科學(xué)通報 | 觀測刷新傳統(tǒng)認(rèn)知: 東南極冰蓋表面物質(zhì)平衡年代際顯著下降及環(huán)流調(diào)控機制

當(dāng)前, 全球氣候處于快速變化的階段, 人類活動導(dǎo)致的氣候變暖可能對地球自然系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈且難以預(yù)測的影響. 極地冰蓋作為氣候系統(tǒng)中最關(guān)鍵且敏感的組成部分, 是未來海平面變化預(yù)測中的最大不確定性來源, 同時, 其對全球變暖的響應(yīng)是當(dāng)前地球科學(xué)研究的核心議題之一. 南極冰蓋(AIS)作為地球上最大的淡水庫, 其質(zhì)量變化直接影響全球海平面的升降. 近幾十年來, 觀測數(shù)據(jù)顯示南極冰蓋質(zhì)量正經(jīng)歷加速損失, 這一過程主要集中于西南極區(qū)域和南極半島. 與西南極不同, 東南極冰蓋質(zhì)量損失量微乎其微, 甚至部分研究認(rèn)為該區(qū)域質(zhì)量略有增加. 這種東西南極冰蓋質(zhì)量變化的不對稱性, 可能源于熱帶-極地遙相關(guān)驅(qū)動下的大氣與海洋環(huán)流異常 [1] .

南極冰蓋的物質(zhì)平衡由“輸入”與“輸出”兩大過程共同決定. 其中, 輸入項主要體現(xiàn)為冰蓋表面的雪積累量, 該參數(shù)也被定義為表面物質(zhì)平衡(surface mass balance, SMB); 輸出項則包括冰蓋-基巖界面發(fā)生的基底融化, 以及冰流跨越接地線后向海洋輸送的冰量. 由此可見, 厘清表面物質(zhì)平衡的變化規(guī)律, 是深入理解南極冰蓋整體物質(zhì)平衡狀態(tài)的前提; 而準(zhǔn)確觀測南極冰蓋表面雪積累率, 更是科學(xué)評估冰蓋物質(zhì)平衡動態(tài)、揭示其與氣候變化內(nèi)在關(guān)聯(lián)的核心環(huán)節(jié).

近年來, 航空遙感、衛(wèi)星遙感等技術(shù)的發(fā)展, 顯著提升了南極冰蓋物質(zhì)變化的量化評估能力. 這些技術(shù)手段涵蓋衛(wèi)星測高、重力測量、大氣再分析產(chǎn)品、GPS觀測數(shù)據(jù)、先進統(tǒng)計模型及區(qū)域氣候模擬等, 為解析南極冰蓋動態(tài)變化提供了多維度、高精度的數(shù)據(jù)支撐. 現(xiàn)有研究已明確, 西南極冰蓋的質(zhì)量損失呈顯著加劇趨勢: 20世紀(jì)90年代其質(zhì)量損失速率約為53±29 Gt a–1, 到21世紀(jì)10年代已增至159±26 Gt a–1 [2] , 與之形成對比的是, 學(xué)界對東南極冰蓋物質(zhì)平衡的評估仍存在較大爭議與不確定性 [3] . 核心原因有二: 其一, 東南極冰蓋面積廣闊(約占南極冰蓋總面積的80%)且地處偏遠, 野外觀測難度極大, 難以精確捕捉其物質(zhì)平衡的時空波動特征; 其二, 當(dāng)前多數(shù)南極SMB研究依賴數(shù)值模型模擬, 而直接現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的稀缺、衛(wèi)星數(shù)據(jù)固有的背景噪聲等因素, 進一步放大了測量結(jié)果的不確定性.

在此背景下, 通過大范圍、長時間序列的野外實地觀測, 成為準(zhǔn)確評估數(shù)據(jù)極度稀缺的東南極區(qū)域冰蓋SMB的關(guān)鍵途徑. 盡管冰芯與雪坑觀測可記錄局部區(qū)域的SMB變率, 但這類數(shù)據(jù)可能僅能反映小空間尺度的變化, 無法代表大范圍的動態(tài)趨勢. 此前已有多項國際計劃嘗試在南極冰蓋建立觀測斷面, 旨在探究SMB的空間分布規(guī)律, 但受南極惡劣自然環(huán)境制約, 后勤保障成本極高, 導(dǎo)致這些觀測難以維持長期連續(xù)性, 數(shù)據(jù)的時間序列存在長時間中斷.

