夏季南极威德尔海至普利茨湾之间海冰的特性研究.doc

夏季南极威德尔海至普利茨湾之间海冰的特性研究第13卷第3期2006年5月地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity)Vo1.13No.3May2006夏季南极威德尔海至普利茨湾之间海冰的特性研究唐述林,秦大河,任贾文,康建成1.中国科学院冰冻圈与环境联合重点实验室,甘肃兰州7300002.上海师范大学,上海200234TANGShulin,QINDa-he,RENJiawen,KANGJiancheng1.KeylaboratoryofIceCoreandColdRegionsEnvironment,CAREERI,CAS,Lanzhou730000,China2.ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,ChinaTANGShu-lin,QINDa-he,liENJia-wen,eta1.SeaicecharacteristicsbetweenMiddleWeddellSeaanderydzBay,Antarcticduringthe2003Australiansllnllner.EarthScienceFrontiers,2006,13(3):213218Abstract:TheAntarcticseaicewasinvestigatedonfiveoccasionsbetweenJanuary4andFebruary15,2003.Theinvestigationsincludedthefollowing:(1)estimationofseaicedistributionbyship-basedobservationsbetweenMiddleWeddeUSeaandPrydzBay;(2)estimationofseaicedistributionbyaerialphotographyinthePrydzBay;(3)directmeasurementsoffasticethicknessandsnowcover,aswellasicecoresamplinginNellaFjord:(4)estimationofmeltingseaicepatternsneartheZhongShanStation;and(5)observationofseaiceearlyfreezingneartheZhongShanStation.Onaverage,seaicecovered14.4ofthestudiedarea.Firstyearicewasdominant(99.799.8).Seaicethicknessrangedbetween15cmand150cm.Thehighestseaiceconcentration(80)wasobservedinWeddellSea.Alargeareaofopenwaterwasobservedbetween59.56Sand69.22Sand040.41Wand076.23E.TheobservedresultsvalidatetheSilviamodelofseaicedrifting.SeaicedistributionsinPrydzBayweremorevariableduetothecomplexon-shoretopography,theproximityoftheLarsemannHills,and/orthegroundedicebergs.TheaveragethicknessoflandfasticeinNellaFjordwas169.5cm.WindblownsnowredistributionandthedifferentradiationsplayedanimportantroleinaffectingtheicethicknessinNellaFjord.PreliminaryfreezingofseaiceneartheZhongShanStationconformedtothefirsttwophasesofthePancakeCycle.Keywords:Antarctic;seaice;WeddellSea;ZhongShanStation摘要:2003年1月4日至2月15日期间,在5种不同情况下对南极海冰进行了调查研究.包括:(1)基于走航观测的威德尔海至普利茨湾之间海冰分布研究;(2)基于航空拍摄的普利茨湾海冰分布研究;(3)纳拉海峡固定冰和上浮雪厚度钻孔测量以及冰心钻取;(4)中山站附近融化冰的分布研究以及(5)中山站附近海冰早期冻结过程观测研究.