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2003年南极威德尔海至普里兹湾之间海冰分布研究

作者：唐述林； 李志军； 康建成； 周尚哲

摘要：2003年1月4日至17日期间，中国科考船雪龙号在南极威德尔海至普里兹湾之间收集了走航海冰观测数据(海冰密集度、冰厚度、地形和雪厚度等)。我们同步收集了来源于美国国家冰雪中心(NIC)的2003年1月第1个星期的南极海冰分布图资料，并通过对实测数据和美国国家冰雪中心的南极海冰卫星数据的海冰的密集度和厚度分布数据进行比较分析。对海冰密集度的分析结果表明，位于航行路线沿线2000到4100 km之间的大规模开放水域是由海冰漂流造成的。在冰厚度为30至120 cm的研究地区中，我们主要研究对象大多数为平整的一年冰。我们还测量出了覆盖的积雪厚度。我们的结果显示，无论在冰密集度还是冰厚度分布上，走航实测数据和卫星远程遥感数据之间都存在紧密关联。

关键词：研究；海冰；分布；南极；

1、引言

由于海冰能反射太阳辐射，并可以调节海洋和大气之间的相互作用，所以海冰在全球气候系统中起着重要作用。Adrian等人提出海冰在气候系统中如此重要，主要是由于其高反照率(通常为0.6~0.9，与其相较，开放水域的反照率仅为约0.1）；以及海冰作为绝缘层，在海气之间所起的绝热作用。冬天，海冰内开放水域(冰间湖)所在一带或一区的能量流动会比被海冰覆盖区域的高一到两个数量。南极海冰与浮冰的流动性很大，在南极沿岸地区每天可以移动60 km以上。许多研究表明海冰覆盖率变化和全球温度变化之间存在联系，这种变化可以通过准确计算海冰质量平衡来监测。而这需要海冰范围、密集度和冰厚度等数据。Beth等人发表了通过实测得到的数据与NIC卫星资料进行比较的研究。然而，他的研究只有罗斯海的一小部分数据。对大规模、持续的海冰观测记录的需求度仍然很大。通过对现场测量、卫星资料中的海冰分布、开放水域进行分析，我们将重点集中在走航观测和NIC海冰卫星数据对海冰特点的判断之间的关系上，尤其是在“发展阶段”，验证现场测量海冰数据和NIC卫星资料海冰分布图得到的冰厚度之间的对应关系。

2、数据收集和处理

中国科考船M.V雪龙号于1月2日从南极洲的长城站出发，并于1月4日从59 °56 rsquo;S，040 °41 rsquo;W开始实时海冰观测，于1月17日在69 °16 S，076 °09 rsquo;W南极洲普里兹湾结束观测。总冰观测的行进距离为6464 km(图1)。数据分析处理方法依据国际南极研究科学委员会（SCAR）和澳大利亚南极局推荐的技术，是SCAR ASPeCt (南极海冰形成和气候)项目的首选方法，用于进行系统的、可量化的海冰厚度和特征的走航观测。对沿航线上的海冰的观测包括：船舶位置和船舶周围半径约1 km范围内海冰整体密集度、覆盖区域、冰厚度、浮冰尺寸、形态特征和海冰的表面积雪厚度等。此外，在航线上使用数码摄像机和数码相机获取船舶所遇海冰状况的永久记录。并基于像素分析技术，将视频图像获取的海冰密集度和冰层厚度用于对可视观测数据进行校准。将已知直径的参照球悬挂在船的一侧，在破冰过程中用于判断海冰厚度。每当实时观测完成后就立即进行校准，并记录下实时图片。气象数据可从M.V.雪龙号气象站上收集，GPS记录船舶位置。所有数据质量检查、计算和初步处理均在航程过程中执行。期间， 基于2002年12月30日、2003年1月3日遥感数据的解释分析的NIC海冰分布图可从美国国家冰雪中心(NIC)获得。

