气候变化对南极冰面湖的影响研究：以埃默里和拉森A冰架为例

王辉 卢善龙 丁俊 邱玉宝 唐海龙,3 闫强

(1 湘潭大学,土木工程与力学学院,湖南 湘潭 411105;2 中国科学院遥感与数字地球研究所,中国科学院数字地球重点实验室,北京 100101;3 成都理工大学地球科学学院,四川 成都 610059;4 中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037)

提要 冰面湖作为区域气候变化的灵敏指示器,对研究全球气候变化背景下南极冰冻圈的稳定性具有重要意义。本文基于2000—2019年区域气象数据、Landsat ETM+/OLI 影像与LIMA(Landsat Image Mosaic of Antarctica)镶嵌影像,选取东南极的埃默里冰架和西南极的拉森A冰架作为研究区,采用归一化水体指数(Normalized Difference Water Index,NDWI)提取冰面湖面积信息,对冰面湖面积与气象数据开展遥相关分析,探索冰面湖与区域气候变化的联系。结果表明:埃默里冰面湖总面积较为稳定并有减小趋势,拉森A冰面湖总面积则呈增加趋势;冰面湖与气温和海温之间存在正向反馈特征;两个冰架区域的反馈特征规律明显不同,埃默里冰面湖面积受气温影响显著,但受海温影响并不明显,而拉森A冰面湖则对海温变化敏感,其面积与海温变化趋势一致。

0 引言

联合国气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)《第五次气候变化评估报告》指出,以全球气候变暖为主要特征的气候变化已成事实,在1880—2012年间,全球陆地平均气温上升了0.65～1.06℃,2016—2035年预计将上升0.3～0.7℃,2081—2100年将上升0.3～0.7℃[1]。在气候变化模式RCP 8.5(Representative Concentration Pathway)情景下,未来100年全球平均气温将升高3.7℃[2]。预计2300年南极冰盖融化对海平面上升的贡献为3～10 m[3-4]。Bronselaer 等[5]认为,在RCP 8.5 情景下,若加入冰盖融化的影响,超过全球大气变暖平均值(1.5～2.0℃)的时间将往后推迟10 a以上。据世界冰川监测服务处(World Glacier Monitoring Service,WGMS)公布的数据显示,伴随全球气温上升,从2000年开始,全球所有冰川冰蚀率平均值已达0.5 m·a–1,与20世纪80年代相比提升了2倍。美国宇航局下属喷气推进实验室对1996—2005年格陵兰岛进行了研究,结果指出冰川融化速度逐年加快,在2005年一年中格陵兰岛的冰川融化量是10年前的两倍[6]。世界自然基金会(World Wide Fund for Nature,WWF)的一份报告显示,随着气候变暖不断加速,青藏高原的变暖速率也在不断加快,自20世纪50年代以来,年平均气温有显著上升趋势,在1961—2007年,年平均气温的上升速率为0.37℃·(10a)–1,而且冷季温度上升加速度要大于暖季[7],1990—2010年,青藏高原冰湖数目增加了1 099个,面积从553.9 km2增加到682.4 km2[8],这与气候变化趋势相符。

