DOI: https://doi.org/10.1029/2023gl107561
تاريخ النشر: 2024-03-27
المؤلف: Babula Jena وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الجليد في القطب الشمالي والقطب الجنوبي
نظرة عامة
بلغ الحد الأقصى لمدى جليد البحر في القارة القطبية الجنوبية لعام 2023 (SIE)، الذي تم تسجيله في 7 سبتمبر، أدنى مستوى له في عصر الأقمار الصناعية عند 16.98 × 10^6 كم²، وهو أقل بكثير من المتوسط طويل الأجل بمقدار 1.46 × 10^6 كم². كانت المساهمات الرئيسية في هذه الشذوذ هي بحر روس (37.7% من العجز) وبحر ويديل (32.9%). وقد تم عزو هذا الانخفاض غير المسبوق في SIE إلى مجموعة من درجات حرارة المحيط العلوي غير الطبيعية التي تجاوزت 0.3 درجة مئوية ورياح شمالية قوية، مما أعاق تشكيل الجليد خلال أشهر الخريف والشتاء. ومن الجدير بالذكر أن بحر روس شهد انخفاضًا يوميًا حادًا في SIE بمقدار 1.08 × 10^3 كم² من 1 يونيو حتى الحد الأقصى السنوي، مما زاد من تأثير الأعاصير القطبية التي تسببت في تحولات سريعة في حافة الجليد.
تشير النتائج إلى أن شذوذات دوران الغلاف الجوي، وخاصة انخفاض سطح القارة القطبية الجنوبية العميق وتحوله نحو الشرق، لعبت دورًا حاسمًا في الظروف الجليدية المرصودة. أدت هذه الشذوذات إلى رياح شمالية قياسية ودرجات حرارة جوية مرتفعة، مما حافظ على حافة الجليد جنوب متوسطها التاريخي. بينما تم الإشارة إلى أن التغير الطبيعي في المناخ قد ساهم في الانخفاض الأخير في SIE، فإن التأثير المحتمل للعوامل البشرية يتطلب مزيدًا من التحقيق. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى نمذجة شاملة لتفاعلات المحيط والجليد والغلاف الجوي لفهم أفضل لدوافع فقدان الجليد السريع ولتوقع تأثيرات المناخ المستقبلية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاتجاهات في مدى جليد البحر في المحيط الجنوبي (SIE) من 1978 إلى 2023، مع تسليط الضوء على زيادة معتدلة حتى عام 2015 تلتها انخفاض ملحوظ من 2016 إلى 2023. يُعزى هذا التذبذب في SIE إلى مجموعة من العوامل الفيزيائية، بما في ذلك الأنماط الجوية والظروف المحيطية. ومن الجدير بالذكر أن صيف 2016/17 شهد انخفاضًا سريعًا في SIE، مرتبطًا بمرحلة سلبية من نمط القطب الجنوبي (SAM)، مما أدى إلى ضعف الرياح الغربية وتكثيف الظواهر الجوية، مثل تعميق منخفض بحر أموندسن (ASL) وتأثير العواصف القطبية.
تشير الورقة أيضًا إلى أن الفترة من 2007 إلى 2021 قدمت تحديات في ربط تأثير SAM على SIE بسبب هيكله غير الدائري المتطور. كانت الشذوذات السلبية الكبيرة في SIE خلال مواسم نمو الجليد مرتبطة بأعاصير قطبية متفجرة. تم عزو أدنى مستوى قياسي لـ SIE لوحظ في صيف 2021/22 إلى مجموعة من العوامل، بما في ذلك تقوية ASL، وSAM إيجابي، والأعاصير القطبية، وتشكيل بولينيا كبيرة في بحر روس. تم التأكيد على عمق وموقع ASL كعوامل حاسمة تؤثر على SIE عبر مناطق مختلفة من المحيط الجنوبي، بما في ذلك بحر روس، وبحر ويديل، وبحار أموندسن-بيلينغهاوزن.
الطرق
في هذه الدراسة، قمنا بتحليل بيانات تركيز جليد البحر (SIC) ومدى جليد البحر (SIE) التي تم الحصول عليها من مستشعرات الأقمار الصناعية الميكروويفية السلبية، والتي قدمت ملاحظات موثوقة منذ عام 1979 بدقة مكانية تبلغ 25 كم × 25 كم (Fetterer et al., 2017). تم تحديد SIE من خلال تجميع مناطق البكسل التي تحتوي على SIC بنسبة 15% أو أكثر، وتم حساب الشذوذات بالنسبة للمتوسط طويل الأجل من 1979 إلى 2008. تم اشتقاق سرعة جليد البحر من متجهات الرياح باستخدام مجموعة بيانات ECMWF ERA5، بينما تم وصف دوران الغلاف الجوي باستخدام نفس مجموعة البيانات بدقة 0.25° × 0.25° (Hersbach et al., 2023).