结果表明,威德尔海至普利茨湾之间走航观测得到的海冰全部密集度为14.4,大部分冰(99.799.8)属于一年冰,观测到冰的厚度在15150cm.沿观测航线上海冰最大密集度(80)出现在威德尔海,从59.56S到69.22S以及从040.41W到076.23E的区域分布着广阔的水域.这一结果验证了Silvia的海冰漂移理论.普利茨湾沿岸海冰受制于沿岸地形,拉斯曼丘陵以及搁浅冰山的影响,其密集度呈现较大的空间变化.钻孔测量显示,纳拉海峡固定冰平均厚度为169.5cm.风吹雪的重分布以及日照强度差异是导致纳拉海峡固定冰厚度差异的主要因素.观测表明,中山站附近海冰早期冻结遵循收稿日期:2006一O1一;修回日期:20060205基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271026);中国科学院重要方向资助项目(KZCX3一SW354);科学技术部国际合作资助项目(2()(】1cB7l】()(】3);科学技术部基础研究项目(2001DIAS004003)作者简介:唐述林(1968),男,博士后,主要从事极地海冰和全球变化研究.E-mail:214軎述林,秦大河,任贾文,等/地学前缘(FrthScienceFrontiers)2006.13(3)Lange的海冰早期冻结过程饼状循环最初的两个阶段.关键词:南极;海冰;威德尔海;中山站中图分类号:P731.15文献标识码:A文章编号:10052321(2006)03021306布的季节循环.有很多研究者也观测和研究了海冰的冻融等物理过程1618.然而,因为在南大洋考察的航次不多,海冰现场观测数据缺乏仍然是个问题,特别是在南极海冰带相对较长距离的观测数据.针对这一不足,本文就2003年夏季南极威德尔海至普利茨湾间海冰特性进行了探讨研究.这些研究包括:(1)海冰分布走航观测调查研究;(2)通过航拍确定海冰的密集度覆盖;(3)普利茨湾固定冰厚度分布研究.野外工作在中国第19次南极考察期间得以完成.1野外工作(1)海冰走航观测:在雪龙号从南极长城站前往南极中山站的途中完成走航观测.从2003年1月4日至17日,从A(59.56S,40.41w)到B(69.22S,76.23E)(图1),对沿雪龙号航线上的海冰进行了每小时一次系统,定量的观测.观测要素包图1第19次中国南极考察中海冰走航观测雪龙号的航线(6464km)和航距(10006000kin)Fig1Mapshowingthecruisetrack(6464km)ofM.VXueLong,4to17Jan,2003.Thetrackdistances(10006000kin)arealsoshownA,B分别为海冰观测的起点和终点(2)航空拍摄以及固定冰现场测量:2003年1月24日15:30到16:O6,利用船载直升飞机小松鼠(AS350B2)从中山站起飞,配备索尼DCR-TRV18E数码摄像机,索尼笔记本电脑以及佳能PowerShotG2数码照相机,在普里茨湾海域浮冰区上空7001TI左右高度飞行约80km,时速控制在41m/s左右.GPS接受仪记录直升机飞行航线和关键航点(图2).数码影像记录飞行区域海冰分布特征,浮冰尺寸,开阔水域,拍摄时间.数码照相机通过USB接口和电脑连接,通过G2数码相机控制软件设定,每1O秒钟采集22721704像素的海冰数码照片一幅,以便确定冰密集度和浮冰尺寸.2003年1月2427日,在纳拉海峡现场测量壁!盎塑!鱼要!丝堂重堡fScienceFrontiers)2006,13f图2固定冰钻孔布置图(NL1到NL4)以及拉斯曼丘陵区域航拍路线(左上角)图Fig.2Thedrillingsitesdistribution(NL1toNL4)onfasticeandtheflighttracks(topleftcomer)overLarsemannHills右上角箭头指示盛行风向,No1和No2分别表示海冰融化观测点和早期冻结过程观测点表12003年夏纳拉海峡海冰钻孔测量以及冰心钻取汇总Table1SeaicedrilledmeasurementsandicecoresamplinginNellaFjord,PrydzBay,2003了固定冰的厚度以及上浮雪的厚度.同时采集了海冰冰心,用来分析海冰物理结构,盐度测试以及稳定氧同位素分析等.这些测试和分析将在其他文章中加以描述.现场沿盛行风向布置了4个测点(图2).钻孔和取样结果参见表1.其余现场工作还包括在1月2O日在中山站附近,基于船载小艇的海冰融化观测(图2的No.2)以及2月13日的海冰早期冻结观测(图2的No.1).另外,我们也同步收集了气象资料和来自美国冰雪中心的南极海冰卫星数据.2海冰特性(1)海冰分布:走航观测数据和冰图数据显示,2003年南半球初夏从59.56S到69.22S以及4O.41w到76.23E的区域分布着广阔的水域zo-.