island from 2008 to 2018

表1 難言島夏季歷年最大固定范圍與年均氣溫關(guān)系Table 1.The relationship between the maximum range of fast ice and annual mean temperature

圖4 年均氣溫與固定冰范圍的關(guān)系圖Fig.4.The relationship between the range of fast ice and annual mean temperature over the years

由氣象數(shù)據(jù)分析可知,這11年當(dāng)中,年最低氣溫主要出現(xiàn)在6—9月間(圖5),而年固定冰范圍最大值通常出現(xiàn)在11月上旬(表1)。通過對氣溫和固定冰范圍的統(tǒng)計(jì)分析,日均氣溫為-10℃±2℃大致可以作為夏季固定冰范圍穩(wěn)定減少的拐點(diǎn),在日均氣溫穩(wěn)定在-10℃以下,固定冰范圍通常呈增長趨勢; 當(dāng)日均氣溫達(dá)到-10℃左右,固定冰范圍將隨著溫度的繼續(xù)升高而逐漸退縮,在氣溫達(dá)到每年最高值前后難言島碼頭固定冰徹底消失。由表2 可見,2008—2018年,難言島碼頭固定冰消失最早的一年為2010—2011年夏,消失的日期為2010年12月26日; 消失最晚的一年為2014—2015年夏,消失的日期為2015年1月10日。其中共有4 個夏季的日均最高溫超過2℃,分別為2008—2009年夏、2010—2011年夏、2013—2014年夏和2015—2016年夏,這三年里,難言島沿岸固定冰均在12月底即消失。年日均最高氣溫低于2℃的5 個年份,固定冰均在1月初消失。其中年日均最高溫低于0℃有兩年,分別為2009—2010年夏和2017—2018年夏,這兩個年份固定冰均在1月上旬末才徹底消失。由此可見,難言島沿岸固定冰的空間范圍變化與氣溫存在密切關(guān)系,氣溫的上升對固定冰的減少起到了較強(qiáng)的驅(qū)動作用。

表2 難言島夏季歷年固定冰消失與最高氣溫的關(guān)系Table 2.The relationship between fast ice and peak temperature over the years

通過遙感監(jiān)測可知難言島固定冰的消失并非消融,而是脫落后在下降風(fēng)驅(qū)動下漂離。由氣象數(shù)據(jù)分析可知,受地形影響,難言島常年以偏西向的離岸風(fēng)為主,有助于固定冰的漂離,但是由圖5 可見,風(fēng)速與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,冬季固定冰范圍最大的時候風(fēng)力最強(qiáng),夏季溫度較高、固定冰消失的時間窗口期反而是當(dāng)年風(fēng)力最弱的時段,這與其他多位學(xué)者的研究結(jié)論完全一致[18-20],因此可見,難言島沿岸固定冰的減少雖然與下降風(fēng)驅(qū)動有關(guān),但下降風(fēng)并非其主要驅(qū)動力。

圖5 難言島風(fēng)速與氣溫的關(guān)系Fig.5.The relationship between wind speed and temperature of Inexpressible Island

4 結(jié)論

通常每年10—11月難言島沿岸固定冰寬度基本達(dá)到最大值,多出現(xiàn)在11月上旬,12月底至第二年2月底沿岸固定冰最少,基本處于無冰期,2月底固定冰進(jìn)入增長期。

年最大固定冰范圍與年均氣溫存在一定的關(guān)系,年均氣溫較低的年份,出現(xiàn)大范圍固定冰概率更大。

-10℃大致可以作為固定冰范圍變化的拐點(diǎn),在日均氣溫穩(wěn)定在-10℃以下,固定冰范圍通常呈增長趨勢,當(dāng)日均氣溫達(dá)到-10℃,固定冰范圍將隨著溫度的繼續(xù)升高而逐漸退縮,在日均氣溫達(dá)到每年最高值前后難言島碼頭固定冰徹底消失。難言島沿岸固定冰的空間范圍變化與氣溫存在密切關(guān)系,氣溫的上升是固定冰消失的主要驅(qū)動因素。下降風(fēng)有助于難言島固定冰融合脫落后漂離,但并不是固定冰減少的主要原因。