قمنا بحساب صافي تدفق الحرارة (NHF) من خلال جمع الإشعاع القصير الموجي، والإشعاع الطويل الموجي الخارج، وكلا من تدفقات الحرارة الحساسة والخفية، مع القيم الإيجابية تشير إلى اكتساب الحرارة والقيم السلبية تشير إلى فقدان الحرارة عند سطح المحيط. تم إنشاء مسارات الأعاصير كل ست ساعات، وتصنيف الأعاصير إلى نوعي بحر ويديل (WC) وبحر روس (RC)، مع تحديد الأحداث المتفجرة من خلال معدل تعميق موحد (NDR) لضغط مركزي نسبي يتجاوز الواحد خلال 24 ساعة (Jena et al., 2022; Xia et al., 2012). تم الإشارة إلى متغيرات محيطية وجوية إضافية من عصر الأقمار الصناعية (1979-2023)، مع حساب عمق الطبقة المختلطة بناءً على تغييرات الكثافة المحتملة (Kaufman et al., 2014). تم الحصول على مؤشر نمط القطب الجنوبي (SAM) وشذوذات نينيو 3.4 من قواعد بيانات معتمدة (Marshall, 2003; Rayner et al., 2003).
مناقشة
بلغ مدى جليد البحر في القارة القطبية الجنوبية لعام 2023 (SIE) أدنى مستوى قياسي عند 16.98 مليون كم² في 7 سبتمبر، مما يمثل أدنى حد أقصى سنوي في عصر الأقمار الصناعية. تم عزو هذا الانخفاض إلى ارتفاع غير طبيعي في درجات حرارة المحيط العلوي، ورياح شمالية قوية، وشذوذات كبيرة في دوران الغلاف الجوي، بما في ذلك تأثير الأعاصير القطبية وتأثير ظاهرة النينيو الجنوبية (ENSO). ومن الجدير بالذكر أن بحري ويديل وروس شهدا أكبر انخفاضات في مدى الجليد، حيث ساهم بحر ويديل بشكل كبير في الشذوذات السلبية من أبريل إلى يوليو، بينما هيمن بحر روس في أغسطس وسبتمبر.
كشفت التحليلات أن أنماط ضغط الغلاف الجوي، وخاصة تقوية وتحول نمط التذبذب القطبي (ASL) نحو الشرق، لعبت دورًا حاسمًا في الديناميات الجليدية المرصودة. أدت هذه الظروف إلى رياح شمالية مستمرة أدخلت الهواء الدافئ إلى المنطقة، مما زاد من ذوبان الجليد وأعاق نمو الجليد خلال الأشهر الحرجة من مارس إلى سبتمبر. كما أثرت النشاطات الإعصارية على تباين SIE، مع عدة حلقات من التوسع البطيء للجليد والتراجعات السريعة المرتبطة بمرور الأعاصير القطبية. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين العوامل المحيطية والجوية في دفع SIE المنخفض غير المسبوق الذي لوحظ في 2023، مما يبرز أهمية الشذوذات الإقليمية في دوران الغلاف الجوي وأنظمة الطقس العابرة في تشكيل ظروف جليد البحر في القارة القطبية الجنوبية.
DOI: https://doi.org/10.1029/2023gl107561
Publication Date: 2024-03-27
Author(s): Babula Jena et al.
Primary Topic: Arctic and Antarctic ice dynamics
Overview
The 2023 Antarctic sea ice extent (SIE) maximum, recorded on September 7, was the lowest in the satellite era at 16.98 × 10^6 km², significantly below the long-term average by 1.46 × 10^6 km². The primary contributors to this anomaly were the Ross Sea (37.7% of the deficit) and the Weddell Sea (32.9%). This unprecedented low SIE was attributed to a combination of anomalously warm upper-ocean temperatures exceeding 0.3°C and strong northerly winds, which hindered ice formation during the fall and winter months. Notably, the Ross Sea experienced a drastic daily decrease in SIE of 1.08 × 10^3 km² from June 1 until the annual maximum, exacerbated by the influence of polar cyclones that caused rapid shifts in the ice edge.
