科學通報 | 觀測刷新傳統認知: 東南極冰蓋表面物質平衡年代際顯著下降及環流調控機制

當前, 全球氣候處于快速變化的階段, 人類活動導致的氣候變暖可能對地球自然系統產生劇烈且難以預測的影響. 極地冰蓋作為氣候系統中最關鍵且敏感的組成部分, 是未來海平面變化預測中的最大不確定性來源, 同時, 其對全球變暖的響應是當前地球科學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, 其質量變化直接影響全球海平面的升降. 近幾十年來, 觀測數據顯示南極冰蓋質量正經歷加速損失, 這一過程主要集中于西南極區域和南極半島. 與西南極不同, 東南極冰蓋質量損失量微乎其微, 甚至部分研究認為該區域質量略有增加. 這種東西南極冰蓋質量變化的不對稱性, 可能源于熱帶-極地遙相關驅動下的大氣與海洋環流異常 [1] .

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

近年來, 航空遙感、衛星遙感等技術的發展, 顯著提升了南極冰蓋物質變化的量化評估能力. 這些技術手段涵蓋衛星測高、重力測量、大氣再分析產品、GPS觀測數據、先進統計模型及區域氣候模擬等, 為解析南極冰蓋動態變化提供了多維度、高精度的數據支撐. 現有研究已明確, 西南極冰蓋的質量損失呈顯著加劇趨勢: 20世紀90年代其質量損失速率約為53±29 Gt a–1, 到21世紀10年代已增至159±26 Gt a–1 [2] , 與之形成對比的是, 學界對東南極冰蓋物質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平衡的時空波動特征; 其二, 當前多數南極SMB研究依賴數值模型模擬, 而直接現場觀測數據的稀缺、衛星數據固有的背景噪聲等因素, 進一步放大了測量結果的不確定性.

在此背景下, 通過大范圍、長時間序列的野外實地觀測, 成為準確評估數據極度稀缺的東南極區域冰蓋SMB的關鍵途徑. 盡管冰芯與雪坑觀測可記錄局部區域的SMB變率, 但這類數據可能僅能反映小空間尺度的變化, 無法代表大范圍的動態趨勢. 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的空間分布規律, 但受南極惡劣自然環境制約, 后勤保障成本極高, 導致這些觀測難以維持長期連續性, 數據的時間序列存在長時間中斷.

自2005年起, 我國在東南極內陸建立了系統的、覆蓋多類型冰雪環境的冰川學觀測斷面. 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, 大致沿77°E分布. 在2005年中國第21次南極科學考察到2020年第36次南極科學考察期間, 每年沿該斷面對每隔2 km布設的約600個物質平衡觀測桿的雪面高度進行測量, 最終構建了覆蓋約15年(2005~2020)的中山站至Dome A冰蓋斷面表面物質平衡數據集. 該數據集是目前全球范圍內少數覆蓋南極冰蓋大范圍的連續觀測表面物質平衡數據集(https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28091900).

通過對這套現場觀測數據的趨勢分析表明: 2005~2020年期間, 研究斷面內陸區域(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%. 該結果與“東南極冰蓋表面雪積累穩定或略有增加”的主流認知形成鮮明對比. 值得注意的是, 這一下降趨勢在研究區域內具有極強的空間一致性, 表明其驅動因素源于區域性氣候過程, 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報中心(ECMWF)發布的第五代大氣再分析資料(ERA5)對導致雪積累率變化的大氣環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果一致. 我們系統分析了熱力平衡、太陽輻射及大氣環流等關鍵氣象參數與氣候指標. 從氣溫變化來看, 中山站-Dome A斷面自動氣象站網的實測數據顯示, 2005~2020年期間, Eagle站(距岸線約 800?km, 位于雪積累率持續下降核心區)與Dome A的年均近地面氣溫均呈微弱下降, 但統計檢驗不顯著( P > 0.05) [13] , 表明溫度并非驅動雪積累率下降的主導因素. 通過遠程遙相關分析發現, 大氣環流調控的降水變化在對南極內陸SMB的影響更為關鍵 [14] , 這與在南極冰蓋邊緣SMB更易受熱驅動的融水過程影響不同. 因此, 本研究聚焦區域環流模式, 識別出影響東南極內陸水汽輸送與降水的兩大關鍵因素:

(1) 高層環流(250 hPa)的“緯向水汽通道阻隔”: 研究斷面內陸區域(75°S~82°S)的平均降水, 與南印度洋扇區(60°E~90°E, 50°S~65°S)250 hPa緯向風速呈顯著負相關( P <0.05). 2005~ 2020年期間, 南印度洋扇區極鋒急流顯著增強( P <0.05)且向極遷移, 不僅強化了緯向環流, 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陸的經向輸送. 該過程在南半球冬、夏季(6~8月及12月~次年2月)表現最為顯著, 可解釋約80%的冬季降水減少.

(2) 中層環流(500 hPa)的“經向水汽通道阻止”: 研究斷面內陸區域(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( P <0.05). 2005~2020年期間, 南印度洋的Z500呈顯著的負趨勢( P <0.01), 導致中層環流中的南印度洋低壓系統加深, 該低壓異常在研究區(77°E)激發異常離岸風, 阻止了海洋向內陸的 “經向水汽輸送”.

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

圖1

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

對1979年以來的ERA5再分析數據的分析表明, 研究斷面降水最顯著的下降趨勢恰好出現在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250 hPa急流層西風環流, 南印度洋東部區域的Z500以及研究斷面 10?m 離岸風, 均在該時期呈現出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, 均未觀測到類似的15年尺度顯著趨勢. 值得注意的是, ERA5數據顯示, 2020~2024年期間研究斷面內陸區域的降水趨勢發生快速逆轉, 由此前的下降轉為增加, 這與近期報道的東南極部分區域SMB正異常現象一致 [15] . 該現象提示, 需進一步探索氣候遙相關(如南半球環狀模、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.

盡管本研究聚焦區域性觀測與分析, 但其價值在于: 首次提供了東南極內陸冰蓋SMB持續降低的直接觀測證據; 揭示的“區域環流異常調控南極表面物質平衡格局”的核心機制, 可推廣至整個南極區域; 通過記錄大空間尺度東南極內陸冰蓋斷面表面物質平衡的顯著、持續下降, 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據用于校準物質平衡預測模型. 在當前氣候變化加速背景下, 這類精細化認知對準確預測南極冰蓋物質平衡未來演變趨勢、評估其對全球海平面上升的貢獻至關重要. 相關研究結果發表在 Nature Geoscience [14] .

參考文獻

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