南极独特的自然条件使其成为对全球气候变化最为敏感的指示器,科学研究发现从20世纪50年代到20世纪末这40 多年里,南极地面平均温度上升了2.5℃,这与全球气候变暖同步[9-10]。冰架是南极冰盖边缘最为显著的物质交换区,同时也是南极冰盖边缘最为活跃的特征区,它们的动态变化对南极乃至全世界都有着深刻影响。冰架表面融水流经冰盖会形成冰面湖,而冰面湖可能引发冰架的崩解[11],这使得冰面湖成为冰盖响应气候变化的一个日益重要的因素[12]。拉森B 冰架(Larsen B Ice Shelf)崩解后其所对应的补给冰川流速明显加快,该冰架表面的冰面湖已经成为储存融水破坏性的象征[13]。在气候变暖情况下,随之增加的冰面湖加速了南极未来冰量的损失[14]。随着全球范围的气候变暖,越来越多的冰面湖将在南极冰架表面形成[15],南极冰面湖的关注度也在不断提高。Bell 等[16]研究了冰面湖与南极冰盖质量平衡间的关系,DeConto和Pollard[17]的研究模型显示南极冰面湖有很大可能会造成冰架边缘的坍塌,Stokes 等[18]利用2017年的遥感影像分析得到东南极冰面湖的大致分布,Langley 等[19]对南极东部朗霍夫德冰川冰面湖进行了研究,结果显示冰面湖是东南极冰川动力学的重要部分,LaBarbera和MacAyeal[20]则通过构建模型探讨了西南极乔治六世冰架与接地线运动之间的联系。总的来说,南极冰面湖的研究多集中在冰川动力学和冰架崩解等方面,对冰面湖关于气候变化的响应关注较少。

东南极最大的埃默里冰架(Amery Ice Shelf)是区域内重要的冰流入海口,也是与南大洋主要的热量与物质交换区。南大洋气候变化会对埃默里冰架产生重大影响,同时,埃默里冰架的融冰状态也可能会潜在影响海平面上升[21],而冰面湖作为冰盖反馈气候变化的重要组成部分,会影响冰盖上的冰融化和冰流,并可能导致冰架解体。拉森A冰架(Larsen A Ice Shelf)位于西南极的南极半岛上,是西南极冰盖的重要组成部分。目前南极冰盖融化的主要因素依然存在争议,本文以埃默里冰架和拉森A冰架为例,研究南极冰面湖的变化特征及其影响因素,这对于理解南极冰川与区域气候以及南极冰川与海洋环境间的相互作用关系具有重要意义。

1 研究区域与数据

埃默里冰架(63°E～74°E,68°S～73°S)位于东南极北查尔斯王子山与拉斯曼丘陵之间,地势较高,平均海拔约2 500 m。冰架长约500 km,宽在50～100 km 之间,面积约 71 260 km2,厚度在300～2 500 m 之间[22],与兰伯特冰川(Lambert Glacier)组成的兰伯特冰川-埃默里冰架系统(Lambert Glacier-Amery Ice Shelf System)是东南极地区最大的冰流冰架系统。埃默里冰架外延长度只占整个南极洲海岸线的1.7%,但冰流量却占东南极的14%[23]。由于夏季埃默里冰架冰面湖集中于冰架西部,故本文冰面湖数据主要取自该冰架西部。拉森A冰架(59°W～61°W,64°S～65°S)位于威德尔海西北部(Northwest Weddell Sea),接近于南极半岛的顶端,除极少数裸露的岩石之外,几乎完全被永久性积雪和冰川所覆盖。拉森A冰架于1995年1月发生崩解,研究区为拉森A冰架崩解后的区域范围,面积约700 km2(图1)。

图1 研究区分布图.底图为南极洲陆地卫星镶嵌图LIMA,长城站位于拉森A 西北部南设得兰群岛乔治王岛上,中山站位于埃默里冰架拉斯曼丘陵上(图中红点位置),放大图中的红色方框部分为精度验证样本分布的位置Fig.1.Location of study area.The base image is LIMA,a Landsat Image Mosaic of Antarctica.Great Wall Station is located on King George Island in the South Shetland Islands northwest of Larsen A,and Zhongshan Station is located on the Larsemann Hills of the Amery Ice Shelf (red dot).The red box in the enlarged figure shows the location of the sample distribution for accuracy verification