The findings indicate that atmospheric circulation anomalies, particularly a deep Antarctic surface low and its eastward shift, played a crucial role in the observed ice conditions. These anomalies resulted in record northerly winds and elevated atmospheric temperatures, maintaining the ice edge south of its historical mean. While natural climate variability has been implicated in the recent decline of SIE, the potential influence of anthropogenic factors warrants further investigation. The study emphasizes the need for comprehensive modeling of ocean-ice-atmosphere interactions to better understand the drivers of rapid ice loss and to predict future climate impacts.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the trends in Southern Ocean sea ice extent (SIE) from 1978 to 2023, highlighting a moderate increase until 2015 followed by a notable decrease from 2016 to 2023. This fluctuation in SIE is attributed to various physical drivers, including atmospheric patterns and oceanic conditions. Notably, the summer of 2016/17 experienced a rapid decline in SIE, linked to a negative phase of the Southern Annular Mode (SAM), which resulted in weakened westerlies and intensified atmospheric phenomena, such as the deepening of the Amundsen Sea Low (ASL) and the influence of polar storms.
The paper further notes that the period from 2007 to 2021 presented challenges in correlating SAM’s impact on SIE due to its evolving nonannular structure. Significant negative SIE anomalies during ice growth seasons were associated with explosive polar cyclones. The record low SIE observed in summer 2021/22 was attributed to a combination of factors, including a strengthened ASL, a positive SAM, polar cyclones, and the formation of a large polynya in the Ross Sea. The depth and location of the ASL are emphasized as critical factors influencing SIE across various regions of the Southern Ocean, including the Ross Sea, Weddell Sea, and Amundsen-Bellingshausen Seas.
Methods
In this study, we analyzed sea ice concentration (SIC) and sea ice extent (SIE) data obtained from passive microwave satellite sensors, which have provided reliable observations since 1979 with a spatial resolution of 25 km × 25 km (Fetterer et al., 2017). The SIE was determined by aggregating pixel areas with a SIC of 15% or more, and anomalies were calculated relative to the long-term mean from 1979 to 2008. Sea ice velocity was derived from wind vectors using the ECMWF ERA5 dataset, while atmospheric circulation was characterized using the same dataset at a resolution of 0.25° × 0.25° (Hersbach et al., 2023).
We computed the net heat flux (NHF) by summing shortwave radiation, outgoing long-wave radiation, and both sensible and latent heat fluxes, with positive values indicating heat gain and negative values indicating heat loss at the ocean surface. Cyclone tracks were generated every six hours, categorizing cyclones into Weddell Sea (WC) and Ross Sea (RC) types, with explosive events identified by a normalized deepening rate (NDR) of relative central pressure exceeding unity within 24 hours (Jena et al., 2022; Xia et al., 2012). Additional oceanic and atmospheric variables were referenced from the satellite era (1979-2023), with mixed layer depth calculated based on potential density changes (Kaufman et al., 2014). The Southern Annular Mode (SAM) index and Niño 3.4 anomalies were sourced from established databases (Marshall, 2003; Rayner et al., 2003).
Discussion
The 2023 Antarctic sea ice extent (SIE) reached a record low maximum of 16.98 million km² on September 7, marking the lowest annual maximum in the satellite era. This decline was attributed to anomalous upper-ocean warming, strong northerly winds, and significant atmospheric circulation anomalies, including the influence of polar cyclones and the El Niño Southern Oscillation (ENSO). Notably, the Weddell and Ross Seas experienced the most pronounced reductions in ice extent, with the Weddell Sea contributing significantly to negative anomalies from April to July, while the Ross Sea dominated in August and September.
The analysis revealed that the atmospheric pressure patterns, particularly the strengthening and eastward shift of the Antarctic Oscillation (ASL), played a critical role in the observed ice dynamics. These conditions led to persistent northerly winds that advected warm air into the region, exacerbating ice melt and hindering ice growth during the critical months of March to September. Cyclonic activity further influenced SIE variability, with several episodes of slow ice expansion and rapid retreats linked to the passage of polar cyclones. The findings underscore the complex interplay between oceanic and atmospheric factors in driving the unprecedented low SIE observed in 2023, highlighting the importance of regional circulation anomalies and transient weather systems in shaping Antarctic sea ice conditions.