自2005年起, 我國在東南極內(nèi)陸建立了系統(tǒng)的、覆蓋多類型冰雪環(huán)境的冰川學(xué)觀測斷面. 該斷面從南極中山站(69.37°S, 76.37°E)延伸至東南極冰蓋最高點Dome A(80.37°S, 77.35°E), 全長 1248?km, 位于印度洋扇區(qū), 大致沿77°E分布. 在2005年中國第21次南極科學(xué)考察到2020年第36次南極科學(xué)考察期間, 每年沿該斷面對每隔2 km布設(shè)的約600個物質(zhì)平衡觀測桿的雪面高度進行測量, 最終構(gòu)建了覆蓋約15年(2005~2020)的中山站至Dome A冰蓋斷面表面物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集. 該數(shù)據(jù)集是目前全球范圍內(nèi)少數(shù)覆蓋南極冰蓋大范圍的連續(xù)觀測表面物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集(https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28091900).

通過對這套現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的趨勢分析表明: 2005~2020年期間, 研究斷面內(nèi)陸區(qū)域(距離海岸 600?km 至Dome A)的SMB存在顯著下降趨勢( P <0.01), 平均下降速率為–2.01± 0.37?kg?m –2 a–2, 15年間表面雪積累率減少了35.5%. 該結(jié)果與“東南極冰蓋表面雪積累穩(wěn)定或略有增加”的主流認(rèn)知形成鮮明對比. 值得注意的是, 這一下降趨勢在研究區(qū)域內(nèi)具有極強的空間一致性, 表明其驅(qū)動因素源于區(qū)域性氣候過程, 而非局部干擾.

為探究表面雪積累率下降的主要機制, 本研究選用歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)發(fā)布的第五代大氣再分析資料(ERA5)對導(dǎo)致雪積累率變化的大氣環(huán)流動力機制進行了分析, 該資料不僅在既有研究中被證實能夠可靠表征南極降水 [ 4 ~ 12 ] , 其變化趨勢也與本研究的實地觀測結(jié)果一致. 我們系統(tǒng)分析了熱力平衡、太陽輻射及大氣環(huán)流等關(guān)鍵氣象參數(shù)與氣候指標(biāo). 從氣溫變化來看, 中山站-Dome A斷面自動氣象站網(wǎng)的實測數(shù)據(jù)顯示, 2005~2020年期間, Eagle站(距岸線約 800?km, 位于雪積累率持續(xù)下降核心區(qū))與Dome A的年均近地面氣溫均呈微弱下降, 但統(tǒng)計檢驗不顯著( P > 0.05) [13] , 表明溫度并非驅(qū)動雪積累率下降的主導(dǎo)因素. 通過遠程遙相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 大氣環(huán)流調(diào)控的降水變化在對南極內(nèi)陸SMB的影響更為關(guān)鍵 [14] , 這與在南極冰蓋邊緣SMB更易受熱驅(qū)動的融水過程影響不同. 因此, 本研究聚焦區(qū)域環(huán)流模式, 識別出影響東南極內(nèi)陸水汽輸送與降水的兩大關(guān)鍵因素:

(1) 高層環(huán)流(250 hPa)的“緯向水汽通道阻隔”: 研究斷面內(nèi)陸區(qū)域(75°S~82°S)的平均降水, 與南印度洋扇區(qū)(60°E~90°E, 50°S~65°S)250 hPa緯向風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)( P <0.05). 2005~ 2020年期間, 南印度洋扇區(qū)極鋒急流顯著增強( P <0.05)且向極遷移, 不僅強化了緯向環(huán)流, 還收縮了極地渦旋, 直接削弱了低緯度暖濕空氣向高緯度南極內(nèi)陸的經(jīng)向輸送. 該過程在南半球冬、夏季(6~8月及12月~次年2月)表現(xiàn)最為顯著, 可解釋約80%的冬季降水減少.