研究数据包括卫星影像、气温以及海温。影像数据用于提取冰面湖面积信息,影像包括南极洲陆地卫星镶嵌图LIMA(Landsat Image Mosaic of Antarctica)[24]和Landsat ETM+(Enhanced Thematic Mapper)/OLI(Operational Lander Imager) 15 m分辨率影像。LIMA 影像由超过1 000 景成像于1999—2003年间的陆地卫星ETM+影像镶嵌而成,这些影像在南极洲上空拼接成一幅几乎无云的影像。LIMA 有真彩色组合与假彩色组合两种,空间分辨率均为15 m。本文因使用归一化水体指数(Normalized Difference Water Index,NDWI)方法提取水体,故下载的影像为假彩色组合。冰面径流特征通常比其周围冰的颜色更深更蓝,利用LIMA 影像可明确识别冰面湖径流。Landsat为美国国家航天局(NASA)的陆地卫星,Landsat-7 卫星上的Landsat 增强型专题制图仪(ETM+)传感器以16天为重复周期自1999年7月以来几乎连续获得了全球的影像。Landsat-7 ETM+影像由8个光谱段构成,1～7波段的空间分辨率为30 m,全色波段8的分辨率为15 m。所有的频段均可以采集两种增益设置(高或低)中的一种,以达到提高辐射敏感度和动态范围的目的,其中第6波段可以采集所有场景的高低增益。每景影像的图幅近似大小为南北长170 km,东西长183 km。Landsat-8在 2013年 2月 11日发射升空,携带有OLI(Operational Land Imager,陆地成像仪)和TIRS(Thermal Infrared Sensor,热红外传感器)两个主要载荷。其中OLI 由科罗拉多州的鲍尔航天技术公司研制,TIRS 由NASA的戈达德太空飞行中心研制。

冰架表面融化多发生在南半球的夏季,为避免云、极夜等不利因素的影响,数据获取时间为每年的1—2月。另因2000—2003年、2011年和2013年Landsat 受云量影响较大,缺少有效的影像数据,导致这6年的数据缺失,所以本文搜集了埃默里冰架2004—2010年、2012年Landsat-7 15 m 分辨率的数据影像,以及2014—2019年Landsat-8 15 m 分辨率的数据影像。受云量等因素影响,本文只搜集到拉森A冰架2003—2008年、2012年和2016年的影像,其中2003年数据是利用LIMA 影像提取获得,2005—2008年和2012年为Landsat-7 影像,2016年为Landsat-8 影像,为方便研究,本文将 2003年的冰面湖面积看做1999—2003年间冰面湖面积的平均值。

一年中若出现多景质量较好的影像,选择冰面湖面积最大的影像为研究数据。Landsat 系列影像数据通过美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)的官方网站(http://earthexplorer.usgs.gov/)获得,LIMA 影像通过网站(https://lima.usgs.gov/)获得。具体如表1所示。

表1 遥感影像数据Table1.Remote sensing image data

气温与海温在气候变化中扮演着重要角色,在当前全球变暖的趋势下,气温的升高正导致南北极冰川融化加剧[25],而海温的变化则可反映海洋对大气和陆地的影响[26]。本研究选用气温与海温两项指标来分析气候变化背景下冰面湖的变化与大气系统和海洋系统之间的关系。其中,气温数据选用2000—2019年中山站(海拔18 m)与长城站(海拔10 m)的地面气象站气温数据,用于区域气候变化分析。中山站的气象数据最初是人工观测,在2002年之后有线遥测自动观测系统被用于气温等气象数据的观测。其中,月平均数据由日平均数据计算得到,而日平均数据采用国际标准时,即通过每天的00:00、06:00、12:00 以及18:00的观测数据得到。长城站自建立之后,其数据就被一些学者作为研究南极半岛气候变化的重要参考[27-28]。文中所用气象站数据通过由南极科学委员会资助的READER数据库获得[29]。海温数据选用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)地球系统研究实验室(Earth System Research Laboratory)物理科学部(Physical Sciences Division)的COBE-SST2 数据集(2000—2017年两个冰架区域的海表面温度数据)。COBE-SST2 数据源为日本海洋资料中心(Japanese Oceanographic Data Center)的监控数据,空间分辨率约100 km。该数据集通过估算全球平均海表温度长时间序列的偏差,对海表面温度进行了修正[30-31]。数据使用前根据研究区范围进行了裁剪和均值处理。

