海冰是南極的一道亮麗風(fēng)景,其中固定冰是南極海冰的重要組成部分。
中山大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院極地遙感團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外科研人員合作,基于高分辨率SAR(合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng))影像首次獲取了環(huán)南極長時(shí)間序列固定冰數(shù)據(jù)集,揭示了南極固定冰的時(shí)空分布、變化特征及其與冰山的相互作用等。
什么是固定冰?為什么要對固定冰分布進(jìn)行測量?這些測量數(shù)據(jù)有什么科研價(jià)值?記者就此采訪了相關(guān)專家。
固定冰不會水平運(yùn)動(dòng)而是垂直運(yùn)動(dòng)
按照世界氣象組織的定義,固定冰是指凍結(jié)于大陸或島嶼沿岸、冰架前端、淺灘或接地冰山周圍的、不隨風(fēng)和洋流漂移的海冰。南極固定冰多為一年冰,在南極秋末冬初的時(shí)候開始生長,10月或11月范圍達(dá)到最大值。隨著南極春夏季節(jié)到來,除個(gè)別區(qū)域存在常年不化的多年固定冰外,大部分固定冰會融化或破碎。
中山大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長程曉教授告訴記者,通常情況下,固定冰會在較長時(shí)間內(nèi)維持在某個(gè)固定位置,不會隨洋流或者風(fēng)場發(fā)生水平運(yùn)動(dòng),但會在潮汐、涌浪作用下做上下垂直運(yùn)動(dòng)。
固定冰的分布受哪些因素影響?中山大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長惠鳳鳴教授表示,大型冰山的擱淺和漂移會導(dǎo)致固定冰的分布和范圍發(fā)生顯著變化。
具體來說,一方面,大型冰山接地后會阻礙海冰運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致海冰堆積而逐漸形成固定冰,冰山漂離后,固定冰區(qū)就會消失;另一方面,當(dāng)冰山距離海岸一定范圍內(nèi),在共同錨定作用下,兩者之間可以形成連續(xù)的固定冰冰區(qū),隨著冰山漂移導(dǎo)致距離超過一定限度后,這種共同作用消失,固定冰范圍也會急劇減小。
“我們通過與海底地形的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),95%的固定冰分布在水深小于1000米的陸架區(qū)。”中山大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士后李新情表示,固定冰的邊緣通常不會超過陸架坡折。隨著緯度的降低,水溫逐漸升高,也不利于形成并維持固定冰,全球范圍來看,緯度最低的結(jié)冰海域就是我國的內(nèi)海渤海。
李新情同時(shí)表示,沿岸地形地貌也是導(dǎo)致固定冰形成的重要因素。一般來講,由海岸往外突出的地形或冰舌、冰架東側(cè)容易形成固定冰,沿岸向內(nèi)陸凹陷的海灣也是固定冰容易形成的區(qū)域,比如我國中山站所在的普里茲灣等。
固定冰數(shù)據(jù)為南極研究提供重要支持
為什么要對固定冰的分布情況進(jìn)行測量?據(jù)程曉解釋,準(zhǔn)確的固定冰數(shù)據(jù)可以提高南極近岸區(qū)域海—冰—氣熱交換的評估精度,為冰架穩(wěn)定性以及生態(tài)系統(tǒng)的研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。
同時(shí),固定冰與很多近岸冰間湖的形成密切相關(guān)。冰間湖指的是達(dá)到結(jié)冰溫度的天氣下仍長期或較長時(shí)間保持無冰或僅被薄冰覆蓋的冰間開闊水域,是海洋動(dòng)物換氣和覓食的“綠洲”。程曉說,固定冰發(fā)生變化時(shí),會導(dǎo)致其下游側(cè)冰間湖的范圍出現(xiàn)變化,進(jìn)而對海洋動(dòng)物的活動(dòng)產(chǎn)生影響。
為何使用SAR技術(shù)對全南極固定冰進(jìn)行長時(shí)間觀測研究?程曉解釋,這是由南極特殊的地理位置和惡劣的自然環(huán)境決定的。
理論上,光學(xué)遙感、微波輻射計(jì)、SAR都可用于固定冰的觀測,但光學(xué)遙感容易受到云的影響,微波輻射計(jì)的空間分辨率太低,往往忽略了很多南極近岸幾公里到十幾公里尺度的固定冰,導(dǎo)致觀測結(jié)果誤差太大。而SAR能夠主動(dòng)開展對地觀測,并具有一定的地表穿透能力,得到的影像不受云和極夜的影響,且分辨率高達(dá)幾十米,在南極地區(qū)也具有很高的數(shù)據(jù)覆蓋度,因而成為當(dāng)前對南極進(jìn)行固定冰觀測的首選方式。
利用衛(wèi)星搭載SAR對南極固定冰的觀測,主要基于固定冰短時(shí)間內(nèi)在潮汐作用下只做輕微的垂向運(yùn)動(dòng),而周邊浮冰在洋流、潮汐以及風(fēng)的作用下會產(chǎn)生明顯的水平運(yùn)動(dòng)特征。“我們使用20天內(nèi)觀測到的影像,計(jì)算它們的梯度差,固定冰區(qū)變化小梯度差也小,浮冰區(qū)變化大梯度差也很大,這樣可以有效地將固定冰與浮冰區(qū)分開。”李新情說。
對南極固定冰的總體分布及變化特征分析結(jié)果顯示,南極固定冰平均面積約為514.5平方千米,占總海冰面積的3%—4%,其中約70%分布于東南極沿岸。分析結(jié)果同時(shí)顯示,南極固定冰在空間分布上具有顯著的區(qū)域性差異,印度洋和太平洋扇區(qū)固定冰面積最大,占全南極固定冰范圍的60%。
程曉說,研究人員后續(xù)還將結(jié)合海洋、大氣等數(shù)據(jù),更加深入地分析固定冰與外部環(huán)境之間的相互作用機(jī)制,獲取的固定冰數(shù)據(jù)集將有望應(yīng)用于大氣、海冰、海洋模式中,提高氣候模擬水平。
關(guān)鍵詞: 南極固定冰數(shù)據(jù)
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