当前, 全球气候处于快速变化的阶段, 人类活动导致的气候变暖可能对地球自然系统产生剧烈且难以预测的影响. 极地冰盖作为气候系统中最关键且敏感的组成部分, 是未来海平面变化预测中的最大不确定性来源, 同时, 其对全球变暖的响应是当前地球科学研究的核心议题之一. 南极冰盖(AIS)作为地球上最大的淡水库, 其质量变化直接影响全球海平面的升降. 近几十年来, 观测数据显示南极冰盖质量正经历加速损失, 这一过程主要集中于西南极区域和南极半岛. 与西南极不同, 东南极冰盖质量损失量微乎其微, 甚至部分研究认为该区域质量略有增加. 这种东西南极冰盖质量变化的不对称性, 可能源于热带-极地遥相关驱动下的大气与海洋环流异常 [1] .
南极冰盖的物质平衡由“输入”与“输出”两大过程共同决定. 其中, 输入项主要体现为冰盖表面的雪积累量, 该参数也被定义为表面物质平衡(surface mass balance, SMB); 输出项则包括冰盖-基岩界面发生的基底融化, 以及冰流跨越接地线后向海洋输送的冰量. 由此可见, 厘清表面物质平衡的变化规律, 是深入理解南极冰盖整体物质平衡状态的前提; 而准确观测南极冰盖表面雪积累率, 更是科学评估冰盖物质平衡动态、揭示其与气候变化内在关联的核心环节.
近年来, 航空遥感、卫星遥感等技术的发展, 显著提升了南极冰盖物质变化的量化评估能力. 这些技术手段涵盖卫星测高、重力测量、大气再分析产品、GPS观测数据、先进统计模型及区域气候模拟等, 为解析南极冰盖动态变化提供了多维度、高精度的数据支撑. 现有研究已明确, 西南极冰盖的质量损失呈显著加剧趋势: 20世纪90年代其质量损失速率约为53±29 Gt a–1, 到21世纪10年代已增至159±26 Gt a–1 [2] , 与之形成对比的是, 学界对东南极冰盖物质平衡的评估仍存在较大争议与不确定性 [3] . 核心原因有二: 其一, 东南极冰盖面积广阔(约占南极冰盖总面积的80%)且地处偏远, 野外观测难度极大, 难以精确捕捉其物质平衡的时空波动特征; 其二, 当前多数南极SMB研究依赖数值模型模拟, 而直接现场观测数据的稀缺、卫星数据固有的背景噪声等因素, 进一步放大了测量结果的不确定性.
在此背景下, 通过大范围、长时间序列的野外实地观测, 成为准确评估数据极度稀缺的东南极区域冰盖SMB的关键途径. 尽管冰芯与雪坑观测可记录局部区域的SMB变率, 但这类数据可能仅能反映小空间尺度的变化, 无法代表大范围的动态趋势. 此前已有多项国际计划尝试在南极冰盖建立观测断面, 旨在探究SMB的空间分布规律, 但受南极恶劣自然环境制约, 后勤保障成本极高, 导致这些观测难以维持长期连续性, 数据的时间序列存在长时间中断.
自2005年起, 我国在东南极内陆建立了系统的、覆盖多类型冰雪环境的冰川学观测断面. 该断面从南极中山站(69.37°S, 76.37°E)延伸至东南极冰盖最高点Dome A(80.37°S, 77.35°E), 全长 1248 km, 位于印度洋扇区, 大致沿77°E分布. 在2005年中国第21次南极科学考察到2020年第36次南极科学考察期间, 每年沿该断面对每隔2 km布设的约600个物质平衡观测杆的雪面高度进行测量, 最终构建了覆盖约15年(2005~2020)的中山站至Dome A冰盖断面表面物质平衡数据集. 该数据集是目前全球范围内少数覆盖南极冰盖大范围的连续观测表面物质平衡数据集(https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28091900).
通过对这套现场观测数据的趋势分析表明: 2005~2020年期间, 研究断面内陆区域(距离海岸 600 km 至Dome A)的SMB存在显著下降趋势( P <0.01), 平均下降速率为–2.01± 0.37 kg m –2 a–2, 15年间表面雪积累率减少了35.5%. 该结果与“东南极冰盖表面雪积累稳定或略有增加”的主流认知形成鲜明对比. 值得注意的是, 这一下降趋势在研究区域内具有极强的空间一致性, 表明其驱动因素源于区域性气候过程, 而非局部干扰.