2 研究方法

2.1 冰面湖边界提取

在每年的1—2月的南极冰盖消融期,冰架表面分布着大量的消融中的冰、雪,以及被水体渗透而产生的蓝冰。在近红外波段,水体有极低的反射率,而在蓝绿波段水体却有极高的反射率,所以本文使用归一化水体提取指数NDWI 提取水体,公式如下:

式中,Band1为绿色波段,Band2为近红外波段,两者在经过全色波段与多光谱波段的融合后,空间分辨率由原先的30 m 提高到了15 m。阈值的选择通过参考相关文献资料和提取效果最终确定[18],每年的具体阈值见表1。

因研究区域没有更高分辨率卫星遥感影像可供使用,本文采用目视对比方法对遥感提取的水体结果进行了对比。样本以分布在冰架不同区域为原则,分别从两个冰架随机抽取了不同形状冰面湖12 组。直观目视比较结果表明,利用水体指数提取的冰面湖冰水边界与人工目视解译的结果具有较好的一致性(图2)。面积统计对比结果表明,遥感提取的冰面湖面积的总体精度为0.948(表2),其中:

目视解译是指凭借人的眼睛或光学仪器,依靠解译者的经验、知识和相关资料,通过分析、推理、判断,提取遥感图像中有用的信息的遥感图像解译手段,是地学研究和遥感应用的一项基本技能,该方法优点在于能够获得较高精度的数据,缺点是操作繁琐,耗时长。本文中总体精度是指12 组样本重合区域之和与目视解译结果之和的比值。

图2 NDWI 结果与目视解译结果对比Fig.2.NDWI results were compared with visual interpretation results

表2 NDWI 结果与目视解译面积对比Table2.Comparison of NDWI results with visual interpretation area

2.2 冰面湖面积统计

对二值化后(这里是指图像的二值化)的研究区域影像进行预处理,得到冰架冰面湖区域矢量图。格式转换后,通过统计冰架研究区域的像元面积和像元数量,就可以得到每一年冰架的冰面湖面积。通过分析统计每一年的冰面湖面积值,可以获得冰架表面冰面湖的动态变化情况。

2.3 相关性分析

分别对埃默里冰架与拉森A冰架冰面湖数据、气温数据、海温数据进行时间序列分析,总结两区域冰面湖变化特征,分析区域气候变化规律,并利用皮尔逊相关系数将冰面湖数据分别与气温数据、海温数据进行遥相关分析,探讨气候变化与冰面湖之间的联系。皮尔逊相关系数计算如下:

式中,X、Y代表输入变量,E为数学期望,D为方差,Cov(X,Y)为两个变量的协方差。

3 气候变化对冰面湖的影响分析

3.1 气温变化

冰面湖的形成多发生于1—2月,本文着重分析1—2月的气温变化。利用中山站与长城站2000—2019年1—2月的地面站气温数据,计算得到每年1—2月的平均温度值并绘制曲线图。图3显示,2000—2019年间,中山站月均气温最低的年份发生于2000年,为–3.1℃,月均气温最高的年份则为2003年,温度0.05℃。2000—2003年,气温有明显上升趋势,2003年后气温开始下降,直至2008年,气温达到–2.45℃,下降趋势消失,并出现为期4年的波动。2011—2015年,气温逐渐上升,直至2015年,气温再次出现波动,但在2011年之后,最低气温下限一直在上升,这表明该区域气温总体呈上升趋势。图中趋势线为该区域气温的二次多项式拟合,二次项系数为负,开口向下。趋势线显示该区域在2000—2019年,气温存在上升趋势,但增速趋缓。需要说明的是,文中图3—图8中的趋势线都为数据的二次多项式拟合。