(2) 中層環(huán)流(500 hPa)的“經(jīng)向水汽通道阻止”: 研究斷面內(nèi)陸區(qū)域(75°S~82°S)的平均降水與南印度洋(80°E~150°E, 50°S~65°S)500 hPa位勢高度(Z500)呈顯著正相關(guān)( P <0.05). 2005~2020年期間, 南印度洋的Z500呈顯著的負(fù)趨勢( P <0.01), 導(dǎo)致中層環(huán)流中的南印度洋低壓系統(tǒng)加深, 該低壓異常在研究區(qū)(77°E)激發(fā)異常離岸風(fēng), 阻止了海洋向內(nèi)陸的 “經(jīng)向水汽輸送”.

上述高層“緯向阻隔”減少低緯水汽來源, 中層“經(jīng)向阻止”影響海洋水汽向內(nèi)陸輸送, 兩者疊加導(dǎo)致南極內(nèi)陸水汽供應(yīng)減弱, 降水減少. 同時, 近地面離岸風(fēng)增強進一步加劇雪的升華與風(fēng)蝕作用, 最終表現(xiàn)為表面雪積累率的顯著下降( 圖1 ). 未來研究需進一步關(guān)注氣候系統(tǒng)中潛在的反饋環(huán)路: 南極表面物質(zhì)平衡的變化會影響冰蓋整體質(zhì)量和地表能量平衡, 而這種變化反過來又可能調(diào)控大氣環(huán)流模式, 形成動態(tài)反饋.

圖1

南半球高緯度區(qū)域大氣環(huán)流變化及其對研究區(qū)降水的影響. 上層: 對流層上層緯向西風(fēng)增強, 導(dǎo)致低緯度向東南極內(nèi)陸研究區(qū)域的經(jīng)向水汽輸送減少; 中層: 南印度洋上空氣候態(tài)低壓系統(tǒng)加深, 引發(fā)研究區(qū)域離岸風(fēng)增強, 進一步阻礙了大氣向內(nèi)陸研究區(qū)域的水汽輸入. 下層: 這些環(huán)流異常現(xiàn)象相互耦合, 共同導(dǎo)致研究區(qū)域表面積雪積累率顯著下降

對1979年以來的ERA5再分析數(shù)據(jù)的分析表明, 研究斷面降水最顯著的下降趨勢恰好出現(xiàn)在2005~2020年期間, 這與本研究觀測到的雪積累率變化趨勢高度一致. 此外, 南印度洋扇區(qū)250 hPa急流層西風(fēng)環(huán)流, 南印度洋東部區(qū)域的Z500以及研究斷面 10?m 離岸風(fēng), 均在該時期呈現(xiàn)出15年的顯著變化趨勢( P <0.10); 而在1979年至今的其他時間段內(nèi), 均未觀測到類似的15年尺度顯著趨勢. 值得注意的是, ERA5數(shù)據(jù)顯示, 2020~2024年期間研究斷面內(nèi)陸區(qū)域的降水趨勢發(fā)生快速逆轉(zhuǎn), 由此前的下降轉(zhuǎn)為增加, 這與近期報道的東南極部分區(qū)域SMB正異常現(xiàn)象一致 [15] . 該現(xiàn)象提示, 需進一步探索氣候遙相關(guān)(如南半球環(huán)狀模、印度洋偶極子、厄爾尼諾-南方濤動)對南極SMB影響的耦合機制.

盡管本研究聚焦區(qū)域性觀測與分析, 但其價值在于: 首次提供了東南極內(nèi)陸冰蓋SMB持續(xù)降低的直接觀測證據(jù); 揭示的“區(qū)域環(huán)流異常調(diào)控南極表面物質(zhì)平衡格局”的核心機制, 可推廣至整個南極區(qū)域; 通過記錄大空間尺度東南極內(nèi)陸冰蓋斷面表面物質(zhì)平衡的顯著、持續(xù)下降, 識別出一個此前被低估的氣候過程, 并提供了寶貴的實證數(shù)據(jù)用于校準(zhǔn)物質(zhì)平衡預(yù)測模型. 在當(dāng)前氣候變化加速背景下, 這類精細化認(rèn)知對準(zhǔn)確預(yù)測南極冰蓋物質(zhì)平衡未來演變趨勢、評估其對全球海平面上升的貢獻至關(guān)重要. 相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 Nature Geoscience [14] .

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