威德尔海区域海冰密集度较大,主要以一年冰为主215(99.799.8).这一结果和Silvia(2001)的研究结果相似2.Silvia研究表明,强劲的东风推动着海冰在威德尔海域聚集,威德尔旋回的北支则促使海冰向北漂移而形成观测到的广阔的水域.走航观测显示海冰的密集度在1O到8O之间变化,大部分在1O到2O(图3).据Gloersen等(1992)研究结果引,南极海冰及上浮雪覆盖从二月份的约410km到九月份的约1910km,因此,观测航线上所遇到的海冰,其范围和厚度均处于季节减小过程中.基于走航观测数据,海冰的全部密集度为l4.4.分析普利茨湾的航拍数据显示海冰密集度在1O到100,而浮冰尺寸在10m到500m不等(图4).由于普利茨湾沿岸的地形,拉斯曼丘陵以及搁浅冰山对于海冰动力过程的影响,那里的海冰密集度变化很大.海冰在冰山或者相对较大浮冰的顺风侧聚集,相反,在这些屏障的背风一侧海冰发散,浮冰尺寸也相对较小,甚至为开阔水域.部分216唐述林,秦大河,任贾文,等/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2006,13(3)图32003年1月4日至l7日期间,沿雪龙航线上海冰密集度,冰雪厚度分布图Fig.3Seaiceconcentrations,thicknessandsnowcoveralongthetransitrouteofM.V.XueLongbetween4and17,January20031000km至1600km以及2000km至6000km之间全部为开阔水域图4海冰密集度和浮冰尺寸随时间的变化图Fig.4Thevariationsofboththeseaiceconcentrationandthefloesizewithtimes实线:海冰密集度.虚线:浮冰尺寸.考虑到时间和飞行速度,海冰密集度和浮冰尺寸随时间的变化也可以转变为随距离的变化区域显示了朝海方向冰间水域加大以及浮冰尺寸减小的趋势(图5).相对于东南极其他区域,观测到普利茨湾的夏季海冰呈现融化滞后.有关这一滞后过程是否有助于区域夏季温度的降低,还有待进一步研究.(2)海冰及其上浮雪厚度:海冰走航观测显示,冰厚度在15150cm之间变化,大部分观测值介于30120cm(图3).水平冰的平均厚度为58.75cm,冰脊冰的平均厚度为62.35cm.大部分观测点分布在冰区边缘(图1).在西威德尔海,Wadhams(1987)等通过钻孔测量和走航观测发现2,水平浮冰(全部区域的平均值,包括开阔水域)的厚度在冰区边缘为30em,到沿岸增加到60cm.Allison等(1993)研究表明1,印度洋区域水平冰平均厚唐述林,秦大河,任贾文,9/她学首缘(EarthScienceFrontie理2!兰(兰2217图5700m上空拍摄到的海冰显示其不同的分布形式Fig.5Aerialphotosoverseaiceatapproximate700mshowingthedifferenticedistributionformsa冰山附近的海冰;b,C,d丘陵附近的海冰分布显示随着远离丘陵,浮冰尺寸变小度仅为3040cm,其厚度值随着向南的距离增加而增加.由于多年冰的出现,在威德尔海观测到了海冰厚度的最大值为150cm.在纳拉海峡固定冰钻孔测量中,NL4点的厚度最大,为201cm,4个钻孔得到的海冰平均厚度为169.5cm(图2,表1).有两个方面的因素导致了NL1和NL4之间海冰的厚度存在着很大的差异.第一是纳拉海峡周围地形的影响使得两边具有不同的太阳辐射热量吸收,I1点比NL4点所在的位置吸收的太阳辐射较多,冰雪融化也相对较强.第二是盛行风的作用,NL4点有更多的积雪参与了海冰的组成,使海冰加厚l2.在纳拉海峡的NL4点,附加冰的形成对于海冰的厚度影响也不容忽视_2.通常一旦降雪,由于盛行风吹雪重分布,在很大程度上影响了雪的厚度分布_3.结果,在NL4(10cm)点比NL1(6.5cm)点有更多的积雪.风吹雪重分布也造成冰面雪遭剥蚀,似蜂巢的d,FL群发育等外观特征.走航观测得到的雪厚度介于38Ocm(图3),平均为16.54cm.有94.6的冰面被雪覆盖.在威德尔海的多年冰上观测到最厚的雪层(80cm).Massom等(2001)观测发现南极310m厚度的多年冰上浮雪厚度可以达到100cmE31.(3)融化冰分布特征:据中山站附近融化冰的观测结果,崩塌的海冰(也包括冰山冰)呈现棱角,次棱角不规则块状形态,冰表面普遍可见融化水流.碎冰聚集在碎冰带.在选定的有代表性的50m.