长城站气温1—2月月均气温有轻微降低趋势(图4),但下降速度趋缓。2000—2009年气温呈阶段性上升,2010年可能经历了极端天气,气温出现短暂的急剧下降,达到这 20年来最低值0.35℃,在2011年回暖之后,气温再次出现波动。趋势线二次项系数为正,开口向上,同样在2010年出现最低值,趋势线总体显示该区域气温存在先减小后上升的趋势。

图3 中山站2000—2019年1—2月月均气温变化Fig.3.Average temperature change at Zhongshan Station from January to February of 2000—2019

图4 长城站2000—2019年1—2月月均气温变化Fig.4.Average temperature change at Great Wall Station from January to February of 2000—2019

3.2 海温变化

2000—2017年埃默里冰架海域1—2月月均海温呈上升趋势(图5),2007年为月均海温最低的一年,只有–1.843℃,最高的月均海温发生在2017年,为–1.712℃。2000—2007年,气温一直在上下波动,周期约为3—4年。2008—2017年,除2011和2014年海温有所下降外,其余年份皆上升。图5中趋势线二次项系数为正,且整体同样呈上升趋势。拉森A区域海温上升趋势也较为明显(图6),最低海温出现在2000年,为–0.217℃,在经历2000—2006年的海温快速上升后,2006年达到18年来最高月均海温0.643℃,期间只有2004年有小幅度下降。2006—2012年,海温经历了两次下降,周期为3—4年。2013—2017年,海温在经历2014年的短暂下降后再次回升。趋势线二次项系数为负,开口向下,趋势线显示,在2009年前,该区域海温增加趋势较为明显,增速较快,但在2009年后,海温增速明显减缓。

图5 埃默里冰架海域2000—2017年1—2月月均海温变化Fig.5.Average SST change on Amery Ice Shelf from January to February of 2000—2017

图6 拉森A冰架2000—2017年1—2月月均海温变化Fig.6.Average SST change on Larsen A Ice Shelf from January to February of 2000—2017

3.3 冰面湖面积变化

埃默里冰架2004—2019年冰面湖面积年际变化呈减少趋势(图7),其中2005年冰面湖面积最大,达1 219 km2,2005—2007年,面积出现明显下降,2007—2012年,冰面湖面积一直维持在较低的水平,并有一定程度的下降。2012—2019年,冰面湖面积呈现一定的增加趋势,2019年冰面湖面积再次突破1 000 km2,达到1 144 km2。图7趋势线二次项系数为正,开口向上,R2为0.4534,说明拟合较好,趋势线显示埃默里冰面湖面积先减后增,且在2012 后,变化速度有增加趋势。2003—2016年,拉森A冰面湖面积整体呈增加趋势(图8)。2003—2006年,冰面湖面积有明显的增加趋势,2006年后,则开始下降,直到2012年下降趋势趋缓,之后再次快速增加。图8趋势线二次项系数为正,开口向上,R2为0.332 6,趋势线显示拉森A冰面湖面积增加趋势明显,且增速可能会有所提升。

图7 埃默里冰架2004—2019年冰面湖年际变化Fig.7.Annual variation of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf from 2004 to 2019

图8 拉森A冰架2003—2016年冰面湖年际变化Fig.8.Annual variation of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf from 2003 to 2016

3.4 冰面湖面积变化与区域气温和海温相关性分析

3.4.1 埃默里冰架

埃默里冰面湖面积与区域气温的相关性分析显示,2004—2019年两者变化趋势并不完全相符(图9),相关系数为0.377 52(图10a)。2004—2012年,冰面湖与气温相关系数为0.214 36(图10b),2010年后,冰面湖面积与温度的变化高度一致,呈正相关关系,相关系数0.786 87,达显著水平(P=0.04<0.05)(图10c)。2004—2017年,埃默里冰面湖面积与区域海温一致性较差(图11),相关系数只有0.004(图12a),2004—2012年,两者相关系数为0.051 36(图12b),2012年后相关系数也只有0.003(图12c),均未超过0.1。综合以上分析,说明该冰架冰面湖对气温变化敏感,但与海温间的关系并不明显。