图1走航观测路线。A:起点 B:终点 虚线:观测路线

3、结果与讨论

图2 从1月4日到17日，M.V.雪龙号航线沿途海冰密集度。虚线:走航观测的海冰密集度；实线：NIC海冰密集度

如图2所示，走航观测显示沿途海冰密集度在10%至80%之间，大部分观测结果在10 %到20%之间。结合地形记录，我们遇到的海冰主要是平整的一年冰。结合距离1000至1600 km以及4100至6000 km的NIC海冰分布图、海冰零值曲线，可以看出本船不在海冰区，而其他零值是由于浮冰内的开放水域造成的。特别是，2000至4100 km距离之间的曲线零值说明由海冰漂移和扩散产生的大规模开放水域与海冰动态过程有关。Silvia研究表明，强劲的东风(沿着海岸的强东风)推动着海冰在威德尔海海域聚集，而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水域。基于耦合气候模型，Oleg等人提出，除了海岸地区附近外，南极洲周围的流行平均西风有利于南极海冰向北的埃克曼漂移。在北方漂移过程中，海冰融化并用淡水补充了南极中层水(AAIW)。走航观测以及NIC海冰分布图的数据清楚地表明，中威德尔海到东威德尔海之间的海冰积累。走航观测结果与NIC海冰分布图得出的海冰密集度之间进行了顺利对比，从NIC获取数据限制造成的时间滞后的影响不大。2000 km的巡航后，每周冰分析得出的冰密集度不可用。走航观测包括多脊冰总和、平整冰和雪厚度， NIC海冰分布图是基于对遥感数据的解释和分析得出的，如图2所示为两个数据集结果之间差异的原因。首先，对有限的区域范围来说，走航观测可能低估了在值点78、572.5、609.3和652.0 km处的大面积开放水域的海冰密集度，海冰密集度过高可能发生值点799.6和953.2 km处，这使由于冰川直径超过2000 m。其次， 从航线的l692.6到2348.7 km获得的两个数据集之间的差异，可能是由于船到达该区域5天后的冰融化和靠近向北海冰边缘扩散造成的。因此来自NIC的每周冰分析可以为走航密集度数据进行校准。

图3 来自走航观测的海冰厚度和积雪厚度，M.V.雪龙号从1月4日到17日延巡航路线

Worby等人提出当对走航数据进行仔细观测并进行质量控制时，该数据可以成为独特且高度可变的南极海冰厚度数据来源。M.V.雪龙号沿巡航路线进行走航观测获得的海冰厚度分布和覆盖积雪数据如图3所示。海冰走航观测结果显示在研究区域内的海冰冰厚度在15至150 cm之间，大多数数据集中在30至120 cm。观测数据显示主要为一年冰，且覆盖积雪厚度为3到80 cm。198.2 km处的冰厚度高达150 cm是由于前一年的残余多年海冰造成的。NIC海冰分布图包含一个被称为“发展阶段”的厚度代表，在此基础上对一系列冰层厚度的描述均在世界气象组织(WMO)标准定义的冰类型下进行。基于航空侦察、视觉和红外AVHRR(先进高分辨率辐射计)、OLS(操作行扫描仪)图像和简单模型,2003年1月的第一个星期期间的每周海冰分布图显示了研究区域内所有的一年冰。海冰分布图中的代码“发展阶段”为6和7，这分表代表一年海冰(30~120 cm)和一年薄海冰(30~70 cm)。联合分析显示了走航观测和远程遥感海冰分布图之间的紧密关联。根据这些研究，根据不同航程的远程遥感数据和长距离实测估算，每周海冰分布图可以提供更为准确且有价值的南极海冰信息，这对全球气候研究至关重要。

4、致谢

我们衷心感谢美国国家冰雪中心提供的海冰分布图资料。衷心感谢中国第19次南极科考队领队Wenliang Wei先生、以及M.V.雪龙号号的船长及船员对我们实地测量的提供帮助。

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