区域范围内,观测统计表明,碎冰直径介于2100cm,直径小于20cm的崩解冰约占统计区域面积的35,占全部崩解冰覆盖面积的4O左右,直径在2040cm的崩解冰约占统计区面积的3O左右,占全部崩解冰覆盖面积的35左右,直径大于40cm的崩解冰约占统计区面积的15,占全部崩解冰覆盖面积的25左右,统计区面积约2O的部分为海水.(4)海冰早期冻结:基于威德尔海的研究结果,Lange和Eicken(1991)把海冰的形成过程称之为饼状循环3.该循环可以概括为:(1)片冰晶体的形成阶段;(2)单个晶体聚集形成饼状冰阶段;(3)饼状冰粘结在一起形成大的复合饼状冰阶段;(4)复合冰组成新冰阶段.2003年2月13日,在中山站附近观测到了海冰形成的最初两个阶段(图2的No1).观测到冰晶在风和海浪的作用下聚集形成了粗糙的圆形饼状冰.但是由于时间的关系,在第19次南极考察期间我们没有观测到海冰冻解的其余两个阶段.3小结现场海冰调查显示:(1)在南半球夏季强劲的东风漂流导致海冰在威德尔海聚集.由于动力环境的制约,普利茨湾的海冰密集度和浮冰尺寸都呈现了较大的空间变化.(2)船基走航观测显示海冰的厚度在15150cm,而上浮雪厚度介于38Ocm.南拉海峡钻孔测量发现固定冰和雪厚度沿盛行风向存在增加的趋势,其平均值分别为169.5cm和6.5cm.(3)中山站附近融化冰呈现棱角,不规则块状形态,在选定的50m.面积范围内,碎冰的直径介于2100cm.(4)观测到中山站附近海冰的早期冻结遵循海冰早期冻结过程饼状循环的前两个阶段.感谢中国第19次南极科考队领队,雪龙号船长及全体船员在海冰考察中给予的大力支持和帮助;感谢中国飞龙公司以及直升机机长和机组人员协助完成海冰航空拍摄;感谢中山站气象站提供的气象资料,感谢大连理工大学李志军教授的野外协助.References:1WALSHJE.Theroleofseaiceinclimatevariability:theoriesandevidenceJ.Atmosphere-Ocean,1983,21:229242.218蜜述林,秦大酒.任贾文.等/地学前缘(EarthScienceFronHers)2006.13(3)2TANGShulin,KANGJiancheng,ZHOUShangzhe,eta1.183GOGINENISP,M00RERK,GRENFELLTC,eta1.SeaicaalbedoscharacteristicsinearlysummerbetweenMidTheeffectsofearlyfreezeandmeltprocessesonmicrowavedieweddellSeatoPrydzBay,Antarctic2oo3J3.JournalofsignaturesM/cARsEYFnMicrowaveremotesensingofLanzhouUniversity:NaturalSciencesEdition,2003,39(Supseaice.WashingtonDC;AmericanGeophysicalUnion.1992:p1):6770.329341.3LED1EYTSTheclimaticresponsetomeridionalseaice19w0RBY八ObservingAntarcticseaice:apracticalguidefortransportJ.JClimate,1991(4):147163.conductingseaiceobservationsfromvesselsoperatinginthe43RINDD,HEALYR,PARKINSONC,eta1.TheroleofseaAntarcticpackiceESS/ACD-ROMproducedfortheAntarcicain2CA32climatemodelsensitivity.Part1:thetotalinticSeaIceProcessesandClimate(ASPeCt)ProgramofthefluenceofseaicethicknessandextentEJ.JClimate,1995ScientificCommitteeforAntarcticResearch(SCAR)Global(8);449-463.ChangeandtheAntarctic(GLOCHANT)Program.Hobart.5lSIMM0NDsI,JACKATH.RelationshipsbetweentheinAustralia,1999.terannualvariabilityofAntarcticseaicaandtheSouthernOsr2OTANGShulin,LIZhijun,KANGJiancheng,eta1.AcasecillationJ.JClimate,1995(8):637647.studyofseaicedistributionbetweenMiddleWeddellSeato6STEFFENK,KEYJ,CAVAuERIDJ.TheestimationofPrydzBay,Antarctic2oo3J3.JournalofGlaciologyandGeogeophysicalparametersusingpassivemicrowavealgorithmscryology,2004,26(2):142145.M/CARSEYF.Microwaveremotesensingofseaicegeo一21sILAA,VENEGAs.Seaice,atmosphereandupperoceanphysmonogrser,WashingtonDC:AGU,1992,68:201231.variabilityintheWeddellSea,AntarcticaJ.JGeophysical7CA)MISOJC,KWOKRSurfaceandradiativecharacterisResearch,2001,106(8):1674716766.ticsofthesummerArcticseaicecoverfrommultisensorsatelE223GLOERSENP,CAMPBELLWJ,CAVALIERIDJ.eta1.1iteobservationsJ.GeophysRes,1992,101(C12):28397一ArcticandAntarcticseaice,19781987:satellitepassive-mi一28416.crowaveobservationsandanalysisEM.Washington13(2:8CA)MISOJC,CAVALIERIDJ,PARKINSONCL,eta1.NAsASpecPubl,1992:290.Passivemicrowavealgorithmsforseaicaconcentration:cornr23WADHAMSP,LANGEMA,ACKLEYSF.Theicethickpafisonoftwotechniques_J.JournalofRemoteSensingofnessdistributionacrosstheAtlanticsectoroftheAntareticotheEnvironment,1997,60:357384.ceaninmidwinterEJ3.JGeophysRas,1987,92:14535一E93BELCHANSKYGI,DOUGLASDC.Classificationmeth一14552.odsformonitoringArcticseaiceusingOKEANpassive/ac一243EICKENH,LANGEMA.HUBBERTENHW.eta1.tivetwo-channelmicrowavedataJ.RemoteSensingofEnviCharacteristicsanddistributionpatternsofsnowandmete,oricronment,2000,73(3):307322.icaintheWeddellSeaandtheircontfibutiontothemassbal一103BELCHANsKYGI,DOUGLASDC.SeasonalcomparisonsanceofseaiceEJ.AnnGeophys,1994,12(1):8O一93.ofseaiceconcentrationestimatesderivedfromSSM/I,E253EICKENH,FISCHERH,LEMKEEffectsofthesnowOKEAN,andRADARsATdataJ.RemoteSensingofEn-coveronAntarcticseaiceandpotentialmodulationofitsre-vironment,2002,81:6781.sponsetoclimatechangeJ.AnnGlaciol,1995,21:369376.11SCHEI.IENBEIGBA,DELIBERTYTL,GEIGERCA,厂26EICKENH.Derivingmodesanratesoficegrowthintheeta1.InvestigationofseasonalseaicethicknessvariabilityinWeddellSeafrommicrostructura1.salinityandstable-isotopetheRossSeaIf/ProceedingsofthelathsymposiumondataEM3/JEFFRIESMO.Antarctics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