上述观点也与Golledge 等[32]的认识一致,区域尺度的风型和局部冰反照率可以很好地解释这一现象[16,33]。在冰架接地线附近低海拔地区,经常受到来自冰盖内部的持续的下降风影响,当它向下吹时会使空气变暖并与之混合,导致夏季近地表的温度可能比冰上或冰下的地区高出3℃,接近地面的融水产量比其他地区高出一倍[18];另一方面低反照率的蓝冰、冰原岛峰和冰屑因太阳能吸收的增加而加速融化[34]。蓝冰来源于雪的升华、融化以及风蚀作用[35],并且通常与冰原岛峰相邻[36]。崎岖的地形会产生疾风,而低反照率的岩石会使气温升高[37],冰融和风蚀作用扩大了裸岩的面积,导致了升温、冰融、裸岩和蓝冰之间的耦合。但形成在基岩地形和冰流相互作用的地表洼地上的冰面湖[38],面积受非气候变化因素影响,这可能使得2010年前后冰湖对气温变化的响应产生差异。

海温作用不能有效穿越冰架基底和边缘可能是海温与埃默里冰面湖相关性较差的重要原因。首先,埃默里厚厚的冰层会限制基底融化对冰面湖的影响,海水在冰架基底冷却的过程中,随着热量与盐分的析出会产生高盐低温的冰架水[39],这种水团温度在–1.9℃以下,低于区域海温[40],作为南极第三大湾的普里兹湾,其海湾地形虽然限制了冰架水与开阔海洋之间的交换,但也会促进上述过程[41];其次,因接地线附近的冰面湖沿排水系统向下流向冰架内部,融冰的大量产生会使得冰架边缘温度下降[42],这会阻碍海温透过冰架边缘向冰架内部传导。

图9 2004—2019年埃默里冰架冰面湖面积变化与区域内1—2月月均气温变化对比Fig.9.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf and the average temperature in the region from January to February of 2004 to 2019

图10 埃默里冰架冰面湖面积与区域内1—2月月均气温相关性分析.a)2004—2019;b)2004—2012;c)2012—2019Fig.10.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf with average temperature in the region from January to February.a)2004—2019;b)2004—2012;c)2012—2019

图11 2004—2017年埃默里冰架冰面湖面积变化与区域内1—2月月均海温变化对比Fig.11.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf and the average SST change in the region from January to February of 2004—2017

3.4.2 拉森A冰架

拉森A冰面湖与长城站气温数据分析结果表明(图13),2005—2008年,两者虽存在短暂的一致,但两条曲线变化趋势总体存在较大差异,相关系数只有0.0140(图14a)。2016年冰面湖数据与之前数据相差四年,所以在去除2016 数据后,再次进行相关分析,相关系数为0.370 56(图14b),依旧为弱相关。拉森A冰面湖面积与1—2月月均海温进行对比(图15),在2003—2008年,两者表现高度一致,虽然2009年冰面湖数据缺失，但可以发现2008—2012年海温与冰面湖面积皆经历了先下降后上升的过程，同样具有一致性，因2012—2016年，冰面湖面积数据存在缺失较多，所以该时段二者趋势无法判断。2003—2016年两者相关系数为0.290 37(图16a),但在2003—2012年两者相关系数达到0.952 37(极显著相关,P=0.003<0.01,图16b),说明拉森A冰面湖面积的变化主要受海温变化的影响。

图12 埃默里冰架冰面湖面积与区域内1—2月月均海温相关性分析.a)2004—2017；b)2004—2012；c)2012—2017Fig.12.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Amery Ice Shelf with average SST in the region from January to February.a)2004—2017;b)2004—2012;c)2012—2017