为探究表面雪积累率下降的主要机制, 本研究选用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的第五代大气再分析资料(ERA5)对导致雪积累率变化的大气环流动力机制进行了分析, 该资料不仅在既有研究中被证实能够可靠表征南极降水 [ 4 ~ 12 ] , 其变化趋势也与本研究的实地观测结果一致. 我们系统分析了热力平衡、太阳辐射及大气环流等关键气象参数与气候指标. 从气温变化来看, 中山站-Dome A断面自动气象站网的实测数据显示, 2005~2020年期间, Eagle站(距岸线约 800 km, 位于雪积累率持续下降核心区)与Dome A的年均近地面气温均呈微弱下降, 但统计检验不显著( P > 0.05) [13] , 表明温度并非驱动雪积累率下降的主导因素. 通过远程遥相关分析发现, 大气环流调控的降水变化在对南极内陆SMB的影响更为关键 [14] , 这与在南极冰盖边缘SMB更易受热驱动的融水过程影响不同. 因此, 本研究聚焦区域环流模式, 识别出影响东南极内陆水汽输送与降水的两大关键因素:
(1) 高层环流(250 hPa)的“纬向水汽通道阻隔”: 研究断面内陆区域(75°S~82°S)的平均降水, 与南印度洋扇区(60°E~90°E, 50°S~65°S)250 hPa纬向风速呈显著负相关( P <0.05). 2005~ 2020年期间, 南印度洋扇区极锋急流显著增强( P <0.05)且向极迁移, 不仅强化了纬向环流, 还收缩了极地涡旋, 直接削弱了低纬度暖湿空气向高纬度南极内陆的经向输送. 该过程在南半球冬、夏季(6~8月及12月~次年2月)表现最为显著, 可解释约80%的冬季降水减少.
(2) 中层环流(500 hPa)的“经向水汽通道阻止”: 研究断面内陆区域(75°S~82°S)的平均降水与南印度洋(80°E~150°E, 50°S~65°S)500 hPa位势高度(Z500)呈显著正相关( P <0.05). 2005~2020年期间, 南印度洋的Z500呈显著的负趋势( P <0.01), 导致中层环流中的南印度洋低压系统加深, 该低压异常在研究区(77°E)激发异常离岸风, 阻止了海洋向内陆的 “经向水汽输送”.
上述高层“纬向阻隔”减少低纬水汽来源, 中层“经向阻止”影响海洋水汽向内陆输送, 两者叠加导致南极内陆水汽供应减弱, 降水减少. 同时, 近地面离岸风增强进一步加剧雪的升华与风蚀作用, 最终表现为表面雪积累率的显著下降( 图1 ). 未来研究需进一步关注气候系统中潜在的反馈环路: 南极表面物质平衡的变化会影响冰盖整体质量和地表能量平衡, 而这种变化反过来又可能调控大气环流模式, 形成动态反馈.
图1
南半球高纬度区域大气环流变化及其对研究区降水的影响. 上层: 对流层上层纬向西风增强, 导致低纬度向东南极内陆研究区域的经向水汽输送减少; 中层: 南印度洋上空气候态低压系统加深, 引发研究区域离岸风增强, 进一步阻碍了大气向内陆研究区域的水汽输入. 下层: 这些环流异常现象相互耦合, 共同导致研究区域表面积雪积累率显著下降
对1979年以来的ERA5再分析数据的分析表明, 研究断面降水最显著的下降趋势恰好出现在2005~2020年期间, 这与本研究观测到的雪积累率变化趋势高度一致. 此外, 南印度洋扇区250 hPa急流层西风环流, 南印度洋东部区域的Z500以及研究断面 10 m 离岸风, 均在该时期呈现出15年的显著变化趋势( P <0.10); 而在1979年至今的其他时间段内, 均未观测到类似的15年尺度显著趋势. 值得注意的是, ERA5数据显示, 2020~2024年期间研究断面内陆区域的降水趋势发生快速逆转, 由此前的下降转为增加, 这与近期报道的东南极部分区域SMB正异常现象一致 [15] . 该现象提示, 需进一步探索气候遥相关(如南半球环状模、印度洋偶极子、厄尔尼诺-南方涛动)对南极SMB影响的耦合机制.
尽管本研究聚焦区域性观测与分析, 但其价值在于: 首次提供了东南极内陆冰盖SMB持续降低的直接观测证据; 揭示的“区域环流异常调控南极表面物质平衡格局”的核心机制, 可推广至整个南极区域; 通过记录大空间尺度东南极内陆冰盖断面表面物质平衡的显著、持续下降, 识别出一个此前被低估的气候过程, 并提供了宝贵的实证数据用于校准物质平衡预测模型. 在当前气候变化加速背景下, 这类精细化认知对准确预测南极冰盖物质平衡未来演变趋势、评估其对全球海平面上升的贡献至关重要. 相关研究结果发表在 Nature Geoscience [14] .
参考文献
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