拉森A 周边海域水团众多[43],而拉森A冰架作为海洋性冰盖,会受到水团的剧烈影响。有研究表明拉森冰架融化与1970年以来威德尔海深层水变暖有关[44]。Nicholls 等[45]通过观察冰架底部的流出物,推导出冰架水是改进的威德尔海深层水与大气相互作用后冷却至表面冰点的结果,这证明了温暖的洋流可以进入冰架腔洞,进而加剧拉森冰架的融化。Nicholls 等观察的流出物来自整个冰架,所以他们的推论是普遍适用的,从而在拉森冰架A和威德尔海洋条件之间建立起联系,Holland 等[46]的模型也证明了这一点。除此之外,由地表融水融化冰架产生的热盐环流也会促进冰架的融化[47]。

图13 2003—2019年拉森A冰架冰面湖面积变化与区域内1—2月月均气温变化对比Fig.13.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf and the average SST change in the region from January to February of 2003—2019

图14 拉森A冰架冰面湖面积与区域1—2月月均气温相关性分析.a)2003—2019;b)2003—2012Fig.14.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf with average temperature in the region from January to February.a)2003—2019;b)2003—2012

图15 拉森A冰架冰面湖面积变化与区域内1—2月月均海温变化对比Fig.15.Comparison of the area changes of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf and the average SST change in the region from January to February of 2003—2017

南极半岛周围的冰架在最近几十年不断地后退,人们普遍认为与快速的大气变暖有关[48],但拉森A冰面湖对区域气温变化并不敏感,这与南极西部松岛冰川(the Pine Island Glacier)和斯韦茨冰川(Thwaites Glacier)的研究成果一致[16]。King等[49]就焚风对拉森C冰架表面融化影响进行了研究,发现焚风对冰架表面融化具有重要影响,而焚风的强度由气温和相对湿度决定。说明气温对拉森A冰架表面直接影响较弱,但可与其他气候因素综合作用于冰面湖的形成。

图16 拉森A冰架冰面湖面积与区域内1—2月月均海温相关性分析.a)2003—2016;b)2003—2012Fig.16.Correlation analysis of the area change of supraglacial lakes on Larsen A Ice Shelf with average SST in region from January to February.a)2003—2016;b)2003—2012

4 结论与讨论

本文利用中山站与长城站的2000—2019年气温、NOAA 2000—2017年海表面温度数据以及遥感影像提取的冰面湖数据,对埃默里冰架与拉森A冰架区域内的气温、海温、冰面湖变化进行了趋势分析,在此基础上分析了气温、海温变化对冰面湖变化的影响。研究发现埃默里冰面湖对气温变化更为敏感,海温在埃默里冰面湖形成中的影响却并不显著,这可能与南极东西部冰盖下基岩地形的几何形状、冰层厚度的区域差异以及冰架水和融冰的综合作用有关。拉森A冰面湖则相反,因为威德尔海深层水的存在而与区域海温联系较为密切,但其与区域气温的关系并不显著。

埃默里冰架区域随着气温上升,涌入普里兹湾的冰流和冰川融水将会增加,这很大程度会影响普里兹湾的热盐环流,使海温下降,普里兹湾一直被认为是南极底层水的潜在生成地,普里兹湾海温下降,很可能影响南极环流温度,缓解气候变暖。两冰架区域海温升高是整个南极周边海温升高的缩影,升高的海温一方面会进一步促进海温敏感区的冰川融化,加速海平面上升;另一方面通过与南大洋的物质交换,对世界范围的热盐平衡产生深远影响。

由于南极影像数据的缺乏,本研究主要采用了中等分辨率的Landsat 影像和产品的冰面湖面积信息,未来将会综合空间分辨率更高的Sentinel 10 m影像对冰面湖数据集进行延长,并尝试寻找更多的遥相关证据,探索气候变化对冰面湖更为全面具体的影响机制。因为气象观测资料长度有限,区域气候变化更为长期的变化规律以及对冰面湖变化的影响需要搜集更多资料做进一步研究,后续研究将使用更多的气象资料,特别是再分析资料,并选择更多的样区来开展进一步工作。